文/超腦智能
提到“隱形墨水”，你會想到什麼？
是古代戰爭中飛鴿傳書的無字信件？還是諜戰片中女特務攜帶的軍情文件？或者現代的數字密碼？
其實無論是隱形墨水，還是密碼等，都是為了保證信息的隱蔽性，如果向上追溯隱形信息，能夠追溯到公元前，由古希臘歷史學家希羅多德（Herodotus）筆下的木板覆蠟保密法，一直寫到基地組織利用色情電影的數字文件來隱藏信息。
戰爭時期使用隱形墨水傳輸情報
其間有國際陰謀，有生與死的搏鬥，有愛情與戰爭，也有魔術與奇蹟。在創造和使用秘密通信技術的關鍵轉折點上，這些人的故事見證著秘密通信數千年來的演化過程。
間諜們淪為囚徒或者死去，陰謀被揭露，戰爭失敗，這些可能源於錯誤的或被攔截的秘密通信；而成功的隱藏書寫形式可以幫助拯救生命、贏得戰爭和保護隱私，而且至少有一次，它甚至改寫了歷史課程的書寫。
童年故事中的隱形墨水，經過現代科學家的試煉，再次復現
超腦智能注意到在《自然—通訊》雜誌上有一篇論文描述了一種新分子傳感器，可以利用不同化學物質的屬性，加密和解碼書面消息，此傳感器可以作為一種現代版本的“隱形墨水”，為用戶提供一種安全通信的方法。此外鑑於人們對全球電子監視的擔憂，這個傳感器提供了一種繞過電子通信系統的安全手段。
隱形墨水在光照下可見文字內容
這個創造由以色列魏茨曼科學研究學院David Margulies團隊開發。這種熒光分子傳感器可以通過生成特定的熒光發射光譜，分辨不同的化學物質。
由於內容太具專業性，超腦智能用通俗化語言解釋給讀者看。整個過程是，在發送消息時，發件人首先把消息使用一個公開的字母數字代碼表轉化成數字。接下來，發送者添加一個密鑰，這個密鑰是通過隨機向傳感器中添加一種特定的化學品生成的獨特圖案，密鑰會加載在原始信息上，給收件人發送這個保密的信息，發送的渠道可以是電子郵件或郵政等方法。收件人需要擁有一個完全一樣的裝置，並且知道隨機選擇的編碼化學品，把化學品加入到傳感器中解碼信息。
在這種方式下，這個消息即使被他人截獲也無法閱讀。研究者通過詢問12個使用者（當中包括10個沒有經過訓練的用戶）解密23個消息的方式來評估這個設備的效能和難易程度。他們還發現，必須按照特定順序添加金屬鹽類才能解密的化學密碼系統可以提供更進一層的保密。
關於更詳細的描述，我們對論文做了編譯，主要內容如下。
自古以來，隱寫術是一種隱藏信息的藝術，很大程度上依賴於秘密墨水作為隱藏消息的工具。但是，隨著用於檢測這些墨水的方法的改進，實際上已取消了使用簡單易用的化學藥品作為確保通訊的手段。在這裡，我們描述了一種方法，該方法可以隱藏單分子熒光傳感器的發射光譜內的多個不同消息。類似於秘密墨水，這種分子級消息傳遞傳感器（m-SMS）可以隱藏在普通紙上，並且可以使用常見的化學物質（包括可以從雜貨店或藥房獲得的商業成分）在幾秒鐘內對消息進行編碼或解碼。但是，與不可見油墨不同，
簡介
如今，使用隱形墨水書寫信息通常僅與兒童遊戲有關，這種信息只有在暴露於熱，光或化學溶液的情況下才能顯示出來。然而，僅僅一個世紀前非常簡單的化學品經常在戰爭時期用於間諜用途。使用這些墨水的主要優點是它們可以訪問現場代理，從而可以直接編寫和讀取機密信息。但是，使用此技術的一個缺點是消息公開容易，例如導致捕獲第一次世界大戰（WWI）中的“檸檬汁間諜”。
論文原文截圖
