分子逻辑计算

　　分子逻辑计算是一个相对年轻但成熟的研究领域。它是一门快速发展的交叉学科，包含了化学、信息技术（包括工程的和生物的）等多学科研究领域。
　　《分子逻辑计算》作者A. P. de Silva在1993年发表了**篇分子逻辑研究的学术论文，并以独特的视角论述了该领域的成长、发展过程。迄今为止还没有一本分子逻辑计算方面的专著。《分子逻辑计算》展示了如何精心的设计分子，并使其像半导体电子业和自然界中的信息处理器一样具有信息处理的功能和作用。

 

 

　　《分子逻辑计算》一书中详细阐述了基于布尔逻辑的单输入和双输入驱动的所有类型逻辑门。每一种逻辑门体系都用具体的实例来说明，这是本书的*亮点。特别是对于可重构的逻辑门介绍，化学体系中所体现的多样性是本书的另一大亮点。书中对分子算术和其他更复杂的逻辑操作，包括记忆存储功能和非二进制逻辑操作也有相关阐述。在介绍了与量子理论相关的知识后，后本书给出了一些分子逻辑计算的应用实例。
　　对于从事分子逻辑计算研究的科学家、学者和研究生而言，这将是一部权威的、综合性的、具有参考价值的“一站式”著作。
　　“A.P. de Silva在分子逻辑计算这一重要领域方面已经做得非常成功，这是令人钦佩的。对于那些还受困于研究方向的科研工作者，特别是年轻人，一定能从这本书中得到许多对他们研究有益的启发。”

 

　　作者：A.P.deSilv教授，任教于贝尔法斯特女王大学，华东理工大学客座教授，是国际上有重要影响的知名科学家，是早从事分子逻辑计算相关研究的科学家之一，有着非常深厚的研究造诣，并在1993年首次创新地提出具有分子属性的逻辑门。
　　译者：田禾教授，是华东理工大学化学与分子工程学院院长、中国科学院院士、发展中国家科学院院士。田禾教授创新合成多构型逻辑功能分子机器，解决了分子尺度上精确表征分子机器运动的关键问题。至今，其在国外学术刊物发表SCI论文288篇，申请中国发明专利49项。

 

