计算机自产生以来，已经成为人们用来解决各种各样可计算问题的一个重要的工具。对于复杂类问题，随着问题规模的扩大，运算所需要的空间和时间都将急剧增长，电子计算机硬件设备的物理规律和对指令串行执行的本质决定了它很难满足这种增长的需求，因而显现出这种重要工具在处理复杂类问题时能力的不足。DNA计算采用DNA分子序列作为所需要处理的数据和信息的载体，通过对DNA分子进行各种生化反应和生物操作来实现数据加工和处理的过程，其计算本质显现出巨量的存储能力和巨大的并行计算优势，为求解困难类问题提供了一种自然的计算途径。本文利用发夹构型分子的结构特点表达了堆栈数据结构的栈底不可操作约束，提出了一种基于发夹结构分子的栈的DNA计算实现方法，利用k-臂结构分子的结构特点构建赋权图，设计了求解图的最短路径问题的DNA算法，采用DNA遗传算法结合神经网络进行扑热息痛药品的非破坏定量分析，测定两种组成成分Paracetamol和Caffeine的含量，定义了DNA计算基本操作的指称语义以帮助对DNA计算模型进行精确定义和理解。主要内容包括以下几个方面：1.基于发夹结构实现了基于DNA计算的堆栈数据结构数据结构是计算机科学中的一个非常重要的问题，它是算法设计和信息处理的基础。DNA计算需要像电子计算机一样，能够有效地解决数据的组织与存储问题，才能走向实际应用。栈是计算机科学中很重要的一种线性数据结构，有着广泛的实际应用。基于栈底操作受限、只允许在栈顶进行数据的插入和删除操作这一特点，本文提出了一种基于发夹结构分子的栈的DNA计算实现方法，利用发夹结构分子环状部分来表达栈底的不可操作约束，利用其双链的柄状部分来存储数据。利用限制性内切酶具有特定的识别位点和切割位点的特点，通过在栈顶部分和栈顶元素的下一位置附加不同的限制性内切酶来定位入栈和出栈操作时对发夹结构分子双链部分进行切割的位置，实现数据元素的入栈和出栈操作。在详细叙述了编码方案的基础上，描述了栈的初始化、数据元素入栈及出栈操作的生物实现方法和算法。这部分研究内容对于如何利用DNA计算模型来对需要处理的数据和信息进行合理有效的组织，拓展DNA计算的应用领域，帮助推进DNA计算能够像电子计算机一样解决实际应用问题提供了一种可行的方法。2.赋权图的最短路径问题是图论中的一个非常重要的问题，在现实生活中具有广泛的实际应用。同时，最短路径问题也是一个NP完全问题，对于这类问题，采用传统的计算方式需要处理大量的数据，特别是问题规模较大的时候，计算非常困难，可行解的寻找过程需要花费大量的时间。DNA计算的巨大的并行性的优势为求解这类NP完全问题提供了一种计算方法。本文利用k-臂分子具有k-个单链3＇端的结构特点，将k-臂分子作为连接分子，提出了一种基于k-臂分子结构，利用序列的长度表示权值来构建赋权图的编码方案，通过对顶点和边的编码将图的各个顶点连接起来，用比较稳定的双链分子表示权值，利用粘贴运算生成随机路径并从中选择满足条件的解。文中详细叙述了编码的方法，基于这种编码方案设计了求解最短路径问题的DNA算法，给出了算法的形式化描述，并提出了一种缩短权值编码序列长度的方法。本文提出的方法具有DNA分子结构的稳定性，有助于降低生物反应中产生的误差，采用的生物操作具有一般性和简便性，基于这种编码方案的求解图的最短路径的DNA算法是切实可行的。3.药品质量监控是药品生产、流通过程中保证药品质量的一个重要问题，药品的非破坏定量分析为药品质量监控提供了一个很好的方法。本文将DNA遗传算法和神经网络相结合，应用于基于近红外光谱法的药品有效成分的非破坏定量分析，采用DNA遗传算法优化选取药品的近红外光谱谱区，利用RBF神经网络建立分析模型，对扑热息痛粉末药品的两个组成成分Paracetamol和Caffeine的含量进行同时测定，实验表明，该模型是可行的，能够很好地预测药品中有效成分的含量，通过对谱区选择优化前后的测定结果对比表明，使用DNA遗传算法优化选择光谱谱区后，预测模型的精度有所提高，运算速度明显加快。4.作为计算模型而言，在计算领域需要一种精确的定义方式来描述它的含义。形式化方法能够采用数学形式精确地定义计算模型及其各个组成部分，应用各种逻辑规则使得计算模型的理论体系更加严格。本文定义了DNA计算中数据及几种基本操作的指称语义，有助于对DNA计算模型进行精确的定义和理解,为DNA计算的形式化描述和语义研究提供借鉴和参考。DNA计算是一种不同于传统计算方式的新的计算模式，虽然自产生以来发展很快，但无论在理论方面还是在应用方面都存在许多尚未解决的问题。本文的研究内容为DNA计算解决数据组织和实际应用问题提供了可行的方案，对于DNA计算的形式化描述方面的研究提供了一种参考。