分子論理ゲート

YES論理ゲートの一例として、シアノ置換アントラセンユニットに接続されたベンゾクラウンエーテルが挙げられる。出力1（蛍光）は、溶液中にナトリウムイオンが存在する場合（入力1を示す場合）にのみ得られる。ナトリウムイオンはクラウンエーテルによってカプセル化され、PETプロセスが消光され、アントラセンユニットが蛍光を発する。^{[ 11 ]}

この分子論理ゲートは、酸化還元蛍光スイッチから、酸の存在を検出する電気化学スイッチを備えた多入力論理ゲートへの進歩を示しています。この2入力AND論理ゲートは、第三級アミンプロトン受容体とテトラチアフルバレン酸化還元供与体を組み込んでいます。これらの基は、アントラセンに結合している場合、酸の濃度と溶液の酸化能力に関する情報を同時に処理できます。^{[ 12 ]}

De Silvaらは、アザクラウンエーテル受容体とナトリウムイオンおよびカリウムイオンを入力として用いて、OR 分子論理ゲートを構築した。2 つのイオンのいずれかがクラウンエーテルに結合すると、PET が消光され、蛍光がオンになる。2 つのイオンのいずれか (入力 "1") が蛍光 (出力 "1") を引き起こす可能性があるため、このシステムは OR 論理ゲートに似ている。^{[ 6 ]}

INH ロジックゲートは、キレート錯体中のTb ³⁺イオンを組み込んでいます。この 2 入力ロジックゲートは、化学入力とリン光出力に対して非可換な動作を示します。酸素 (入力 "1") が存在すると、システムは消光され、リン光は観察されません (出力 "0")。出力 "1" を観察するには、2 番目の入力である H ⁺も存在する必要があります。^{[ 13 ]}

パーカーとウィリアムズは、フェナントリジンのテルビウム錯体からの強い発光に基づいてNAND論理ゲートを構築した。酸と酸素（2つの入力）が存在しない場合（入力「0」）、テルビウム中心が蛍光を発する（出力「1」）。^{[ 14 ]}

アッカヤらは、ボラジアザインダセン系を用いた分子NORゲートを実証した。高発光性のボラジアザインダセン（入力「1」）の蛍光は、亜鉛塩[Zn(II)]またはトリフルオロ酢酸（TFA）の存在下で消光されることがわかった。^{[ 15 ]}

デ・シルバとマクレナガンは、分子論理ゲートに基づく原理実証算術装置を設計した。化合物Aはプッシュプルオレフィンであり、上部の受容体にはカルシウムと結合可能な4つのカルボン酸アニオン基（および非公開の対カチオン）が含まれている。下部は水素イオンの受容体であるキノリン分子である。論理ゲートは次のように動作する。Ca ²⁺またはH ⁺の化学的入力がない場合、発色団はUV/VIS分光法で390 nmに最大吸収を示す。カルシウムが導入されると、短波長シフト（青方偏移）が起こり、390 nmでの吸収が減少する。同様に、プロトンの添加は長波長シフト（赤方偏移）を引き起こす。両方のカチオンが水中にある場合、最終的な結果は元の390 nm波長での吸収である。このシステムは、吸収ではXNOR論理ゲート、透過ではXOR論理ゲートを表す。^{[ 16 ]}  

別の XOR 論理ゲート システムでは、化学は擬似ロタキサンに基づいています。有機溶液中では、電子不足のジアザピレニウム塩 (ロッド) とクラウンエーテル(リング)の電子豊富な 2,3-ジオキシナフタレンユニットが電荷移動錯体の形成によって自己集合します。トリブチルアミンなどの第三級アミンを添加すると、ジアザピレンと 1:2 付加物が形成され、錯体が脱スレッドされます。このプロセスは、遊離したクラウンエーテルに起因する 343 nm での発光強度の増加を伴います。トリフルオロメタンスルホン酸を添加すると、アミンと反応してプロセスが逆転します。過剰な酸はプロトン化によってクラウンエーテルをロックし、錯体は再び脱スレッドされます。^{[ 17 ]} 

