通过化学修饰提高由荧光素构成的二进制计算器的安全性

李 鹏，范 翊，高 颉，李 斌*，张黎明

(1.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)

通过化学修饰提高由荧光素构成的二进制计算器的安全性

李 鹏1，2，范 翊1，高 颉1，李 斌1*，张黎明1

(1.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)

设计并合成了荧光素酰腙类衍生物对羟基苯基荧光素酰腙(FHP)，通过对荧光素的化学修饰，并采用酸碱以及二价铜离子为输入，实现了对由荧光素构成的二进制计算器加密的逻辑功能。该逻辑加密功能的实现是基于荧光素酰腙类衍生物对二价铜离子的特异性响应：在碱性环境中，二价铜离子催化FHP完全分解并释放出具有二进制计算器逻辑功能的荧光素分子；在酸性环境中，二价铜离子催化FHP部分分解并与二价铜离子配位形成稳定的二价铜离子配合物，该配合物既不能还原形成原化合物，也不能在碱性环境中释放出荧光素分子，导致该逻辑器件的逻辑功能被彻底破坏。基于该自毁装置的存在，使得该逻辑加密器件的安全性进一步提高。

荧光素衍生物的分解；分子逻辑安全性；自毁装置

1 引 言

自从de Silva课题组于1993年提出分子逻辑的基本原理及方法以来，有越来越多的课题组在多个分子逻辑领域中取得显著的成就［1-15］。虽然分子逻辑器件在很多方面明显优于传统逻辑电路，但是分子逻辑器件在执行命令和传递信息的过程中，也会像传统逻辑电路一样有泄露重要信息的危险。因此在分子逻辑器件的研发过程中，同时提高分子逻辑器件本身的安全性的研究是非常必要且迫切的［16］。然而多数关于安全性的研究，例如分子键盘锁(Keypad-lock)，只是注重加密的过程而不是旨在研究对已知分子逻辑器件的逻辑功能的加密。因此，本文构建了一个具有对已知分子逻辑器件进行逻辑加密的分子逻辑器件。

Shanzer课题组利用荧光素丰富的紫外-可见吸收光谱性质成功模拟了二进制加减法器［8-9］。与此同时荧光素酰腙类衍生物对二价铜离子以及酸碱有特异性响应［17-26］。其响应机理是在二价铜离子的催化下荧光素酰腙类衍生物会在酸碱性条件下完全或部分分解：(1)在碱性条件下，二价铜离子会促进该类荧光素酰腙类衍生物的完全水解并释放出荧光素；(2)在酸性条件下，二价铜离子会催化该类荧光素酰腙类衍生物部分水解，并且能够与该水解出来的部分配位得到相应的金属配合物。基于以上两个过程，我们以二价铜离子、酸和碱为输入构建了一个三输入的分子逻辑器件。在碱性环境中，二价铜离子催化对羟基苯基荧光素酰腙(FHP)完全分解并释放出具有二进制计算器逻辑功能的荧光素分子；在酸性环境中，二价铜离子催化FHP部分分解并与二价铜离子配位形成稳定的二价铜离子配合物，该配合物既不能还原形成原化合物，也不能在碱性环境中释放出荧光素分子，导致该逻辑器件的逻辑功能被彻底破坏。基于该自毁装置的存在，使得该逻辑加密器件的安全性进一步提高。

2 原 理

我们合成了荧光素衍生物FHP，并且成功地用其构建了一个具有如图1所示的逻辑功能的分子逻辑器件。该分子逻辑器件由两部分组成：锁部分和计算部分。FHP的荧光素部分被用来模拟计算部分(Calculate-part)，剩余部分被用来模拟锁部分(Lock-part)。这个分子逻辑器件的工作原理是：(1)当输入正确的输入组合(Input combination)时，计算部分的荧光素就会被释放出来并准备好模拟二进制的加减法器的逻辑运算；(2)当输入组合不正确时，该分子逻辑器件的计算部分就会继续保持锁定状态；(3)当输入一个特定的组合时，该分子逻辑器件会启动自毁程序(Selfdistruction)，使器件被完全破坏，既不能释放出计算部分——荧光素，也不能再重置回原来的分子逻辑器件。自毁装置的存在使得对该分子逻辑器件的暴力破解是不能够实现的，因而进一步提高了该分子逻辑器件的安全性。

