文/超脑智能
提到“隐形墨水”，你会想到什么？
是古代战争中飞鸽传书的无字信件？还是谍战片中女特务携带的军情文件？或者现代的数字密码？
其实无论是隐形墨水，还是密码等，都是为了保证信息的隐蔽性，如果向上追溯隐形信息，能够追溯到公元前，由古希腊历史学家希罗多德（Herodotus）笔下的木板覆蜡保密法，一直写到基地组织利用色情电影的数字文件来隐藏信息。
战争时期使用隐形墨水传输情报
其间有国际阴谋，有生与死的搏斗，有爱情与战争，也有魔术与奇迹。在创造和使用秘密通信技术的关键转折点上，这些人的故事见证着秘密通信数千年来的演化过程。
间谍们沦为囚徒或者死去，阴谋被揭露，战争失败，这些可能源于错误的或被拦截的秘密通信；而成功的隐藏书写形式可以帮助拯救生命、赢得战争和保护隐私，而且至少有一次，它甚至改写了历史课程的书写。
童年故事中的隐形墨水，经过现代科学家的试炼，再次复现
超脑智能注意到在《自然—通讯》杂志上有一篇论文描述了一种新分子传感器，可以利用不同化学物质的属性，加密和解码书面消息，此传感器可以作为一种现代版本的“隐形墨水”，为用户提供一种安全通信的方法。此外鉴于人们对全球电子监视的担忧，这个传感器提供了一种绕过电子通信系统的安全手段。
隐形墨水在光照下可见文字内容
这个创造由以色列魏茨曼科学研究学院David Margulies团队开发。这种荧光分子传感器可以通过生成特定的荧光发射光谱，分辨不同的化学物质。
由于内容太具专业性，超脑智能用通俗化语言解释给读者看。整个过程是，在发送消息时，发件人首先把消息使用一个公开的字母数字代码表转化成数字。接下来，发送者添加一个密钥，这个密钥是通过随机向传感器中添加一种特定的化学品生成的独特图案，密钥会加载在原始信息上，给收件人发送这个保密的信息，发送的渠道可以是电子邮件或邮政等方法。收件人需要拥有一个完全一样的装置，并且知道随机选择的编码化学品，把化学品加入到传感器中解码信息。
在这种方式下，这个消息即使被他人截获也无法阅读。研究者通过询问12个使用者（当中包括10个没有经过训练的用户）解密23个消息的方式来评估这个设备的效能和难易程度。他们还发现，必须按照特定顺序添加金属盐类才能解密的化学密码系统可以提供更进一层的保密。
关于更详细的描述，我们对论文做了编译，主要内容如下。
自古以来，隐写术是一种隐藏信息的艺术，很大程度上依赖于秘密墨水作为隐藏消息的工具。但是，随着用于检测这些墨水的方法的改进，实际上已取消了使用简单易用的化学药品作为确保通讯的手段。在这里，我们描述了一种方法，该方法可以隐藏单分子荧光传感器的发射光谱内的多个不同消息。类似于秘密墨水，这种分子级消息传递传感器（m-SMS）可以隐藏在普通纸上，并且可以使用常见的化学物质（包括可以从杂货店或药房获得的商业成分）在几秒钟内对消息进行编码或解码。但是，与不可见油墨不同，
简介
如今，使用隐形墨水书写信息通常仅与儿童游戏有关，这种信息只有在暴露于热，光或化学溶液的情况下才能显示出来。然而，仅仅一个世纪前非常简单的化学品经常在战争时期用于间谍用途。使用这些墨水的主要优点是它们可以访问现场代理，从而可以直接编写和读取机密信息。但是，使用此技术的一个缺点是消息公开容易，例如导致捕获第一次世界大战（WWI）中的“柠檬汁间谍”。
论文原文截图
随着分子和生物分子隐写系统的发展，通过化学手段确保信息的能力已得到显着改善，其中特定的化学刺激触发了文本和图像的出现。这些数据可以通过各种来源，如荧光材料被创建，细菌，抗体，光子晶体，NMR化学位移和分子计算系统。
使用分子隐写术系统的另一个重要优势，即它们的规模小，也已经被隐藏在单个DNA链 内的信息所证明。最后，在分子逻辑门的领域的进展导致保护信息的替代方法，通过使用多分析物的荧光分子的传感器，可以产生ID码 或可以授权密码输入。
本文中，我们提出了一种不同的分子信息保护方法，该方法依赖于分子尺度消息传感器（m-SMS）将随机选择的化学信号转换为不可预测的发射模式并以此传递简短的化学编码消息的能力。具有最大的安全性。该传感器是由我们的小组开发的组合荧光分子传感器家族的第二个成员，它通过在单个分子平台上整合多个非特异性信号受体来模仿嗅觉系统的功能。