化合物Bでは、下部にプロトンと結合できる第三級アミノ基が含まれています。このシステムでは、両方のカチオンが存在する場合にのみ蛍光が発生します。両方のカチオンの存在はPETを阻害し、化合物Bが蛍光を発することを可能にします。どちらかのイオンが存在しない場合、蛍光はPETによって消光されます。PETは、窒素原子または酸素原子、あるいはその両方からアントラセニル基への電子移動を伴います。両方の受容体がそれぞれカルシウムイオンとプロトンに結合すると、両方のPETチャネルが遮断されます。化合物Bの全体的な結果はAND論理です。出力「1」（蛍光）は、Ca2 ⁺とH ⁺の両方が溶液中に存在する場合、つまり値が「1」の場合にのみ発生します。両方のシステムを並列に実行し、システムAの透過率とシステムBの蛍光を監視すると、結果として1 + 1 = 2の式を再現できる半加算器が得られます。 ^{[ 16 ]}

システム B の改良版では、3 つの化学入力が AND 論理ゲートで同時に処理されます。蛍光シグナルの増強は、プロトン、亜鉛、ナトリウムイオンがそれぞれアミン、フェニルジアミノカルボキシレート、クラウンエーテル受容体と相互作用することによってのみ観察されます。処理モードは、上記で説明したのと同様に動作します。蛍光は、受容体から励起アントラセン蛍光体への競合する PET 反応が防止されることによって観察されます。イオン入力がない場合、蛍光出力は低くなります。各受容体は特定のイオンに対して選択性があり、他のイオンの濃度が増加しても高い蛍光は得られません。組み合わせ AND 論理に従って蛍光出力を得るには、各入力の特定の濃度閾値に達する必要があります。^{[ 18 ]}

分子論理ゲートは、de Silva の原理実証^{[ 16 ]}に見られるような構成と同様に変調器を処理できますが、同じ分子上に異なる論理ゲートを組み込むことは困難です。このような機能は統合論理と呼ばれ、Coskun、Akkaya らが示したBODIPYベースのハーフサブトラクタ 論理ゲートがその例です。565 nm と 660 nm の 2 つの波長でモニターすると、それぞれの波長で XOR および INH 論理ゲートの動作が実現されます。テトラヒドロフラン中のこの化合物の光学研究では、565 nm に吸収ピーク 、660 nm に発光ピークが見られます 。酸を加えると、第三級アミンのプロトン化により内部電荷移動が生じるため、両方のピークが短波長シフトします。観測される発光の色は黄色です。強塩基を加えると、フェノール性ヒドロキシル基が脱プロトン化され、PET が発生して分子が非発光性になります。酸と塩基を加えると、第三級アミンはプロトン化されず、ヒドロキシル基はプロトン化されたままとなるため、PETと分子内電荷移動（ICT）の両方が起こらず、分子は赤色発光を示すことが観察される。発光強度の大きな違いにより、この単一分子はナノスケールレベルで減算を行うことができる。^{[ 19 ]}

シャンザーらはフルオレセインに基づく全加算器システムも構築した。このシステムは1+1+1=3を計算することができる。^{[ 1 ]}

フッ化物（F⁻ ^）と酢酸（CH₃COO⁻ _）アニオンは、人間の健康と幸福の観点から最も重要なもののひとつです。前者は医療で広く使用されていますが、毒性と腐食性があることで知られています。後者は、ある一定の濃度を超えるとアルカローシスを引き起こし、代謝経路に影響を与える可能性があります^。したがって、水溶液中でこれらのアニオンを検出する方法を開発することが非常に重要です。Bhatらは、 ^F⁻および CH₃COO⁻_アニオン^に選択的に結合する受容体を備えた INH ゲートを構築しました。このシステムは、比色ベースの出力として吸光度の変化を使用してアニオンの濃度を検出しました。^{[ 25 ]}

Wenらは、 Fe3 ⁺とEDTAを入力とし、蛍光出力を持つINH分子論理ゲートを設計し、溶液中の鉄イオンを検出した。このシステムの蛍光は、 Fe3 ^{+入力が存在し、かつEDTAが存在しない}場合にのみ消光される。^{[ 26 ]}

重金属イオンは^、その固有の毒性と分解性の低さから、人間の健康に対する継続的な脅威となっています。Cd 2+ [ 27 ]、Hg 2+ / Pb 2+ [ 28 ]、Ag + [ 29 ] などのイオンを検出するために、いくつかの分子論理ゲートベースのシステムが構築されています。Chenら^は、彼ら の研究^で、論理^{ゲートベースのシステム}が米^{サンプル中のCd} 2+イオンの検出^に使用できることを実証しました。^{[ 27 ]}

