连续微流控生物芯片下一种多阶段启发式的流层物理协同设计算法

为了提高连续微流控生物芯片(CFMBs)中的流层物理协同设计质量和效率,该文分3阶段实现布局布线协同设计。(1)布局预处理阶段:通过提出的逻辑布局和组件方向布局调整方法,得到组件优异的逻辑位置和逻辑方向。(2)组件映射和包围盒间隙布局调整阶段:基于包围盒策略,把布局预处理结果映射到实际物理设计空间中,并通过包围盒间隙布局调整,获得最佳包围盒间隙。(3)收缩布局调整阶段:基于组件间的连通图关系,提出了沿流通道收缩和多图收缩两种新的布局调整方法。实验结果表明,与现有最佳的启发式算法对比,该文算法在芯片流层整体面积、流通道交叉点数和流通道总长度上分别优化20.22%,54.66%和71.62%,加速比为177.12,显著提升了设计质量和效率。

考虑流端口数量约束下的连续微流控生物芯片流路径规划算法

连续微流控生物芯片通常需要构建复杂交错的流路径来支持样本/试剂的运输,也需要大量的流端口来推动液体的有序流动,这阻碍了生物芯片的进一步发展。因此,该文考虑了有限流端口驱动下的流路径规划问题,并提出一个流路径驱动下的连续微流控生物芯片的架构综合设计流程。首先采用基于列表调度算法实现操作的绑定与调度,通过时间窗对调度进行调整,从而满足给定的流端口数量约束;然后采用基于序列对表示的遗传算法求得芯片的布局设计,通过考虑并行任务之间的冲突以及组件之间的连接关系,进一步优化了布局解的质量;最后采用基于A^(*)寻路的优化布线算法规划所需的流路径,以有效减少流通道总长度和交叉点数量,生成具有高执行效率的芯片架构。实验结果表明,该方法在严格满足给定的流端口数量约束条件下,极大地避免了各种液体运输任务的冲突,同时也优化了流通道的总长度以及交叉点的数量,降低了芯片的构造成本。

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。

PMMA基PCR微流控生物芯片准分子激光加工

采用准分子激光在PMMA基片上刻蚀加工出PCR微流控生物芯片,分析了准分子激光能量密度和工作台移动速度对微通道加工质量(深度及粗糙度)的影响,加工过程中选择较低的激光能量密度和较高的工作台移动速度,都有利于获得底面更加光滑的微通道。通过热键合的方法制备出完整的密闭式PCR微流控生物芯片。

数字微流控生物芯片测试诊断过程分析和优化

针对数字微流控生物芯片的测试和诊断过程进行建模和分析,并根据并行测试的分块数和单元出错概率为相应的测试和诊断成本建立函数。通过Matlab对测试诊断成本函数的分析表明:随着并行测试分块数的增大,测试诊断成本的变化趋势不明显,也就是说,并行测试的分块数对测试诊断成本的影响不大;而随着单元出错概率p的增加,测试成本呈明显的增加趋势,且增加的幅度较大。另外,诊断过程中,根据单元出错概率对出错的子阵列再进行诊断,诊断过程必须持续若干次,直到所有故障定位后才能结束。在这些诊断中,针对最后一次定位的诊断成本是最大的,而且与其他次的诊断过程的成本相差几十个数量级,决定了总成本的大小。这些结论为数字微流控生物芯片的测试和诊断过程优化提供重要的理论依据,并为测试诊断方法的设计提供指导。

生物微流控PCR荧光芯片微通道动态检测系统研究

研究和建立了生物微流控PCR荧光芯片微流控微通道动态检测系统,对该系统的多光路光纤校准进行了研究,获得了荧光检测的重复性(偏差:2.6%)和稳定性(偏差》2.7%)等.实验结果表明:该系统可用于准分子激光制备高聚物基生物微流控PCR荧光芯片最佳工艺激光制备参数的优化设计;可用于生物微流控PCR荧光芯片生物分析时的实时荧光定量检测;也可用于对激光荧光检测微型化技术与生物芯片光谱检测集成化提供多功能实验基础和性能评估体系.

蚁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在生物化学分析中有良好的应用前景,为保证复杂生化实验分析结果的准确性,需对污染故障进行清除。提出了基于最大最小蚁群算法的污染故障清除策略,对清洗液滴清洗路径进行路径寻优。针对数字微流控生物芯片污染故障建立多旅行商问题(MTSP)模型,建立了基于流体和时间约束的禁忌判断策略、蚁群算法的选择策略,实现了优化清洗液滴路径规划、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,能够有效减少阵列单元使用数目。

数字微流控生物芯片微液滴优化调度

数字微流控生物芯片出现,使得单片并行多样品、多试剂、多生物检测量的大规模生物检测系统成为现实,需要在有限的芯片资源中优化调度各样品和试剂以减少检测时间。由于优化调度是一个NP完全问题,本文提出了以多样品检测完成时间为适应度函数,以样品和试剂混合操作类型集合为染色体,并将该染色体分别赋以一整数值代表混合操作优先级高低,同时,将染色体基因分为可同时进行混合操作而资源不冲突基因和有限任意项基因两部份,并对有限任意项基因进行移位、交叉等遗传操作,达到优化调度接近最优解。所提出算法编码基因数从(4Sm*Rn)!降低到Sm*Rn,极大改善了算法效率和并行检测所需时间。

