基于微流控芯片的DNA計算研究.pdf

1、晶體管電路逐漸接近其性能極限，使得傳統(tǒng)電子計算機在工作頻率和計算速度等方面受到局限，近年來，科學(xué)家們開始探索新的計算模型來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子計算。其中DNA計算機因其高度并行性、海量的存儲能力等優(yōu)點受到科學(xué)界的極大青睞。而邏輯運算和算術(shù)運算是計算機運算系統(tǒng)中最基本的功能，因此，研究DNA計算系統(tǒng)中的邏輯運算和算術(shù)運算是實現(xiàn)DNA計算機功能的關(guān)鍵。DNA計算離不開傳統(tǒng)的生化反應(yīng)，而生化反應(yīng)存在著設(shè)備體積龐大、過程復(fù)雜、難以操控的不足。在微流控

2、芯片上利用微細加工技術(shù)制備各種模塊來實現(xiàn)生化反應(yīng)不僅具有體積小、攜帶方便、樣品消耗少等優(yōu)點，而且能為設(shè)計并實現(xiàn)大規(guī)模實用化的DNA計算機提供有力的技術(shù)支撐。因此，基于微流控芯片的DNA計算系統(tǒng)的研究成為新的熱點。
　　本文采用分子信標代替DNA分子作為運算操作數(shù)的載體，并將DNA計算系統(tǒng)的理念與微流控技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了完成邏輯運算以及N位二進制算術(shù)運算的微流控芯片，并詳細說明了芯片完成運算的方法及過程。在此基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了完成

3、運算所需的溫度控制系統(tǒng)，簡要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其軟件編程環(huán)境，并給出了其供電、溫度采集、溫度控制等硬件模塊的具體設(shè)計方法及功能實現(xiàn)的結(jié)果。為了實時地控制溫度，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法跟蹤溫差信號，并在MATLAB仿真環(huán)境下對傳統(tǒng)數(shù)字PID算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法跟蹤單位階躍信號進行仿真比較，結(jié)果說明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法具有更好的跟蹤響應(yīng)效果。最后，設(shè)計了檢測運算結(jié)果的熒光檢測處理系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并

4、根據(jù)熒光產(chǎn)生的機理，選擇合適的器件，設(shè)計了熒光檢測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的基本電路，并利用Visual Basic軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)了檢測處理系統(tǒng)的上位機控制顯示界面。
　　一直以來，學(xué)者多致力于DNA計算的建模研究，研究其設(shè)計與實現(xiàn)的并不多見，且通過生化反應(yīng)實現(xiàn)DNA計算一直面臨著最終解難檢測的問題。利用微流控芯片內(nèi)流體的可控流動對信息進行加工和處理雖然仍處于萌芽階段，但是很可能成為未來信息處理領(lǐng)域的一個重要分支，其潛力和影響不容忽視