图1 由FHP构成的分子逻辑器件的逻辑功能Fig.1 Logic function of themolecular logic device

图2 分子逻辑器件的抽象图以及FHP在逻辑操作过程中发生的反应Fig.2 Abstract function of the system and the possible process of FHP

图2为该分子逻辑器件的抽象图以及FHP在逻辑操作过程中发生的反应。该分子逻辑器件的逻辑功能是：(1)当输入酸“0”、碱“1”以及二价铜离子“1”时，该分子逻辑器件的计算部分——荧光素会被释放出来并准备进行二进制的逻辑运算；(2)当输入酸“1”、碱“0”以及二价铜离子“1”时，该分子逻辑器件的锁部分会被完全破坏掉，即执行自毁操作；(3)当输入其他输入组合时，该分子逻辑器件会保持锁定状态。

3 结果与讨论

3.1 仪器及药品

所采用的试剂均为市售分析纯试剂，测试溶剂经过干燥重蒸处理。

核磁共振光谱由Bruker Avance 300核磁共振仪(德国布鲁克公司，TMS内标)测得，红外光谱由Nicolet Magna-560显微红外光谱仪(美国尼高力公司，KBr压片法)测得，元素分析由PE-2400自动元素分析仪(美国PE公司)和HP GC 6890/MS 5973质谱仪(美国惠普公司)完成，激发和发射光谱由Hitachi F-4500荧光分光光度计(日本日立公司)测得，紫外-可见吸收光谱由Shimadzu UV-3101光谱仪(日本岛津公司)测得。

3.2 化合物的合成

荧光素酰腙类化合物的结构已示于图2中。首先将荧光素制备成荧光素脂，然后和水合肼作用反应制成荧光素酰肼，最后和对羟基苯甲醛反应得到目标化合物：对羟基苯基荧光素酰腙(FHP)［17-19，23，25-26］。

3.2.1 荧光素酰肼的合成

首先制备荧光素酯。将6.0 g(18.1mmol)荧光素溶于60 mL的无水乙醇中。在搅拌下，向体系中逐滴加入6 mL浓硫酸。加热至回流，4 h后冷却至室温，减压蒸馏除去多余的乙醇，将残余物倾入大量水中，过滤，滤饼用大量水清洗至滤液无色，得到橙红色固体粉末，干燥过夜。

荧光素酯不进一步提纯直接用来合成荧光素肼。取2.0 g荧光素酯溶于25 mL无水乙醇中，在搅拌下，向体系中逐滴加入1.2 g(24.0 mmol)水合肼，加热至回流，6 h后冷却至室温，减压蒸馏除去多余的乙醇。用乙腈重结晶得到黄褐色固体粉末。1H NMR(300 MHz，DMSO-d6)δ：9.80(s，2H)，7.76(m，1H)，7.49(m，2H)，7.00 (m，1H)，6.59(s，2)，6.42(m，4H)，4.36(s，2H)。

3.2.2 对羟基苯基荧光素酰腙(FHP)的合成

在25mL圆底烧瓶中，将0.8 g(2.2mmol)荧光素肼(FH)和0.27 g(2.2 mmol)对羟基苯甲醛溶于10 mL甲醇中。加热至回流，10 h后停止反应。加压蒸馏出去多余的甲醇。使用乙酸乙酯/石油醚(2∶1)为淋洗剂进行柱层析，得到浅黄色固体粉末，然后用乙腈和氯仿的混合溶液进行重结晶，得到白色晶体。1H NMR(300 MHz，DMSO-d6)δ：9.91(s，2H)，8.92(s，1H)，8.31(s，1H)，7.68(m，1H)，7.59(m，2H)，7.24(d，2H)，7.11 (d，1H)，6.74(d，2H)，6.64(d，1H)，6.57(d，1H)，6.47(m，4H)。