但是，任何其它荧光探针响应几种分析物，m-SMS 或分析物组 的设计目的是作为一种通用传感器，可以区分大量不同的化学物种。我们表明，这种属性不仅从其他类型的荧光分子传感器，而且还从其他化学安全系统的区别米-SMS 通过使其能够用作分子密码设备，可以将不同的化学结构转换为唯一的加密密钥。
这样，该系统不仅可以用于隐藏数据（密文），还可以用于加密和解密（密文），并在需要更高级别的安全性时提供密码保护。由于该系统不依赖于使用特定的化学输入，独特的仪器或复杂的实验方案，因此操作也非常简单。我们表明，m-SMS和/或化学成分可以隐藏并在普通信纸上传送，并且可以使用低成本的手持式光谱仪快速显示消息。就简单性而言，这使得m-SMS技术类似于古老的不可见墨水技术。
实验结果
m-SMS的结构（图1）由顺式氨基脯氨酸支架组成，该支架上附加了三个光谱重叠的荧光团：荧光素（Flu），磺基罗丹明B和尼罗蓝（NB），它们可作为荧光共振能量转移（FRET）供体1–受体1 /供体2–受体2系统。另外，传感器由各种识别元件组成，用于结合不同的化学物质。硼酸和二聚烯丙基胺（DPA）基团例如使m-SMS 分别对不同的糖45和金属离子46具有亲和力。硫脲和磺酰胺官能团作为附加金属离子的结合位点，以及阴离子50个受体和氢键基序。除了疏水相互作用和与各种芳族基团的π堆积以外，其他结合相互作用还可能涉及与m-SMS的酰胺和羧酸的氢键结合。
最后，Flu结构和质子化状态高度依赖pH值，而溶剂变色NB可以与DNA和疏水性分析物相互作用（图1a）。在结合分析物时也可以形成其他识别位点。例如，已知DPA-金属离子络合物会与阴离子相互作用，例如磷酸盐，而通过碱基对Flu进行去质子处理，应可使酚类配体与金属离子配位。
人造受体的这种多功能性与传统的荧光分子传感器设计背道而驰，因为它旨在创建一种固有地非特异性的传感器。这样，不同分析物的结合应通过影响FRET，光致电子转移，染料结合或电荷转移过程来诱导形成独特的发射信号。
例如，金属离子与DPA的结合会破坏或增强光诱导的电子转移，而pH值或溶剂的变化可能会改变流感的共轭作用53或NB中的分子内电荷转移过程。此外，由于不同的信号和识别元件集成在单个分子平台上，因此m-SMS与任何化学物质的相互作用都可能改变探针之间的距离，从而影响FRET效率。染料的这种共价结合还应该促进分子装置的隐藏，发送和提取，而不会影响它们之间的摩尔比，因此也不会改变装置的光物理性质。
图1：m-SMS结构
多分析物鉴定
通过测量m-SMS对包括不同溶剂（左上），金属离子（右上），糖类（左中）在内的各种化学物质的响应（图1b），证明了m-SMS的异常感应机制。更改溶液的pH值（右中）或极性（左下），并更改为复杂的混合物（例如在软饮料和药物中可以找到的混合物）（右下）。在存在不同的糖磷酸酯，蛋白质以及通过改变分析物浓度的情况下，也会产生不同的发射特征（补充图1和2）。通过使用线性判别分析（LDA）分析这些模式，这是一种用于对未知样本进行分类的有效模式识别算法，我们可以直接鉴定出45种代表性分析物（图1c）。通过m-SMS识别了从训练集中随机选择的个未知样本，其准确性为97％。
分子密码学
m-SMS产生广泛范围的几乎不可预测的发射指纹的能力类似于伪随机数生成器的功能，即可以通过将每个字母与近似随机数相关联来有效加密文本的密码设备。其中最知名的伪随机数发生器装置是谜机，在第二次世界大战（WWII）期间被德国人用来保护军事通讯。
使用Enigma技术，发送者和接收者拥有相同的密码机，分别用于加密和解密文本。另外，为了防止具有相同机器的第三方监视这些消息，接收者还必须设置其机器的正确初始状态以获得正确的消息。为了阐明类似Enigma的分子机器的功能，我们首先展示如何使用m-SMS来加密和解密非常简单的文本：“芝麻开门”（图2）。
最初，发送方使用公共字母数字代码将文本转换为数字，以获得数字序列（图2a）。请注意，此字母数字代码不一定是安全的，可用于编写各种其他消息。在下一步中，发送方将m-SMS溶解在选定的溶液（60μlEtOH）中，向其中添加2μl随机选择的化学输入物（chemical x，1 M NaHCO 3）。然后通过记录每20 nm的发射并将每个值与相应的字母相关联来生成随机加密密钥（图2b）。