1　概述
　1.1　引言
　1.2　早期的分子逻辑概念
　1.3　基于光化学的分子逻辑运算
　参考文献
2　化学和计算
　2.1　引言
　2.2　为什么选择分子?
　2.3　分子逻辑计算的适用范围
　2.4　指示剂和传感器
　2.5　化学体系中的数字模拟关系
　2.6　分子器件特性
　2.7　分子逻辑门与其他学科的关系
　参考文献
3　逻辑与计算
　3.1　引言
　3.2　逻辑门中的真值表和代数式
　　3.2.1　单输入一单输出器件
　　3.2.2　双输入一单输出器件
　3.3　电子学中的逻辑门
　3.4　数字操作
　参考文献
4　光化学和发光浅谈
　4.1　引言
　4.2　电荷转移的激发态
　4.3　以金属为中心(MC)的激发态
　4.4　n丌*和丌丌*的激发态
　4.5　光诱导电子转移(PET)
　4.6　电子能量转移(EET)
　4.7　激基缔合物和激基复合物
　4.8　振动去激和激发态分子内质子转移(ESIPT)
　4.9　开关中所用的一些光化学原理
　参考文献
5　单输入一单输出系统
　5.1　引言
　5.2　YES逻辑门
　　5.2.1　电子输入
　　5.2.2　化学输入
　　5.2.3　温度输入
　　5.2.4　光剂量输入
　5.3　不可逆的YES逻辑门　
　　5.3.1　化学输入
　　5.3.2　剂量输入
　5.4　NOT逻辑门
　　5.4.1　电子输入
　　5.4.2　化学输入
　　5.4.3　温度输入
　　5.4.4　光剂量输入
　5.5　不可逆的NOT逻辑门
　　5.5.1　阴离子输入
　　5.5.2　寡核苷酸输入
　　5.5.3　蛋白质输入
　5.6　PASS 1逻辑门
　5.7　PASS 0逻辑门
　参考义献
6　可重构的单输入一单输出体系
　6.1　引言
　6.2　输入的本质
　6.3　输出信号的选择
　6.4　检测波长
　参考文献
7　双输入一单输出体系
　7.1　引言
　7.2　AND逻辑门
　　7.2.1　无关联的独立输入
　　7.2.2　不可区分的独立输入
　　7.2.3　可区分的相关输入
　　7.2.4　不可区分的相关输入
　　7.2.5　光计量输入
　　7.2.6　生物大分子AND逻辑门
　　7.2.7　基于分子材料的AND逻辑门
　7.3　OR逻辑门
　　7.3.1　用分子材料构建OR逻辑门
　7.4　NOR逻辑门
　7.5　NAND逻辑门
　7.6　INHIBIT逻辑门
　　7.6.1　基于分子材料的INHIBIT逻辑门
　7.7　XOR逻辑门
　　7.7.1　光剂量输入
　　7.7.2　基于分子材料的XOR逻辑门
　7.8　XNOR逻辑门
　7.9　IMPLICATION逻辑门
　7.10　TRANSFER逻辑f]
　7.11　NOT TRANSFER逻辑f1
　7.12　PASS O和PASS 1逻辑门　
　参考文献
8　可重构的双输入一单输出系统
　8.1　引言
　8.2　器件中模块的连通性
　8.3　输入序列中官能[才1的连通性
　8.4　输入序列中官能团的构建
　8.5　输入的本质
　8.6　输出观测技术
　8.7　输出的本质(在所给定的观测技术内)
　　8.7.1　观测波长
　8.8　器件始发态
　8.9　外加电压或氧化还原试剂
　参考文献
9双输入一双输出体系
　9.1　引言
　9.2　半加法器
　9.3　半减法器
　9.4　1：2多路分解器
　9.5　数字比较器
　9.6　可逆逻辑
　参考文献
10　复杂的逻辑系统
　10.1　引言
　lO.2　三输入AND逻辑门
　　10.2.1　混合型三输入AND逻辑门
　10.3　三输入OR逻辑门
　10.4　三输入NOR逻辑门
　10.5　三输入INHIBIT逻辑门
　10.6　三输入IMPI.ICATION逻辑门　
　lO.7　三输入使能OR逻辑门
　10.8　三输入使能NOR逻辑门
　10.9　三输入波长可重构的使能IMPLICATION逻辑门　
　10.10　三输入波长可重构的禁止OR逻辑门
　10.11　三输入禁止INHIBIT逻辑门
　10.12　三输入禁止XNOR逻辑门
　10.13　三输入禁止IMPLICATION逻辑门
　10.14　三输入反向使能OR逻辑门
　10.15　2：1多路器和1：2信号分离器
　10.16　其他三输入系统
　10.17　四输入AND逻辑门
　10.18　四输人双禁止AND逻辑门
　10.19　四到二编码器和二到阳解码器
　10.20　其他四输人(或更高输入)系统
　10.21　更高的运算系统
　　10.21.1　组合半加法器和半减法器
　　10.21.2　全加法器
　　10.21.3　全加法器和全减法器的组合
　10.22　游戏系统：井字棋
　参考文献
ll　有记忆的体系
　11.1　引言
　11.2　R—S触发器
　11.3　D型触发器
　11.4　分子键盘锁
　参考文献
12　多重态逻辑
　12.1　引言
　12.2　“关一开关”开关
　12.3　其他变量
　参考文献
13　量子系统
　13.1　引言
　13.2　核磁共振光谱技术
　13.3　电子吸收和发射光谱技术
　　13.3.1　分子内电荷转移系统(ICT)
　　13.3.2　电子能量转移(EET)系统
　　13.3.3　激基缔合物和激基复合物体系
　13.4　拉曼光谱技术
　参考文献
14　应用
　14.1　引言
　14.2　基于YEs和NOT逻辑及其叠加的光学传感
　　14.2.1　跟踪细胞、组织中物质的种类或性质
　　14.2.2　测量血液中的电解质
　　14.2.3　监控机翼表层气压
　　14.2.4　检测海洋毒素
　　14.2.5　检测核废料组件
　　14.2.6　催化剂筛选
　　14.2.7　检测化学战毒剂
　14.3　改进的传感器
　　14.3.1　通过AND逻辑改进传感器
　　14.3.2　通过叠加AND、INHIBIT及TRANSFER逻辑提高灵敏度
　　14.3.3　通过XOR逻辑检测多个物种
　14.4　识别人群中的小目标
　14.5　改进的医疗诊断
　14.6　改善治疗
　14.7　光动力疗法
　　14.7.1　靶向光动力疗法
　14.8　细胞内的计算
　14.9　总结
　参考文献
缩写词和术语列表
主题索引

 

我的祖父是斯里兰卡小镇的一名老师。某天，他会穿上好的衣服，戴上镶着金边的眼镜坐在办公桌前，并且点上礼仪油灯。到了约好的时间，母亲和她的孩子将会带着礼物前来。孩子穿着笔挺的白校服，她天真的眼睛在灯光下闪闪发亮，然而母亲的脸上洋溢着憧憬孩子未来时的温暖。孩子的一只手上拿着石板，另一只手上拿着画笔。我的祖父会手把手地教她写字母表的个字母，同时会大声地读。孩子会跟着祖父重复一遍然后学习下一个字母。

在学校，工厂，酒吧以及街道上我们都在学习。在社会上我们收集，存储，处理和传播信息。与我们感觉和大脑有关的分子系统使得这一切能够发生。为了生存和成长，分子系统能够使得各种生物都能够处理信息。然而，分子和计算之间的重要连接直到几十年前才被重视。基于半导体的信息技术已经渗透到社会的许多方面。持续不断地创新势头导致了对分子的关注，特别是在信息处理方面。以工程为导向的新兴革命和以生物为导向的传统领域相结合一定会成为研究的前沿。

