基于数字微流控芯片平台进行动物源性成分快速初筛的应用研究

基于数字微流控芯片平台并结合聚合酶链反应法(PCR),对鸡、鸭、鹅、猪、牛、羊6项动物源性成分进行快速初筛检测,利用GB/T 38164—2019和SN/T 2051—2008分析方法对初筛有问题的样品进行确证检测。实验对随机购买的市售牛肉、羊肉、鸭血(共计100批次)样品进行快速检测,发现14批问题样品,确证检测后发现有3组样品检测结果存在偏差,引起偏差的原因可能是确证检测法较快速初筛检测法的检出限更低。实验结果表明,数字微流控芯片平台初筛检测法具有快速、即时、高效、成本低的优势,便于现场进行大批量筛查检测。

基于混合遗传蚁群算法的数字微流控芯片测试路径规划

数字微流控芯片在生化检测领域的应用越来越广泛,为保障芯片的可靠性必须对其进行全面且高效的故障测试。随着芯片规模的扩大,故障测试问题也越来越复杂。针对数字微流控芯片的灾难性故障测试,为提高故障测试方法的时间效率,本文提出了一种基于混合遗传蚁群算法的测试路径规划方案。首先,该方案优化了芯片故障测试模型的转化过程;其次,先利用遗传算法的全局特性生成全局较优测试路径,并根据较优测试路径形成蚁群算法的初始信息素分布;最后,再利用蚁群算法搜索最优测试路径。该方案适用于离线测试和在线测试,能够兼容规则和非规则芯片。实验仿真结果表明,该方案提高了测试模型转化的效率,在获得较优测试路径的同时改善了测试算法的收敛特性,提高了测试方法的时间效率。

基于粒子群算法的数字微流控芯片在线测试路径优化

数字微流控生物芯片的稳定性和安全性在生化实验中具有很高的要求,为保证实验结果的准确,需要对芯片进行检测。通过分析芯片结构、实验液滴的路径,提出一种基于粒子群算法的针对数字微流控芯片灾难性故障在线测试路径优化方案。通过自适应调整算法惯性权值,设置算法的收敛速度因子和解的聚集程度因子,将收敛速度和局部解聚集程度可视化改进算法。增加液滴移动序列的交换机制,在芯片的约束条件下规划测试液滴的移动路径,从而缩短测试路径长度。仿真实验选择15×15阵列模型、7×11阵列模型、7×7阵列模型进行仿真实验,结果表明,该方案完成了对芯片的测试,提高了算法收敛速度,并有效缩短了测试路径,提高测试效率。

扇形电极微液滴分离的数字微流控芯片

针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低,分离后的子液滴体积误差大等问题,本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后,结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比,新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置,分离过程中能保证液滴平稳收缩,从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象,对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明:使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极,并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内,变异系数低至1.83%,通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。

引脚受限数字微流控芯片的多液滴并行测试研究

随着数字微流控芯片系统复杂度和电极数目的增加,共用引脚的电极控制方式应运而生。但该控制方式会造成芯片物理结构繁杂,使得芯片故障测试工作变得更加困难。提出一种基于改进的化学反应优化算法(CRO)的并行测试策略,设计引脚受限芯片测试模型,针对引脚互连的特点设计约束条件与禁忌判断规则,通过遍历测试模型中顶点和边的方式检测灾难性故障。该方案构建测试路径序列的初始分子结构,在编码中添加虚拟节点,有针对性地设计分子的撞墙、分解、合成和交换反应,采用动态参数机制控制四种反应的频率,并在CRO算法中引入Metropolis准则以改善求解效率,在约束条件下规划测试路径。实验结果表明,该方案能实现对引脚受限芯片的故障测试,无论离线或在线测试,与标准CRO算法相比,测试路径优化了2%以上,而与单液滴测试相比,优化了27%以上,表明所提方法能够有效缩短测试路径,提高测试工作的效率。

基于蚁群算法的数字微流控芯片并行测试

可靠性是数字微流控生物芯片的一项重要指标,尤其是在安全性要求较高的应用领域。因此,芯片需要在生产制造后或生化实验前进行充分测试,以排除故障,确保实验结果准确。文中针对芯片的结构故障,提出了一种基于蚁群算法的并行测试方案,实现对较大规模的数字微流控芯片进行多液滴并行测试。该方案首先将芯片模型转化为MTSP模型,并利用蚁群算法分布式计算特性搜索多组优化的测试路径,完成对数字微流控芯片实验路径的测试。实验结果表明,该方案可用于在线测试,并能有效地减少大规模芯片的测试时间,且提高了工作效率。

