數(shù)字微流控生物芯片的電極管腳控制信號處理

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)量是重要的成本動因，電極以電驅(qū)動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。對于大規(guī)模的DMFB，在確保測試完成時(shí)間的情況下，盡量減少控制引腳的數(shù)量，對于未來的發(fā)展具有重要的意義。

1 電極管腳控制信號處理

1.1 DMFB基本原理

數(shù)字微流控生物芯片利用介電潤濕的原理在二維的電極陣列中操縱和移動納升級的離散液滴。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，液滴可以沿著電極的一條線移動。可通過調(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，基于這一原理，液滴能自由移動到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，對于包含多重液滴混合的分區(qū)，會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又提出了對于焊接的電潤濕生物芯片用一個(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)移動的設(shè)計(jì)非常的復(fù)雜，對于高通量的應(yīng)用，最終產(chǎn)生的液滴移動的序列化是一個(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)動序列后，根據(jù)一個(gè)控制引腳最對所能驅(qū)動的電極數(shù)，對驅(qū)動序列進(jìn)行分區(qū)后比對，找出相互兼容的驅(qū)動序列，其可共用一個(gè)控制引腳。

2 控制信號優(yōu)化處理方法

通常在一個(gè)特定的時(shí)間步，移動一個(gè)液滴的控制信號可用激活位“1”，釋放位“0”或不影響位“x”來表示，“1”/“0”表示一個(gè)控制信號有一個(gè)相關(guān)的邏輯高/邏輯低的驅(qū)動電壓值。“x”表明輸入信號可用“1”或“0”表示，并對流體控制的調(diào)度無影響。最終串聯(lián)輸出稱為電極驅(qū)動序列。

如圖2所示，液滴按照圖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)動序列，按照液滴的路由路徑產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列如表1所示。

如表1所示，每個(gè)驅(qū)動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)動序列“101010101”，其可從同一個(gè)信號源產(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。

對于大規(guī)模的電極陣列產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列也較多。在本設(shè)計(jì)中，由于液滴路由路徑已知情況下，將會對液滴路由過程中產(chǎn)生的驅(qū)動序列進(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)動序列)，分區(qū)后通過對每個(gè)分區(qū)中的電極驅(qū)動序列進(jìn)行比對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)動的電極的數(shù)量x，以x的倍數(shù)對產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列進(jìn)行分區(qū)。

步驟3 對每個(gè)分區(qū)的電極驅(qū)動序列進(jìn)行比對，找到相互兼容的驅(qū)動序列，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)動序列以6來進(jìn)行分區(qū)，然后對于每個(gè)分區(qū)進(jìn)行比對，會得到在前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是對圖4的液滴路由產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列進(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)定可更好的對產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列進(jìn)行分區(qū)，x值不僅對本身的生物芯片的性能有影響，也對最終控制引腳數(shù)的減少有一定的影響。文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對x取不同值最終產(chǎn)生的引腳分配進(jìn)行比對，用最終產(chǎn)生的最優(yōu)引腳數(shù)與其余方法相比對。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)動序列后，圖5所示為x分別取x=9，x=10，x=11，x=12再對序列進(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)了對引腳控制信號的優(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)控制引腳均會有一定的驅(qū)動能力，在此假設(shè)每個(gè)控制引腳最多能驅(qū)動x個(gè)電極，然后以x的倍數(shù)對產(chǎn)生的電極驅(qū)動序列進(jìn)行分區(qū)，再尋找相互兼容的驅(qū)動序列，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)了對數(shù)字微流控生物芯片的電極管腳的控制信號處理，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。