がん治療のための化学療法などの方法の有効性は、細胞が抗がん剤の効果に対して感受性を失うような分子変化を起こすため、しばらくすると頭打ちになる傾向があるため、^{[ 30 ]}がん細胞の早期発見が重要となる。バイオマーカーであるマイクロRNA（miRNA）は、その発現パターンを介してこの検出に不可欠である。^{[ 31 ]} Zhangらは、この目的のためにINH-ORゲートカスケードを実証し、^{[ 32 ]} YueらはANDゲートを使用して2つのmiRNA入力と量子ドット光ルミネセンス出力を持つシステムを構築し、^{[ 33 ]} Pengらも腫瘍細胞からのmiRNAの同時検出のためのANDゲートベースのデュアル入力システムを構築した。^{[ 34 ]}

Akkaya らは、光線力学療法への論理ゲートの応用を研究で示した。クラウンエーテルとスペーサーで隔てられた 2 つのピリジル基に結合したBODIPY 色素は、AND 論理ゲートに従って機能する。この分子は、比較的高いナトリウムイオン濃度とプロトンイオン濃度の条件下で 660 nmの照射を受けると、三重項酸素を細胞毒性のある一重項酸素に変換することで光線力学剤として機能している。この典型的な例では、正常細胞と比較して腫瘍組織でナトリウム濃度が高く、pH が低いことを利用している。これら 2 つの癌関連細胞パラメーターが満たされると、吸光スペクトルに変化が観察される。^{[ 35 ]}

DNAコンピューティングの概念は、データ情報量の増加に伴うストレージ密度の問題に対処するために生まれました。理論的には、1グラムの一本鎖DNAは、ヌクレオチドあたり2ビットの密度で400エクサバイトを超えるデータを保存できます。^{[ 36 ]}レナード・アドレマンは1994年にこの分野を確立したとされています。^{[ 37 ]}最近では、分子論理ゲートシステムがDNAコンピューティングモデルに利用されています。^{[ 38 ]}

Masseyらは、AND、OR、NAND、NOR 分子論理ゲートのカスケードを使用してフォトニック DNA 分子論理回路を構築しました。^{[ 39 ]}彼らは蛍光マーカーとしてランタニド錯体を使用し、その発光出力はDNA 鎖の末端にあるFRETベースのデバイスによって検出されました。DNA クロスオーバー タイルに基づく NOT、AND、OR、および XNOR 論理システムを実証した Campbell らの研究^{[ 40 ]}、YES、AND、および OR 論理演算を実現するためにDNA G-四重鎖構造を操作したBaderらの研究^{[ 41 ]} 、およびDNA オリガミ表面上の反応性DNA ヘアピンを使用して論理ゲートを構築した Chatterjee らの研究^{[ 42 ]}は、論理ゲートベースの DNA コンピューティングの例です。

ナノロボットは、薬物送達プロセスや生物学的コンピューティングを変革する可能性を秘めている。^{[ 43 ]} Llopis-Lorenteらは、論理演算を実行し、グルコースと尿素に関する情報を処理できるナノロボットを開発した。^{[ 44 ]} Thubagereらは、化学物質の貨物を選別できる DNA 分子ナノロボットを設計した。このロボットは、2 本の足でDNA 折り紙の表面を歩くことができたため、追加の電力なしでシステムを動作させることができた。また、貨物を運搬するためのアームも備えていた。^{[ 45 ]}

Marguliesらは分子シーケンシャルロジックを実証し、電子セキュリティデバイスの処理能力に似た分子キーパッドロックを作成しました。これは、複数の相互接続された AND 論理ゲートを並列に組み込んだものと同じです。この分子は、ATMの電子キーパッドを模倣しています。出力信号は、入力の存在だけでなく、正しい順序にも依存します。つまり、正しいパスワードを入力する必要があります。この分子は、Fe(III) に結合するシデロフォアで接続されたピレンとフルオレセイン蛍光体を使用して設計されており、溶液の酸性度によってフルオレセイン蛍光体の蛍光特性が変化します。^{[ 46 ]}

分子論理ゲートシステムは、半導体がナノサイズに近づくと生じる問題を理論的に克服できる。分子論理ゲートは、半導体エレクトロニクスでは利用できない重ね合わせ論理などの現象により、シリコン製のものよりも汎用性が高い。 ^{[ 24 ]} Avouris らが実証したようなドライ分子ゲートは、その小型サイズ、類似したインフラストラクチャ、およびデータ処理能力により、半導体デバイスの代替品として有望であることが証明されている。Avouris は、カーボンナノチューブの束で構成された NOT 論理ゲートを明らかにした。ナノチューブは隣接する領域で異なるドーピングが施され、2 つの相補的な電界効果トランジスタを形成し、束は適切な条件が満たされた場合にのみ NOT 論理ゲートとして動作する。^{[ 47 ]}