隨著分子和生物分子隱寫系統的發展，通過化學手段確保信息的能力已得到顯著改善，其中特定的化學刺激觸發了文本和圖像的出現。這些數據可以通過各種來源，如熒光材料被創建，細菌，抗體，光子晶體，NMR化學位移和分子計算系統。
使用分子隱寫術系統的另一個重要優勢，即它們的規模小，也已經被隱藏在單個DNA鏈 內的信息所證明。最後，在分子邏輯門的領域的進展導致保護信息的替代方法，通過使用多分析物的熒光分子的傳感器，可以產生ID碼 或可以授權密碼輸入。
本文中，我們提出了一種不同的分子信息保護方法，該方法依賴於分子尺度消息傳感器（m-SMS）將隨機選擇的化學信號轉換為不可預測的發射模式並以此傳遞簡短的化學編碼消息的能力。具有最大的安全性。該傳感器是由我們的小組開發的組合熒光分子傳感器家族的第二個成員，它通過在單個分子平臺上整合多個非特異性信號受體來模仿嗅覺系統的功能。
但是，任何其它熒光探針響應幾種分析物，m-SMS 或分析物組 的設計目的是作為一種通用傳感器，可以區分大量不同的化學物種。我們表明，這種屬性不僅從其他類型的熒光分子傳感器，而且還從其他化學安全系統的區別米-SMS 通過使其能夠用作分子密碼設備，可以將不同的化學結構轉換為唯一的加密密鑰。
這樣，該系統不僅可以用於隱藏數據（密文），還可以用於加密和解密（密文），並在需要更高級別的安全性時提供密碼保護。由於該系統不依賴於使用特定的化學輸入，獨特的儀器或複雜的實驗方案，因此操作也非常簡單。我們表明，m-SMS和/或化學成分可以隱藏並在普通信紙上傳送，並且可以使用低成本的手持式光譜儀快速顯示消息。就簡單性而言，這使得m-SMS技術類似於古老的不可見墨水技術。
實驗結果
m-SMS的結構（圖1）由順式氨基脯氨酸支架組成，該支架上附加了三個光譜重疊的熒光團：熒光素（Flu），磺基羅丹明B和尼羅藍（NB），它們可作為熒光共振能量轉移（FRET）供體1–受體1 /供體2–受體2系統。另外，傳感器由各種識別元件組成，用於結合不同的化學物質。硼酸和二聚烯丙基胺（DPA）基團例如使m-SMS 分別對不同的糖45和金屬離子46具有親和力。硫脲和磺酰胺官能團作為附加金屬離子的結合位點，以及陰離子50個受體和氫鍵基序。除了疏水相互作用和與各種芳族基團的π堆積以外，其他結合相互作用還可能涉及與m-SMS的酰胺和羧酸的氫鍵結合。
最後，Flu結構和質子化狀態高度依賴pH值，而溶劑變色NB可以與DNA和疏水性分析物相互作用（圖1a）。在結合分析物時也可以形成其他識別位點。例如，已知DPA-金屬離子絡合物會與陰離子相互作用，例如磷酸鹽，而通過鹼基對Flu進行去質子處理，應可使酚類配體與金屬離子配位。
人造受體的這種多功能性與傳統的熒光分子傳感器設計背道而馳，因為它旨在創建一種固有地非特異性的傳感器。這樣，不同分析物的結合應通過影響FRET，光致電子轉移，染料結合或電荷轉移過程來誘導形成獨特的發射信號。
例如，金屬離子與DPA的結合會破壞或增強光誘導的電子轉移，而pH值或溶劑的變化可能會改變流感的共軛作用53或NB中的分子內電荷轉移過程。此外，由於不同的信號和識別元件集成在單個分子平臺上，因此m-SMS與任何化學物質的相互作用都可能改變探針之間的距離，從而影響FRET效率。染料的這種共價結合還應該促進分子裝置的隱藏，發送和提取，而不會影響它們之間的摩爾比，因此也不會改變裝置的光物理性質。
圖1：m-SMS結構
多分析物鑑定