然后，发送者将此加密密钥添加到原始消息中，以提供加密的消息（密文；图2c）。），可以使用相同的分子设备安全地发送给收件人。为了获得原始消息，接收者只需通过设置系统的正确初始状态（例如，传感器浓度，溶剂和检测器增益），添加相同的化学输入（图2d）来生成解密密钥，然后从密文中减去结果值（图2e）。
图2：分子密码保护
图3显示了通过顺序添加化学输入可以加密更长的消息的时间。
为了清楚起见，给出了由两个输入加密的消息。该实验选择了文本“ 6月1日从纽约起的潘兴航行”，因为在隐藏消息的上下文中，这是间谍在第二次世界大战期间撰写的众所周知的消息。
图3：通过顺序添加化学输入来加密较长的消息
因此，对于此消息，我们打算在未经培训的用户隐藏和公开消息的难易程度方面，突出m-SMS与最简单的立体技术之间的类比。在图3a中，首先通过添加NaOH（0.2 M），然后添加CuCl 2（0.3 mM）并记录每次添加后的发射来生成加密密钥。
在图3b中，将输入更改为NaOH（0.35 M）和滴眼液，这证明了使用市售化学品加密消息的可行性。药用液体由于其高纯度和批次间可重复性而非常适合此应用，这使发送者和接收者可以直接使用它们而无需执行其他程序。图3c显示了如何使用第一个实验中使用的相同输入（图3a，NaOH和CuCl 2）生成完全不同的加密密钥，但是将溶剂更改为乙腈，并将分子成分的浓度更改为5μMm- SMS，0.35 M NaOH和0.3 M CuCl 2。
由于在疏水条件下NB染料的强度更高，因此可以在第二个添加步骤之后获得的单个发射光谱中对消息进行加密。因此，该最后的实验（图3c）证明了正确设置系统的初始状态的重要性，这是Enigma机器61的运行基础。在这些测试用例之后，要求12个不同的用户（包括10个未经培训的用户）通过使用不同的化学输入来解密不同的消息（2-19个单词）（图3d和补充表1）。所有消息均已成功解密的事实证实了该技术的简单性，多功能性和可靠性。
分子密码保护
尽管加密技术使m-SMS远比秘密墨水安全得多，但敌人总是有可能获得传感器和正确的化学输入，并尝试使用“暴力搜索”来重新创建加密密钥2。即，它将测量m-SMS对不同浓度和这些输入的组合的响应，直到此筛选产生有意义的文本为止。图4显示了一种通过输入密码作为附加防御层使这种工作复杂化的方法。此方法利用分子键盘锁技术的原理，这在很大程度上依赖于多价主-客体复合物和多组分组件的趋势要在局部最小值截留 。
图4：通过生成与序列相关的加密密钥来保护 P 密码
我们选择的ZnCl 2（ 1），钠 3 PO 4（ 2）和NaOH（ 3）如由于锌（II）的强烈的相互作用与DPA配体代表输入键 55，56，以及用NaOH或Na 3 PO 4分别生成Zn（OH） 2和磷酸锌络合物62。因此，当最初添加ZnCl 2时，Zn（II）应易于与m-SMS的DPA单元配合。
相反，当第二次添加ZnCl 2时，与溶液中过量的Na 3 PO 4或NaOH反应会降低游离Zn（II）离子的浓度，从而降低m-SMS-Zn（II）的量复杂。图4a举例说明了如何使用两位化学密码（11、22、12和21）使用m-SMS生成四个不同的加密密钥。通过三个化学输入，可以形成其他亚稳复合物，这使我们能够识别9种独特的来自27种可能组合的密码（图4b）。通过为九个不同的接收者提供相同的化学输入（1、2和3），但具有不同的个人密码，证明了键盘锁技术与密码学应用的相关性。如图4c所示，只有具有正确密码的接收者才能成功识别该消息，而其他用户仅获得随机文本。
分子隐写术
隐写术是第三层保护，可以通过在普通纸上隐藏少量m-SMS来实现（图5）。这不仅使它的检测复杂化，而且使它的表征复杂化，如果敌人试图复制分子装置，这将是必需的。图5描绘了一个代表性实验，其中1.1μlm-SMS在普通信纸上干燥（图5a），并通过常规邮政服务发送给第二个收件人。
图5：通过在普通信纸上隐藏m-SMS来进行隐写保护