3.3 分子逻辑操作样品的制备

称取0.004 5 g FHP溶于少量无水乙醇中，定容至10 mL使FHP的浓度为1.0×10-5mol/L。每次使用0.1 mL盐酸溶液(1.0 mol/L)或0.1 mL氢氧化钠溶液(1.0 mol/L)来调节体系pH值至酸性或碱性，体系中的二价铜离子由0.1mL硫酸铜溶液(0.05 mol/L)提供，其在体系中是大幅过量的。

我们制备了8个样品来进行传感性质的测试，分别标记为A～H，每个样品中含10 mL溶有FHP的无水乙醇溶液。样品A～D中含有二价铜离子，样品E～H中不含有二价铜离子，样品B和样品F由盐酸调节至酸性，样品C和样品G由氢氧化钠调节至碱性，样品D和样品H中同时含有等浓度的盐酸和氢氧化钠，样品A和样品E中不含有酸和碱。8个样品中体积不足的部分由去离子水补齐。样品制备好后，进行紫外-可见吸收光谱测试和样品拍照，放置2 h后再进行紫外-可见吸收光谱测试和样品拍照。

4 结果与讨论

4.1 发射光谱

图3为含有化合物FHP的8个样品的荧光光谱。在有二价铜离子存在的前4个样品中，样品B在509 nm处出现弱的发射峰，样品C在529 nm处出现强的发射峰，而样品A和D没有发射峰出现。在没有二价铜离子存在的后4个样品中，样品E、F、H没有发射峰出现；样品G在525 nm处出现发射峰。

图3 样品的发射光谱。(a)A～D；(b)E～H。Fig.3 Emission spectra of the samples.(a)A-D.(b)E-H.

4.2 紫外-可见吸收光谱

图4中给出了含有化合物FHP的8个样品的紫外-可见吸收光谱。样品E中没有任何输入，其光谱即为化合物FHP的紫外-可见吸收光谱，可以看到在280 nm和331 nm处出现吸收。样品F是酸性条件下的FHP，在280 nm处出现吸收，而在331 nm处的吸收大幅度减弱。样品G是碱性条件下的FHP，其在280 nm处的吸收峰红移至292 nm，而331 nm处的吸收峰红移至368 nm。在样品H中，FHP的吸收光谱峰位没有变化，仅是280 nm处的吸收峰强度上略有变化。

在二价铜离子存在的样品A、B、C、D中，FHP的紫外-可见吸收光谱性质的变化各不相同：在没有酸碱输入的样品A中，化合物FHP的吸收峰没有变化，都在280 nm和331 nm处出现吸收峰；在样品B中，即在酸性二价铜离子存在的条件下，在528 nm处出现吸收峰；在样品C中，即在碱性二价铜离子存在的条件下，在508 nm处出现吸收峰；样品D的吸收峰与样品A基本一致。

图4 样品的紫外-可见吸收光谱。(a)A～D；(b)E～H。Fig.4 Absorption spectra of the samples.(a)A-D.(b) E-H.

分析认为，在没有铜离子存在的情况下，化合物在280 nm和331 nm处出现吸收峰，吸收峰在碱性条件下红移，原因是化合物FHP的荧光素部分在碱性条件下发生了开环现象，导致其吸收峰分别从280，331 nm红移至292，368 nm。