通過測量m-SMS對包括不同溶劑（左上），金屬離子（右上），糖類（左中）在內的各種化學物質的響應（圖1b），證明了m-SMS的異常感應機制。更改溶液的pH值（右中）或極性（左下），並更改為複雜的混合物（例如在軟飲料和藥物中可以找到的混合物）（右下）。在存在不同的糖磷酸酯，蛋白質以及通過改變分析物濃度的情況下，也會產生不同的發射特徵（補充圖1和2）。通過使用線性判別分析（LDA）分析這些模式，這是一種用於對未知樣本進行分類的有效模式識別算法，我們可以直接鑑定出45種代表性分析物（圖1c）。通過m-SMS識別了從訓練集中隨機選擇的個未知樣本，其準確性為97％。
分子密碼學
m-SMS產生廣泛範圍的幾乎不可預測的發射指紋的能力類似於偽隨機數生成器的功能，即可以通過將每個字母與近似隨機數相關聯來有效加密文本的密碼設備。其中最知名的偽隨機數發生器裝置是謎機，在第二次世界大戰（WWII）期間被德國人用來保護軍事通訊。
使用Enigma技術，發送者和接收者擁有相同的密碼機，分別用於加密和解密文本。另外，為了防止具有相同機器的第三方監視這些消息，接收者還必須設置其機器的正確初始狀態以獲得正確的消息。為了闡明類似Enigma的分子機器的功能，我們首先展示如何使用m-SMS來加密和解密非常簡單的文本：“芝麻開門”（圖2）。
最初，發送方使用公共字母數字代碼將文本轉換為數字，以獲得數字序列（圖2a）。請注意，此字母數字代碼不一定是安全的，可用於編寫各種其他消息。在下一步中，發送方將m-SMS溶解在選定的溶液（60μlEtOH）中，向其中添加2μl隨機選擇的化學輸入物（chemical x，1 M NaHCO 3）。然後通過記錄每20 nm的發射並將每個值與相應的字母相關聯來生成隨機加密密鑰（圖2b）。
然後，發送者將此加密密鑰添加到原始消息中，以提供加密的消息（密文；圖2c）。），可以使用相同的分子設備安全地發送給收件人。為了獲得原始消息，接收者只需通過設置系統的正確初始狀態（例如，傳感器濃度，溶劑和檢測器增益），添加相同的化學輸入（圖2d）來生成解密密鑰，然後從密文中減去結果值（圖2e）。
圖2：分子密碼保護
圖3顯示了通過順序添加化學輸入可以加密更長的消息的時間。
為了清楚起見，給出了由兩個輸入加密的消息。該實驗選擇了文本“ 6月1日從紐約起的潘興航行”，因為在隱藏消息的上下文中，這是間諜在第二次世界大戰期間撰寫的眾所周知的消息。
圖3：通過順序添加化學輸入來加密較長的消息
因此，對於此消息，我們打算在未經培訓的用戶隱藏和公開消息的難易程度方面，突出m-SMS與最簡單的立體技術之間的類比。在圖3a中，首先通過添加NaOH（0.2 M），然後添加CuCl 2（0.3 mM）並記錄每次添加後的發射來生成加密密鑰。
在圖3b中，將輸入更改為NaOH（0.35 M）和滴眼液，這證明了使用市售化學品加密消息的可行性。藥用液體由於其高純度和批次間可重複性而非常適合此應用，這使發送者和接收者可以直接使用它們而無需執行其他程序。圖3c顯示瞭如何使用第一個實驗中使用的相同輸入（圖3a，NaOH和CuCl 2）生成完全不同的加密密鑰，但是將溶劑更改為乙腈，並將分子成分的濃度更改為5μMm- SMS，0.35 M NaOH和0.3 M CuCl 2。