一种双极板结构数字微流控芯片研制

基于介电润湿研制了一种将零电极布局为介电层表面的双极板结构数字微流控芯片。为了降低驱动电压并提高介电层的抗击穿能力,将介电层设计为Si3N4-SiO2层状复合结构。30V直流电压作用下,成功实现了对0.5μL去离子水微液滴的连续输运操控;且在100V以内电压作用时,均未出现介电层击穿。实验结果表明所研制数字微流控芯片可行。

数字微流控芯片半月形驱动电极的设计

为了降低数字微流控芯片的驱动电压,将传统的方形驱动电极结构设计为半月形,并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先,根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后,通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真;根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后,设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片,并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明:研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中,电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%,而且可以在16V的驱动电压下使1μL去离子水液滴的运动速度达到1.6cm/s,是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。

光检测数字微流控芯片的高集成驱动电路设计

根据高通量微液电处理及光检测共形生化检测芯片研究项目及有关需求,设计并实现了具有128通道输出的驱动电路,达到了各个通道单独控制的目的.根据项目要求,电路由单一5V直流电源供电,128通道输出电压幅值为0～200 V,频率为10～1 000 Hz的方波,电压幅值和频率均可调节,并且电压精度为0.5V.驱动电路采用高度集成化设计,进而满足小型化要求.该电路的设计方案具有可行性,满足对光检测数字微流控芯片的驱动要求.经过实验证明,所设计完成的驱动电路可以实现对数字微流控芯片上液滴的控制.

存在故障的数字微流控芯片重构后测试

数字微流控芯片广泛用于生命科学领域,它对可靠性的要求很苛刻。由于数字微流控芯片的可重构性,在测试诊断的故障数小于一定比例时,电极阵列会被重构以撇开故障单元继续使用,而对于重构后的不规则电极单元,必须在使用前做强健完备的测试。首次提出对重构后的不规则电极单元进行并行测试:将重构电极阵列分为多个等大子阵列,每个子阵列分配1个测试液滴进行并行测试,目标为最小化测试时间。本文将测试时间最小化问题转化为分发池的分配问题,并为该NP完全问题建立ILP模型,计算最优测试时间。实验结果表明,该方法避免了重复诊断,最小化了故障后重构芯片的测试时间,获得了较好的测试效果。

基于数字微流控芯片的液滴驱动及检测集成化

为了精确控制数字微流控(DMF)芯片内液滴的位置及运动范围,在液滴驱动行进过程中需及时检测液滴所在位置,这对于液滴在特定位置进行分离、混合或存储具有重要作用。为了更好地实现驱动与检测技术集成,设计了正交矩阵电极,利用电极间电容值差异获得液滴位置,借助分时工作方式通过电极复用实现驱动与检测的结合,既可有效保证液滴的准确控制,又可大大减少引线密度,降低芯片加工难度。实验结果表明电极上有无液滴时电容值差异明显,差值最大可达1 400 fF,且可靠性良好,电容值误差范围保持在2%以内,经可见光图像验证,液滴位置检测准确率可达100%。根据检测到的液滴位置,利用搭建完成的数字微流控系统为液滴规划路径,完成了高锰酸钾与维生素C溶液的褪色反应,证明本系统可实时完成液滴的可控驱动与准确检测。

引脚约束的数字微流控生物芯片在线并行测试

随着数字微流控生物芯片在生化领域中的广泛应用,对芯片可靠性和制造成本的要求也越来越高,在线测试对于确保微流控生物芯片正常工作异常重要。该文针对引脚约束的数字微流控生物芯片,提出一种基于改进最大最小蚁群算法的在线并行测试方案,在满足各种约束条件的情况下,采用伪随机比例原则,建立禁忌判断策略,自适应地改变信息素的残留系数,实现引脚约束数字微流控生物芯片的在线并行测试。实验结果表明,该方法可以同时用于离线和在线测试,相对于单液滴离线和在线测试,可有效减少芯片的测试时间,提高了测试工作效率。

数字微流控生物芯片并行测试分析和优化

针对数字微流控生物芯片阵列的并行测试过程进行建模,利用测试时间和所需检测测试液滴个数来衡量测试成本,并利用成本函数给出最优的并行测试分块方法.通过matlab分析表明:对任何规模的芯片阵列,其测试成本随着分块数的增大呈先减少后增大的趋势,而成本的最低点就是最优的并行测试分块方法.另外,在并行测试分块数小于测试成本最低点所对应的测试分块数时,测试成本随着测试时间在测试成本中所占的比重的增加而增大,随着测试所需测试的液滴数的增大而减小.而并行测试分块数大于测试成本最低点所对应的测试分块数时,测试成本随着测试时间的比重地增加而减小,随着所需测试的液滴数的增加而增大.这些结论给并行测试的优化提供了重要了依据和指导.