4.3 FHP在碱性条件下与二价铜离子的反应

在图5的照片中，可以很明显地看到样品C由无色变成荧光黄，同时其在508 nm处出现强吸收峰。样品C的颜色与荧光素在碱性条件下的颜色完全一致，我们推断其原因为二价铜离子催化FHP在碱性条件下分解释放出荧光素［8-9，24］。基于以上推断，我们配制等体积相同浓度的FO作为参照物，对二者的紫外-可见吸收光谱进行对比。荧光素碱性乙醇溶液(FO)也在508 nm处出现吸收峰。我们将等体积过量的盐酸加入至样品C以及FO中，将其pH值调节至酸性，测试二者的紫外-可见吸收光谱，发现它们同时在440 nm处出现吸收峰。图5给出了样品C和FO的照片以及紫外-可见吸收光谱。

图5 样品C和荧光素的紫外-可见吸收光谱(a)及照片(b)Fig.5 Absorption spectra(a)and photos(b)of sample C and FO

为了进一步证明我们的推断，我们采用液相色谱质谱联用(LC-MS)对样品进行分析，得出的结果示于图6。样品C和FO都在334 nm处出现分子碎片峰，证明我们的推断是正确的：在碱性条件下，二价铜离子确实催化FHP分解并释放出荧光素。

图6 样品的液质联机数据Fig.6 Data of LC-MS

样品C的反应机理可以解释为：FHP首先部分分解为荧光素肼，然后在碱性条件下与二价铜离子形成一个不稳定的金属配合物，最后水解释放出荧光素。这种反应机理被很多课题组发现并解释为二价铜离子催化氨基酸分解［19-22］。

4.4 FHP在酸性条件下与二价铜离子的反应

图7 样品B在碱过量情况下的紫外-吸收光谱以及对比照片Fig.7 Absorption spectra and photos of sample B

在样品B的紫外-可见吸收光谱中，可以很明显地发现其在530 nm处出现吸收峰，并伴随有溶液的颜色由无色变成浅粉色(图7)。基于荧光素酰腙类衍生物对二价铜离子响应的光谱性质，我们初步推断FHP在酸性条件下与二价铜离子形成了稳定的金属配合物［19-26］。为了证明我们的推断，我们同样采用液相色谱质谱联用(LC-MS)对样品B进行分析，得出的结果也已在图6中给出。样品B在412.2 nm处出现分子碎片峰，确定了我们的推断：二价铜离子在酸性条件下催化FHP部分分解为荧光素肼，然后与二价铜离子键合形成稳定的金属配合物。为了测试二价铜离子金属配合物在碱性条件下的稳定性，我们向样品B中加入过量的氢氧化钠溶液使溶液显碱性，然后测试其紫外-可见吸收光谱。结果发现，样品B在530 nm处的吸收峰红移至650 nm，同时其溶液颜色由浅粉色变成淡蓝色。这两个结果与同浓度的荧光素乙醇溶液的紫外-可见吸收光谱及颜色迥异。因此，我们断定该金属配合物没有进一步分解释放出荧光素。红移的原因可能是溶液中的羟基稳定了该金属配合物，使其不能进一步分解释放出荧光素。

4.5 由FHP构成的分子逻辑器件的工作原理

综合图4中8个样品的紫外-可见吸收光谱性质，我们定义酸碱和二价铜离子为输入(Input)、紫外-可见吸收光谱中508 nm处的特征吸收峰出现和消失为输出(Output)，得到表1所示的真值表并用其表示出输入(酸=X，碱=Y，二价铜离子=Z)和输出(508 nm处的吸收峰)之间的逻辑关系。

表1 分子逻辑器件的真值表Table 1 Truth table of themolecular logic device

由以上真值表，可以得到一个锁式逻辑功能：

(1)输入值为“100”时，输出值为“0”；

(2)输入值为“010”时，输出值为“0”；

(3)输入值为“001”时，输出值为“0”；

(4)输入值为“101”时，输出值为“0”；

(5)输入值为“011”时，输出值为“1”；

(6)输入值为“110”时，输出值为“0”；

(7)输入值为“000”时，输出值为“0”；

(8)输入值为“000”时，输出值为“0”。

即只有在输入值为“011”时，该分子逻辑的逻辑输出值为“1”。此时化合物FHP分解出荧光素，荧光素可以进一步被用来模拟二进制计算器的逻辑功能。所以，只有在输入为“011”时才能释放出该二进制计算功能，我们可以通过将荧光素进行修饰提高该二进制计算器的安全性。