由於在疏水條件下NB染料的強度更高，因此可以在第二個添加步驟之後獲得的單個發射光譜中對消息進行加密。因此，該最後的實驗（圖3c）證明了正確設置系統的初始狀態的重要性，這是Enigma機器61的運行基礎。在這些測試用例之後，要求12個不同的用戶（包括10個未經培訓的用戶）通過使用不同的化學輸入來解密不同的消息（2-19個單詞）（圖3d和補充表1）。所有消息均已成功解密的事實證實了該技術的簡單性，多功能性和可靠性。
分子密碼保護
儘管加密技術使m-SMS遠比秘密墨水安全得多，但敵人總是有可能獲得傳感器和正確的化學輸入，並嘗試使用“暴力搜索”來重新創建加密密鑰2。即，它將測量m-SMS對不同濃度和這些輸入的組合的響應，直到此篩選產生有意義的文本為止。圖4顯示了一種通過輸入密碼作為附加防禦層使這種工作複雜化的方法。此方法利用分子鍵盤鎖技術的原理，這在很大程度上依賴於多價主-客體複合物和多組分組件的趨勢要在局部最小值截留 。
圖4：通過生成與序列相關的加密密鑰來保護 P 密碼
我們選擇的ZnCl 2（ 1），鈉 3 PO 4（ 2）和NaOH（ 3）如由於鋅（II）的強烈的相互作用與DPA配體代表輸入鍵 55，56，以及用NaOH或Na 3 PO 4分別生成Zn（OH） 2和磷酸鋅絡合物62。因此，當最初添加ZnCl 2時，Zn（II）應易於與m-SMS的DPA單元配合。
相反，當第二次添加ZnCl 2時，與溶液中過量的Na 3 PO 4或NaOH反應會降低遊離Zn（II）離子的濃度，從而降低m-SMS-Zn（II）的量複雜。圖4a舉例說明了如何使用兩位化學密碼（11、22、12和21）使用m-SMS生成四個不同的加密密鑰。通過三個化學輸入，可以形成其他亞穩複合物，這使我們能夠識別9種獨特的來自27種可能組合的密碼（圖4b）。通過為九個不同的接收者提供相同的化學輸入（1、2和3），但具有不同的個人密碼，證明了鍵盤鎖技術與密碼學應用的相關性。如圖4c所示，只有具有正確密碼的接收者才能成功識別該消息，而其他用戶僅獲得隨機文本。
分子隱寫術
隱寫術是第三層保護，可以通過在普通紙上隱藏少量m-SMS來實現（圖5）。這不僅使它的檢測複雜化，而且使它的表徵複雜化，如果敵人試圖複製分子裝置，這將是必需的。圖5描繪了一個代表性實驗，其中1.1μlm-SMS在普通信紙上乾燥（圖5a），並通過常規郵政服務發送給第二個收件人。
圖5：通過在普通信紙上隱藏m-SMS來進行隱寫保護
在此實驗中，用標準打印機打印了信件，並將傳感器隱藏在魏茨曼研究所徽標內的隨機位置上（圖5a）。）。為了澄清起見，該字母內的文本不包含任何有價值的信息，而是將該消息隱藏在m-SMS的發射光譜中，這隻能通過設置適當的條件來生成。為了顯示該消息，接收者只需要通過切割徽標從字母中提取m-SMS，將其在適當的溶液中孵育，然後使用該溶液記錄熒光光譜（圖5b）。
通過設置正確的初始發射強度（圖5c，頂部光譜）並順序添加正確的化學輸入（圖5c，輸入1-3），接收器可以成功地識別各種不同的消息，例如圖5所示的消息。 5天：'觀察到步兵敵對專欄。從Bear Woods的南出口延伸到Neustadt'以東3公里的位置，此消息已由原始的Enigma機器加密。
討論區