150年前爱尔兰的乔治布尔提出了逻辑运算思想，并且成为今天运算的基础。化学家巧妙地设计和构建了具有布尔逻辑运算的分子体系。这种分子逻辑门能够使得来自于不同背景的设计者受益。已经产生的大量方法使得研究这个领域非常有趣。然而，一些研究分子逻辑门的工作者在学习这种思想时经常会遇到一些挑战。由于上述原因，我认为是时候写一部关于分子逻辑门的综合专著。分子计算(eds. T. Sienko, A. Adamatzky and M. Conrad,
MIT Press, Cambridge, MA, 2001)是一本有关生物化学计算方面的书籍，但是它根本没有提及小分子逻辑门。然而，在V. Balzani, M. Venturi和 A. Credi的分子器件和分子机器
(WileyVCH, Weinheim, 2nd edn, 2008) 这本书中有一些章节讨论了分子逻辑门。令人高兴的是，随着这三本书的出现情况发生了改变。E. Katz (ed.), 分子和超分子信息处理Molecular and Supramolecular Information Processing
Wiley-VCH, Weinheim, 2012; E. Katz (ed.),生物分子信息处理Biomolecular
Information Processing Wiley-VCH, Weinheim, 2012; K. Szacilowski, 信息化学Infochemistry Wiley, Chichester, 2012.

在这本书中我打算介绍分子逻辑门的发展。同时也会尽可能全面地收集全世界科学家的成果并且对它们进行分类。但是，关于这个领域的文献数量庞大，导致关于分子逻辑门的所有工作不可能在这本书中进行讨论。一些有代表性的工作将会在正文中进行讨论或者在表格中进行总结。一些早提出概念的文章将会特别关注。仅仅以实验为主的工作将会被提及，由于这个领域也已经遭受了大量的投机和炒作。同时对于这本书中的任何错误和疏忽我将提前道歉，如果能通过电子邮件([email protected])将这些错误告诉我，我将会非常感激。从事分子器件和相关领域的工作者能够将这本书作为参考手册，这是我的一个希望。另一个希望是这本书能够产生一种新颖和开阔的思想并且能够展望在二十年后分子逻辑门领域将会怎样发展。然后他们会很有希望地觉得分子逻辑门领域值得他们研究同时也会使这个领域更好地发展。

　　本系列著作出版的目的是使分子科学在科学领域中得到更大的推广。这对于不同发展阶段的科研工作者来说是弥足珍贵的。
　　本书是由国际上知名专家以通俗易懂的方式撰写的，同时非常注重概念的诠释和提供*的信息。
　　——英国皇家化学学会

 

　　1985年，Pimentel的著名报告《化学的机遇》首次提及了分子级计算机的可能性。在分子水平上执行逻辑操作这个飞跃性的设想则是由AriehAviram在1988年提出的。尽管分子水平的计算领域只不过经历了5年的发展，A.P.de Silva和他的团队就已经在《自然》杂志上发表了对分子开关和逻辑门之间进行类比的文章。在接下来的几年中，分子逻辑们领域获得了长足的发展，主要表现在以下几个方面：其输入/输出的方式、数量，新分子的结构，超分子体系用于逻辑计算、逻辑执行的复杂性，有潜质的学科，应用的多样性。
　　分子计算的终极目标是构建分子水平的计算机，并使硅基的现在计算机更新换代。根据之前的报道，Pimentel对分子计算机的发展持很积极的态度：“总有一些人驳斥人造分子尺度计算机是异想天开……但是我们清楚，分子计算机只是从蚂蚁到斑马所有动物的日常配件，所以问题就从是否会有分子级计算机变成了什么时候会有分子级计算机，谁会主导分子级计算机的发展。关于何时会有分子计算机，这取决于基础化学的研究进展；而关于谁会主导分子级计算机的发展，这取决于哪一个国家能提供所需的资源和创造力。”尽管达到终目标的路程还很长，但是这本书表明自从Pimentel发表其观点以来，已经取得了重要的进步。
　　在分子逻辑系统的应用方面，它在细胞内的检测与成像应用让人越来越感到兴奋，在生物过程中的干预计划也引人注目。然而，细胞并非是能检测化学物质变化的地方。电解液在临床实验上的成功一定会使很多相关的研究接踵而至。很显然，多输入的逻辑系统正在推动和改善检测、诊断、治疗向前不断发展。
　　可以公正地讲，分子逻辑为基础的计算时代已经成熟起来。如果在它发展的成熟时期，即使只能看到在它发展初期所具备的兴趣和教育意义的一般，那也将令人兴奋不已。分子逻辑的研究将在世界上各位科学家高涨的研究热情下不断前行。
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