數(shù)字微流控生物芯片的電極管腳控制信號(hào)處理

微流控芯片實(shí)驗(yàn)室又稱為微流控(Microfluidics)芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip，LoC)或生物微機(jī)電系統(tǒng)(bio-MEMS)，基于連續(xù)流體的微流控生物芯片又稱為數(shù)字微流控生物芯片(Digital MicrofluidicBiochip，DMFB)。由于DMFB中控制電極的獨(dú)立控制引腳數(shù)量是重要的成本動(dòng)因，電極以電驅(qū)動(dòng)的形式連接到控制引腳，許多典型的生物芯片用直接尋址的方式來實(shí)現(xiàn)電極的控制，每個(gè)電極連接一個(gè)專用的控制引腳，因此，其能獨(dú)立被激活，這種方法可使液滴自由的操縱，但對(duì)于一個(gè)實(shí)際的DMFB其需要過多的控制引腳，顯著地增加了產(chǎn)品的制造成本。對(duì)于大規(guī)模的DMFB，在確保測(cè)試完成時(shí)間的情況下，盡量減少控制引腳的數(shù)量，對(duì)于未來的發(fā)展具有重要的意義。

1 電極管腳控制信號(hào)處理

1.1 DMFB基本原理

數(shù)字微流控生物芯片利用介電潤(rùn)濕的原理在二維的電極陣列中操縱和移動(dòng)納升級(jí)的離散液滴。如圖1所示，數(shù)字微流控生物芯片的基本單元包括兩個(gè)平板和夾在平板中間的填充，液滴在填充介質(zhì)內(nèi)運(yùn)行。底板包含一個(gè)單獨(dú)控制的有圖案的電極陣列，頂板覆蓋了一層連續(xù)的地線。通過改變沿著電極的一個(gè)線性陣列的電勢(shì)，液滴可以沿著電極的一條線移動(dòng)?？赏ㄟ^調(diào)整控制電壓(0～90 V)來控制液滴的速度，且液滴能最高以20 cm/s的速度移動(dòng)，基于這一原理，液滴能自由移動(dòng)到2維陣列的任何位置，而無需微型泵和微型閥。

1.2 DMFB相關(guān)研究

為減少控制引腳的數(shù)量，2006年Xu Tao提出了用陣列分區(qū)和詳細(xì)的引腳分配的方法來減少控制引腳的數(shù)量，然而這種方法在每個(gè)分區(qū)中至少需要5個(gè)控制引腳，對(duì)于包含多重液滴混合的分區(qū)，會(huì)用到直接尋址的方法，這種方法的陣列設(shè)計(jì)僅限于目標(biāo)生物流體應(yīng)用，且僅限于控制引腳數(shù)的減少而不能確保完成時(shí)間。Srinivasan又提出了對(duì)于焊接的電潤(rùn)濕生物芯片用一個(gè)流體路徑的多相位總線來使得控制引腳數(shù)最小，對(duì)一個(gè)傳輸總線只需n個(gè)控制引腳，而不需考慮其所包含電極的數(shù)量。盡管多相總線的方法可用來減少控制引腳的數(shù)量，但其只適用于一維陣列。另一個(gè)替代的方法是S.K.Fan等人提出的行和列的尋址，被稱為“交叉引用”驅(qū)動(dòng)方案，但由于電極的干擾，處理多于兩個(gè)液滴的同時(shí)移動(dòng)的設(shè)計(jì)非常的復(fù)雜，對(duì)于高通量的應(yīng)用，最終產(chǎn)生的液滴移動(dòng)的序列化是一個(gè)嚴(yán)重缺陷。并交叉引用設(shè)計(jì)需要一個(gè)特定的電極結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加。

根據(jù)上述方法所存在的不足，文中提出了一種優(yōu)化方法，在根據(jù)液滴路由路徑產(chǎn)生電極驅(qū)動(dòng)序列后，根據(jù)一個(gè)控制引腳最對(duì)所能驅(qū)動(dòng)的電極數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行分區(qū)后比對(duì)，找出相互兼容的驅(qū)動(dòng)序列，其可共用一個(gè)控制引腳。

2 控制信號(hào)優(yōu)化處理方法

通常在一個(gè)特定的時(shí)間步，移動(dòng)一個(gè)液滴的控制信號(hào)可用激活位“1”，釋放位“0”或不影響位“x”來表示，“1”/“0”表示一個(gè)控制信號(hào)有一個(gè)相關(guān)的邏輯高/邏輯低的驅(qū)動(dòng)電壓值。“x”表明輸入信號(hào)可用“1”或“0”表示，并對(duì)流體控制的調(diào)度無影響。最終串聯(lián)輸出稱為電極驅(qū)動(dòng)序列。

如圖2所示，液滴按照?qǐng)D示的方向以類似掃描的方法從源極出發(fā)最終到達(dá)槽電極。

本文用“1”，“0”，“x”3個(gè)值表示一個(gè)生物鑒定的電極驅(qū)動(dòng)序列，按照液滴的路由路徑產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列如表1所示。

如表1所示，每個(gè)驅(qū)動(dòng)序列均包含一些可用“1”或“0”來替代的“無影響”單元“x”，通過分配這些“無影響”單元，就可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)序列相同的電極，即相互兼容的電極。例如：通過用“0”或“1”來替代“x”就可以使電極E1、E3、E5、E7、E9產(chǎn)生相同的電極驅(qū)動(dòng)序列“101010101”，其可從同一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生，因此其可共用一個(gè)控制引腳，用這樣的方法便可在一定程度上減少控制引腳的數(shù)量。