鑑於最近對全球電子監視的擔憂，m-SMS將不同的化學結構轉換成獨特的排放模式的能力證明了一種潛在的手段，可以繞過電子通訊系統，從而確保重要消息的安全。有趣的是，即使第一個原型也具有很高的安全級別，這是因為它具有生成大量不可預測的加密密鑰（密碼學）的能力，並且難以發現和表徵分子裝置和/或化學輸入物（密碼術），尤其是情況下，引入輸入的順序（密碼保護）。此外，與Enigma密碼系統一樣，要打破這種防禦，還需要設置系統的正確初始狀態，該狀態可由所用溶劑的類型和濃度以及儀器設置來確定。補充圖2a）在六個不同的pH值下（補充圖2b），並且添加了六種不同濃度的銅離子（補充圖2c）。
通過將檢測器設置為六個不同的“增益”值（補充圖2d），甚至可以從m-SMS辨別出的眾多化學物質（圖1b）中甚至單個化學物質輸入（即CuCl 2），最多應提供6 4= 1,296個加密密鑰。可以通過增加識別和信號元件的數量來輕鬆實現此類系統性能的提高，這將使單分子密碼設備可識別的分析物數量最大化。通過創建不同的m-SMS設備，使用各種隨機選擇的化學物質對消息進行加密以及將分子成分隱藏在普通紙上並進行發送，也證明了該技術的其他重要特徵，即多功能性和簡便性。它們通過普通郵件寄出，類似於隱形墨水。考慮到原則上可以用作輸入的無數化學結構，這項工作表明，我們周圍的每個分子中都可能隱藏著獨特的信息。
方法
m-SMS和m-SMS 2的合成與表徵
m-SMS的詳細合成和表徵可在《補充方法》中找到。
多分析物感測
將不同的分析物及其組合添加到含有10 mM AcOH（EtOH-AcOH）的乙醇溶液中的m-SMS（500 nM）中，即可對其進行鑑定。在典型的實驗中，將化學輸入（2μl）添加到60μl的EtOH-AcOH中的m-SMS中，並通過BioTek synergy H4混合多模式酶標儀（BioTek，Inc.）使用黑色記錄發射光譜平底聚苯乙烯384孔微孔板（Corning）。進行四次重複此過程，並使用XLSTAT版本2014.1.01通過LDA分析在520、580和654 nm處獲得的發射強度值。LDA將數據的維數減少為兩個規範因子（F1和F2），這使得能夠根據數據點（F1，F2）與訓練集獲得的聚類的接近程度對未知樣本進行分類。
消息的加密和解密
通過向m-SMS或m-SMS 2添加一種或幾種化學輸入來對消息進行加密和解密並使用BioTek synergy H4混合多模式酶標儀或通過連接到配備LoggerPro軟件的便攜式計算機的便攜式SpectroVis Plus分光光度計（Vernier）記錄發射光譜。通過更改化學輸入及其濃度以及更改系統的初始狀態，可以改變提供加密/解密密鑰的光譜圖的強度和形狀。例如，通過更改溶劑，pH，光電倍增管增益（電流放大），傳感器濃度並組合這些參數，可以輕鬆獲得不同的熒光指紋。通常，在典型的實驗中，加密和解密密鑰是通過將分子傳感器（500 nM）溶解在60μlEtOH或EtOH-AcOH（10 mM）中，再添加1-2μl化學物質輸入而產生的，並記錄每4–15 nm的發射強度值。該實驗重複三次。通過移液1-2微升的m-SMS或化學輸入（例如CoCl）來實現隱寫保護2在魏茲曼學院徽標上。徽標由標準HP彩色LaserJet打印機（M651）打印在A4普通紙上。用300μl水從紙中提取CoCl 2，並根據其消光係數（ɛ510 nm = 4.85 M -1 cm -1）確定其濃度。
附加信息
如何引用本文： Sarkar，T. 等。分子中的信息。納特 公社 7：11374 doi：10.1038 / ncomms11374（2016）。
參考文獻（略）