通过表1，我们能够得到该三输入单输出的分子逻辑器件的逻辑框图(图8)。通过分析表1及图8，我们可以把该分子逻辑器件的逻辑功能描述为：

图8 分子逻辑器件的逻辑框图Fig.8 Logic graphic of the device

(1)当输入“011”时，如样品C所示，紫外-可见吸收光谱中在508 nm处出现吸收峰，输出为“1”，此时二价铜离子催化FHP完全分解并释放出荧光素，荧光素具有能够模拟二进制计算器逻辑功能的能力［8-9］。

(2)当输入“101”时，如样品B所示，FHP在二价铜离子的催化下部分分解并与二价铜离子形成稳定的金属配合物，该金属配合物既不能再还原成FHP参加下一轮的逻辑操作，也不能如样品C一样进一步分解成荧光素，此时该分子逻辑器件被完全破坏，类似于自毁功能。该自毁功能的存在使得对该分子逻辑器件实施暴力破解是不可能实现的，进一步提高了该分子逻辑器件的安全性。

5 结 论

制备了对羟基苯基荧光素酰腙(FHP)，研究了FHP对二价铜离子和酸碱传感的光谱性质以及反应机理。在碱性条件下，二价铜离子能够催化FHP分解产生相应的荧光素衍生物；在酸性条件下，二价铜离子与FHP初步分解形成的酰肼类化合物配位形成稳定的配合物。基于以上实验现象，我们构建了一个可以对已知分子逻辑器件——由荧光素模拟的二进制计算器进行加密的分子逻辑器件。当输入“011”时，荧光素被释放出来并准备进行模拟二进制的逻辑运算；当输入“101”时，分子逻辑器件执行自毁操作；当输入其他组合时，该分子逻辑器件保持锁定状态。自毁功能的存在使得该分子逻辑器件的安全性得到进一步的提高。

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Realization of Additional Security Protection on Elementary Arithmetic M im icked by Fluorescein

LIPeng1，2，FAN Yi1，GAO Jie1，LIBin1*，ZHANG Li-ming1
(1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanicsand Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China) *Corresponding Author，E-mail：libinteacher@163.com

A fluorescein derivative named fluorescein hydrizido 4-imidophenol(FHP)has been designed to build amolecular logic device.The device is composed of two parts：lock-part and calculate-part.In this derivative，fluorescein is reffered to as calculate-part owing to it was previously adopted tomimic calculator.And the rest portion of this derivative is reffered to as lock-part.The operational principle of this device is that if input combination is optimal，calculate-part fluorescein is released and ready for calculating；if not，calculate-part remains locked.It effectively improves the security of calculator simulated by molecular logic.In addition，lock-part will be totally destroyed like self-distruction under a special input combination，resulting in that calculate-part can not be unlocked at all events.Hence，it ismore sufficient tomake brute-force attack on this device unrealistic.

fluorescein derivative；molecular logic；self-distruction

国家自然科学基金(51172224，51103145，51372240)；吉林省科技发展计划(20100533，201201009)资助项目

O625.8

A

10.3788/fgxb20153601.0080

1000-7032(2015)01-0080-08

2014-05-22；

2014-06-13

李鹏(1984-)，男，吉林长春人，博士研究生，2007年于吉林师范大学获得学士学位，主要从事卟啉及荧光素衍生物发光及传感性质的研究。E-mail：lptree2004@163.com

李斌(1964-)，男，吉林长春人，研究员，1997年于长春应用化学研究所获得博士学位，主要从事光化学纳米复合传感材料及其生物成像、光动力学治疗及高效发光材料与器件性能的研究。E-mail：lib020@ciomp.ac.cn