在此实验中，用标准打印机打印了信件，并将传感器隐藏在魏茨曼研究所徽标内的随机位置上（图5a）。）。为了澄清起见，该字母内的文本不包含任何有价值的信息，而是将该消息隐藏在m-SMS的发射光谱中，这只能通过设置适当的条件来生成。为了显示该消息，接收者只需要通过切割徽标从字母中提取m-SMS，将其在适当的溶液中孵育，然后使用该溶液记录荧光光谱（图5b）。
通过设置正确的初始发射强度（图5c，顶部光谱）并顺序添加正确的化学输入（图5c，输入1-3），接收器可以成功地识别各种不同的消息，例如图5所示的消息。 5天：'观察到步兵敌对专栏。从Bear Woods的南出口延伸到Neustadt'以东3公里的位置，此消息已由原始的Enigma机器加密。
讨论区
鉴于最近对全球电子监视的担忧，m-SMS将不同的化学结构转换成独特的排放模式的能力证明了一种潜在的手段，可以绕过电子通讯系统，从而确保重要消息的安全。有趣的是，即使第一个原型也具有很高的安全级别，这是因为它具有生成大量不可预测的加密密钥（密码学）的能力，并且难以发现和表征分子装置和/或化学输入物（密码术），尤其是情况下，引入输入的顺序（密码保护）。此外，与Enigma密码系统一样，要打破这种防御，还需要设置系统的正确初始状态，该状态可由所用溶剂的类型和浓度以及仪器设置来确定。补充图2a）在六个不同的pH值下（补充图2b），并且添加了六种不同浓度的铜离子（补充图2c）。
通过将检测器设置为六个不同的“增益”值（补充图2d），甚至可以从m-SMS辨别出的众多化学物质（图1b）中甚至单个化学物质输入（即CuCl 2），最多应提供6 4= 1,296个加密密钥。可以通过增加识别和信号元件的数量来轻松实现此类系统性能的提高，这将使单分子密码设备可识别的分析物数量最大化。通过创建不同的m-SMS设备，使用各种随机选择的化学物质对消息进行加密以及将分子成分隐藏在普通纸上并进行发送，也证明了该技术的其他重要特征，即多功能性和简便性。它们通过普通邮件寄出，类似于隐形墨水。考虑到原则上可以用作输入的无数化学结构，这项工作表明，我们周围的每个分子中都可能隐藏着独特的信息。
方法
m-SMS和m-SMS 2的合成与表征
m-SMS的详细合成和表征可在《补充方法》中找到。
多分析物感测
将不同的分析物及其组合添加到含有10 mM AcOH（EtOH-AcOH）的乙醇溶液中的m-SMS（500 nM）中，即可对其进行鉴定。在典型的实验中，将化学输入（2μl）添加到60μl的EtOH-AcOH中的m-SMS中，并通过BioTek synergy H4混合多模式酶标仪（BioTek，Inc.）使用黑色记录发射光谱平底聚苯乙烯384孔微孔板（Corning）。进行四次重复此过程，并使用XLSTAT版本2014.1.01通过LDA分析在520、580和654 nm处获得的发射强度值。LDA将数据的维数减少为两个规范因子（F1和F2），这使得能够根据数据点（F1，F2）与训练集获得的聚类的接近程度对未知样本进行分类。
消息的加密和解密
通过向m-SMS或m-SMS 2添加一种或几种化学输入来对消息进行加密和解密并使用BioTek synergy H4混合多模式酶标仪或通过连接到配备LoggerPro软件的便携式计算机的便携式SpectroVis Plus分光光度计（Vernier）记录发射光谱。通过更改化学输入及其浓度以及更改系统的初始状态，可以改变提供加密/解密密钥的光谱图的强度和形状。例如，通过更改溶剂，pH，光电倍增管增益（电流放大），传感器浓度并组合这些参数，可以轻松获得不同的荧光指纹。通常，在典型的实验中，加密和解密密钥是通过将分子传感器（500 nM）溶解在60μlEtOH或EtOH-AcOH（10 mM）中，再添加1-2μl化学物质输入而产生的，并记录每4–15 nm的发射强度值。该实验重复三次。通过移液1-2微升的m-SMS或化学输入（例如CoCl）来实现隐写保护2在魏兹曼学院徽标上。徽标由标准HP彩色LaserJet打印机（M651）打印在A4普通纸上。用300μl水从纸中提取CoCl 2，并根据其消光系数（ɛ510 nm = 4.85 M -1 cm -1）确定其浓度。
附加信息
如何引用本文： Sarkar，T. 等。分子中的信息。纳特 公社 7：11374 doi：10.1038 / ncomms11374（2016）。
参考文献（略）
