[发明专利]一种基于DNA芯片的密码系统

说明书

技术领域

本发明属于信息安全领域，特别是涉及一种基于DNA芯片密码系统。

背景技术

DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸(称为DNA chip)或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式(称为DNA microarray)有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，即可获得样品的遗传信息。由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。芯片上固定的探针除了DNA，也可以是cDNA、寡核苷酸或来自基因组的基因片段，且这些探针固化于芯片上形成基因探针阵列。因此，DNA芯片又被称为基因芯片、cDNA芯片、寡核苷酸阵列和生物芯片等。DNA芯片被广泛应用于大通量的基因表达分析，对疾病的基因诊断、生物的基因组学研究具有重大的作用。

由于DNA芯片的高度集成性，随着DNA应用于密码学领域研究的不断深入，DNA芯片也开始应用于密码学领域。2000年，Gehani等采用XOR方案设计了一个一次一密的DNA密码系统，利用DNA芯片实现了图像的加密。国内的卢明欣等人也设计了基于DNA芯片对称或非对称密码系统。但是，他们的方法存在最明显的缺点是缺乏可操作性或操作成本太高。比如，每一条消息加密或解密过程都必须制作一个DNA芯片，成本巨大，信息传递效率极低。他们的方法也难以解决芯片杂交过程中一些假阳性的干扰问题，使得解密容易出现错误。因此，这些DNA密码系统方案仅仅是一种设想，还远远没有进入实用阶段。

为了解决目前DNA芯片应用于密码学领域的这些问题，使得DNA芯片能在密码学领域广泛应用，本发明提出了一个切实可行的、低成本及高效率的基于DNA芯片的加密和解密方法。

发明内容

本发明的目的是要建立一种可广泛应用和推广的低成本、高效率、保密性强的DNA芯片密码系统方法。

为了达到本发明的目的，采取如下步骤和方法：

(1)首先，制作随机序列DNA芯片：随机产生大量(几千几万，甚至几百万上千万)1-2kb的DNA序列(GC含量控制在40-60％)，命名为G(i，j)，采取DNA合成仪自动合成，然后以显微打印的方式有序化地固定在表面支持物上或者在固相支持物上原位合成的方式制作DNA芯片。

(2)根据DNA芯片上各随机序列DNA片段的排列位置，得到一个随机序列DNA片段2维分布表M。

(3)制作随机序列DNA寡核苷酸探针，并用不同颜色的荧光染料进行标记：DNA芯片上每个随机序列DNA大约1-2kb长，随机选取15个核苷酸左右的DNA序列，以其反向互补序列进行DNA合成并标记荧光染料，每个DNA芯片上的DNA可制作大量的寡核苷酸探针，成为随机序列DNA寡核苷酸探针序列(S(i，j))。为了确保寡核苷酸探针对于随机序列DNA片段的杂交唯一性，可使用BLAST程序对所选取的寡核苷酸序列进行全面比对检索，确保在整个DNA芯片上的DNA序列中它是唯一的，且与其它序列的同源性低于50％。

(4)信息的加密方法：信息发送方可在DNA芯片的随机序列DNA二维分布表M上选取代表芯片点阵的随机序列DNA，也即在M平面上“书写”任何所要传递的秘密信息，“笔触”所到之处，也就自动选取了DNA芯片上的G(i，j)。然后，从每个选取的G(i，j)中随机抽取寡核苷酸探针S(i，j)，混合之后就成了密文。混合物可以是粉末，也可以是溶液，可通过任何载体，比如塑料离心管、纸张等进行传送。

(5)解密方法：收到寡核苷酸探针混合物之后，按照特定的杂交条件进行芯片杂交，通过检测S(i，j)探针与G(i，j)杂交后的荧光位置和强度，就可以很直观地看见明文信息。

本发明具有如下显著的特点：

1，最显著的特点是非常直观。明文信息直接在DNA芯片的基因二维分布表M上进行“书写”。也即在DNA芯片上挑取组成明文信息的“点”。解密后明文信息可以通过芯片杂交后，检测荧光信号直接显示出来。在DNA芯片的基因二维分布表M上“书写”的信息，可以是自然语言，也可以是编码信息，还可以是图案信息等。

2，DNA芯片制作一劳永逸，再不必一个消息制作一块DNA芯片。寡核苷酸探针也可以一次制作完成，不必加密每个消息都要重新制作。因为不同的消息均可以使用同一块DNA芯片，而加密不同的消息时，只需要在DNA芯片的基因二维分布表M上选取不同的G(i，j)，然后随机挑取S(i，j)混合即可。也就是说，不同的S(i，j)组合就可以得到不同信息的密文。