對(duì)于大規(guī)模的電極陣列產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列也較多。在本設(shè)計(jì)中，由于液滴路由路徑已知情況下，將會(huì)對(duì)液滴路由過程中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的規(guī)則是：先假設(shè)每個(gè)控制引腳最多能驅(qū)動(dòng)x個(gè)電極，且以x的倍數(shù)進(jìn)行分區(qū)(如x=5，則能以10來劃分，使每個(gè)分區(qū)中有10個(gè)電極驅(qū)動(dòng)序列)，分區(qū)后通過對(duì)每個(gè)分區(qū)中的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行比對(duì)來減少控制引腳的數(shù)量。具體步驟如下：

步驟1 據(jù)液滴的路由路徑來獲得每個(gè)控制引腳的電極驅(qū)動(dòng)序列。

步驟2 假設(shè)電極的每個(gè)控制引腳最多所能驅(qū)動(dòng)的電極的數(shù)量x，以x的倍數(shù)對(duì)產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行分區(qū)。

步驟3 對(duì)每個(gè)分區(qū)的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行比對(duì)，找到相互兼容的驅(qū)動(dòng)序列，其可由同一個(gè)控制引腳來控制。

步驟4 每個(gè)分區(qū)比對(duì)完成后，查看產(chǎn)生的共用引腳數(shù)量是否小于x，若小于x則與其他分區(qū)中小于x的相比較，直到最終的共用引腳數(shù)量等于x或者是沒有與其互相兼容的為止。例如：當(dāng)x=3時(shí)，將由圖4產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列以6來進(jìn)行分區(qū)，然后對(duì)于每個(gè)分區(qū)進(jìn)行比對(duì)，會(huì)得到在前6個(gè)電極中E1=E3=E5，E2=E4=E6由于共用電極數(shù)等于3，則無需再與其他電極相比較。

表2是對(duì)圖4的液滴路由產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行x值的設(shè)定，然后分區(qū)產(chǎn)生的結(jié)果。

由表2中的數(shù)值可體現(xiàn)出，不同x值最終所減少的控制引腳數(shù)是不同的，根據(jù)x值的設(shè)定可更好的對(duì)產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行分區(qū)，x值不僅對(duì)本身的生物芯片的性能有影響，也對(duì)最終控制引腳數(shù)的減少有一定的影響。文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對(duì)x取不同值最終產(chǎn)生的引腳分配進(jìn)行比對(duì)，用最終產(chǎn)生的最優(yōu)引腳數(shù)與其余方法相比對(duì)。由于本方法的應(yīng)用是基于液滴路由路徑已知的情況，故最終的陣列完成時(shí)問與直接尋址生物芯片的完成時(shí)間相同，確保了測(cè)試的完成時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文將所提出的優(yōu)化方法引用到生物芯片的多功能生物鑒定當(dāng)中，來驗(yàn)證方法的有效性。圖3所示，多功能的生物鑒定映射到了一個(gè)15×15的數(shù)字微流控生物芯片上。對(duì)于每個(gè)樣本和試劑均有兩個(gè)液滴分發(fā)到陣列中，因此根據(jù)多功能生物鑒定的序列圖所示：有4對(duì)液滴{S1，R1}，{S1，R2}，{S2，R1}和{S2，R2}執(zhí)行到一起進(jìn)行混合操作，最終進(jìn)行4組檢測(cè)操作。

根據(jù)上述8個(gè)液滴的路由過程，產(chǎn)生電極驅(qū)動(dòng)序列后，圖5所示為x分別取x=9，x=10，x=11，x=12再對(duì)序列進(jìn)行分區(qū)，最終不同x值產(chǎn)生的引腳分配也不同。

如圖5(a)所示，當(dāng)x=12時(shí)最終引腳減少到了19個(gè)，相當(dāng)于68%的減少率。圖6是各種方案的比對(duì)結(jié)果，由圖可看出在文獻(xiàn)中提出的陣列分區(qū)方法最終用到了35個(gè)控制引腳，73 s的完成時(shí)間;在文獻(xiàn)中提出的交叉引用方法，最終減少到了30個(gè)控制引腳，132s的完成時(shí)間。由上述結(jié)果可知，最終減少的控制引腳比其他方法多，在保證測(cè)試時(shí)間的情況下，達(dá)到了更好的結(jié)果，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)引腳控制信號(hào)的優(yōu)化處理。

4 結(jié)束語

本文主要研究了數(shù)字微流控生物芯片的電極管腳控制信號(hào)處理，考慮生物芯片有其一定的物理性質(zhì)，每個(gè)控制引腳均會(huì)有一定的驅(qū)動(dòng)能力，在此假設(shè)每個(gè)控制引腳最多能驅(qū)動(dòng)x個(gè)電極，然后以x的倍數(shù)對(duì)產(chǎn)生的電極驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行分區(qū)，再尋找相互兼容的驅(qū)動(dòng)序列，不同的x值最后產(chǎn)生的引腳分配也不同，在文中將x=12時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與交叉引用等方法相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在確保測(cè)試完成時(shí)間的情況下，最終所用到的控制引腳比其他方法少，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字微流控生物芯片的電極管腳的控制信號(hào)處理，減少了芯片的制造成本，為未來數(shù)字微流控生物芯片的研究提供了參考。