数字微流控生化芯片多液滴稀释方法的研究

生化试验中如何将样品试剂配备过程转化成有效的数字生化芯片实现的协议,并给出相应的操作过程中的稀释/混合操作优化算法非常关键,是样品试剂配备过程的一个挑战。为减少操作步骤和节省药品,提出针对数字微流控生物芯片多液滴混合器稀释/混合操作优化算法,该算法允许多个液体参与混合分离操作,可以在误差允许范围内利用片上多液滴混合器用较少的操作步骤获得目标浓度的液滴。相对传统的两液滴混合方法,减少了稀疏/混合的步骤和稀释/混合时间,同时减少中间废弃液滴的数目。实验结果也表明可以在允许的误差范围内高效地进行混合/分离操作,获得目标浓度的液滴。

用于微全分析系统的数字化微流控芯片的研究

研制出一种基于介质上电润湿(electrowetting-on-d ielectric,EWOD)机制的可编程数字化微流控芯片。它采用“三明治”结构:受控离散液滴被夹在两极板之间;下极板以硅为衬底,掺杂多晶硅作为芯片微电极阵列,其上涂覆有Teflon(AF1600薄膜的S iO2作为疏水性介质层;上极板是涂覆有Teflon(AF1600疏水薄膜的透明电极。通过分析数字化微流控系统的基本操作(离散液滴的传输、拆分及混合)的物理机理和模拟优化,在35 V低驱动电压下实现了约0.35μL和0.45μL去离子水离散液滴的传输和合并,并在70 V驱动电压下实现了0.8μL液滴的拆分等操作。

数字微流控生物芯片的并行在线测试

在数字微流控生物芯片的并行测试过程中,将芯片阵列分成等大的子阵列块,在生物实验模块布局的限制下,对相应的子阵列块进行合并与调度,以实现芯片阵列的并行测试.同时,通过实验验证了并行在线测试方法的有效性.结果表明,在不干扰生物实验过程的基础上,所采用的测试方法能够减少测试液滴的数目,提高在线测试的效率.

数字微流控生物芯片的架构级综合算法研究

由于目前数字微流控生物芯片的全制定设计技术不适用于生物化验的并行处理,经过研究提出了一种基于启发式规则的项目调度遗传算法。首先根据生物化验操作过程抽象出操作的序列图模型,并在给定的一组资源(微流控模块库)和芯片设计说明等约束条件下,经架构级综合算法确定生物化验操作所需的硬件资源,并确定在这一结构中各种操作的次序,通过遗传优化最后得到生物化验操作完成时间最短的任务调度序列。文中用大规模的蛋白质分析实验为例,对算法进行了计算机仿真。

数字微流控生物芯片布局的拟人遗传组合算法

数字微流控生物芯片布局问题是芯片设计的关键问题,它是在二维微流控阵列上为每个操作布局一个合适的物理位置,以达到完成所有操作的微流控阵列总面积最小和总时间最短两个目标。构建了拟人遗传组合算法,应用拟人启发式算法来控制数字微流控模块的布局过程,用遗传算法对布局结果进行多目标优化,以多元体液检测为实例,模拟了数字微流控生物芯片的布局优化过程。实验结果表明该算法不仅达到了优化目标,且优于并行混合模拟退火算法。

基于混沌粒子群算法的数字微流控生物芯片污染故障清除

数字微流控生物芯片的可靠性和安全性在生化分析领域具有很高要求,先后经过同一电极的液滴会造成污染,因此对芯片上的污染故障进行清除是保证生化实验准确性的重要途径。通过分析清洗模型与粒子群算法的特性,提出基于混沌粒子群算法的清洗液滴调度方案。将芯片转换为TSP模型,通过概率选择策略选择污染点,引入优秀系数和混沌序列对算法进行优化,把约束条件转换为动态禁忌表,完成故障清除,得到最优清洗时间。实验结果表明,该方案完成了对污染故障的清除,且相对于粒子群优化算法(PSO)和最大最小蚁群优化算法(MMAS)方案,可有效缩短清洗时间,提高阵列单元使用率。

基于蚁群算法的数字微流控生物芯片污染故障在线清除

生化分析领域对数字微流控生物芯片的可靠性要求严格,对实验中污染故障进行清除,能够保证复杂生化实验分析结果的准确性。提出基于最大最小蚁群算法的污染故障在线清除策略,完成污染清除,同时降低清洗污染单元时间。方案针对数字微流控生物芯片污染故障建立MTSP模型,建立基于流体和时间约束的禁忌判断策略,采用最大最小蚁群算法,重新定义概率选择函数与信息素更新策略,实现清洗液滴路径规划、快速清除污染故障的目的。实验结果表明,该方案能有效地减少清洗时间,且与MCC方案相比较,能够有效减少阵列单元使用数目。