连续微流控生物芯片下基于序列对的流层物理设计算法

针对流层物理设计的2个阶段,即组件布局与布线通常被分开考虑,忽略了它们之间的交互作用,从而导致设计质量以及生物芯片执行效率下降的问题,提出一种有效的连续微流控生物芯片下基于序列对的流层物理设计算法.首先基于可以快速对布局方案进行枚举和计算的序列对表示方法,通过具有更高求解效率的离散粒子群优化算法得到组件布局解,进一步提高布局解的质量;然后在布线阶段将组件对之间的曼哈顿距离作为布线顺序的考虑依据,并通过基于协商布线算法进行布线,有效地减少流通道交叉点数量;最后考虑布局和布线的交互作用,根据布线的反馈信息进行针对流通道交叉点区域的布局调整,从而衔接组件布局与流通道布线阶段.采用实际生化应用反应与合成的基准测试集,复现基于模拟退火布局和协商布线的流层物理设计算法作为对比算法进行实验,结果表明,所提算法的流通道交叉点数量优化了74.94%,芯片面积优化了5.04%,流通道总长度优化了16.88%,得到高质量流层物理设计方案.

基于微流控生物PCR芯片的荧光PCR分析研究

利用荧光能量传递PCR定量技术(fluorescence resonance energy transfer,FRET)对微流控生物PCR芯片激光制备工艺的荧光PCR分析方法和装置进行了研究和建立,并开展了相关初步实验。基于微流控生物PCR芯片激光制备工艺的荧光PCR分析法的实质是利用在芯片平面上PCR过程中的荧光强度与溶液中模板量成正比,根据各类荧光强度以及强度相对变化信息分析获得优化的加工工艺参数和芯片设计的改进。生物芯片多光路校准光纤PCR荧光检测装置可提高荧光检测的重复性、稳定性等测量精度。

数字微流控生物芯片的电极管脚控制信号处理

随着对数字微流控生物芯片的深入研究,直接寻址DMFB需要大量独立控制引脚,显著增加了产品的制造成本。文中根据液滴路由路径,产生液滴路由所经过电极的驱动序列,利用芯片中一个引脚最多所能驱动的电极数量值,对产生的电极驱动序列进行分区,对每个分区中的电极驱动序列进行比对,找出相互兼容的以此来减少控制引脚的数量。实验结果表明,该方案与交叉引用等方法相比,减少了控制引脚的数量,实现了对电极管脚控制信号的处理。

CFD在微流控生物芯片设计中的应用

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)是一种以计算机技术模拟手段为基础,对涉及流体流动、传热及相关现象进行分析的一种数值模拟方法.特别是它能预测微流控生物芯片内部的流体流动和传质现象,并能提供可视化结果,近来常用于辅助生物芯片的设计和性能优化.从Navier-Stokes方程组出发,阐述了CFD的原理、方法和特点,并通过对毛细管电泳芯片的建模与仿真,分析了它在微流控生物芯片设计中的应用和重要作用.

应用于数字微流控生物芯片的异质液滴寻址算法

为了降低数字微流控生物芯片的制造复杂性以及异质液滴之间的交叉污染,减少生化检验完成时间,提出基于多目标的异质液滴寻址优化启发式算法。从液滴到达目标电极的时间、寻址路径上电极利用总数、控制引脚的数量以及污染电极的数量等四个方面综合分析,采用多目标启发式算法对片上多个不同质液滴并行运动时的路径进行优化。通过对生化分析实验的仿真模拟,该算法表现出了较好的液滴寻址优化特性,能够大大减少液滴到达目标电极时间,降低寻址路径上所使用的电极数量和片上控制引脚的数量。同时污染电极的数量也得到了一定的减少,这说明该算法对数字微流控生物芯片的液滴路径优化具有一定的参考价值。

微流控生物芯片中的任意角度布线设计方法

基于连续流体的微流控生物芯片,是在玻璃板衬底上,采用硅橡胶材料,基于软蚀刻技术制作的微流控通道网络系统。现有的微流控生物芯片自动布线方法采用曼哈顿布线,造成芯片资源的浪费。针对现有布线方法的问题,提出一种基于Dijkstra的最短路径算法,采用任意角度布线,可以有效缩短微流控通道长度,提高芯片面积利用率,节约芯片制作成本。仿真测试表明,所提算法比传统的曼哈顿算法性能更优。

微流控PCR芯片微流体荧光测控流速

为使微流控荧光PCR扩增循环的实际流速与理论设计流速吻合,保证芯片的PCR扩增过程与步骤的准确完成,必需对微通道中的实际工作流体流速情况进行实时测量和流速调控.利用在39个循环微通道的生物PCR微流控芯片中,充满强阳性荧光PCR试剂微通道的荧光信号值为空微通道的荧光信号值的4倍左右,为充满阴性荧光PCR试剂微通道荧光信号值的10倍左右的特性,在芯片上建立荧光实时测速信息反馈系统,对微通道中的实际工作流体流速情况进行实时反馈和控制.

微流控技术检测宫颈脱落细胞HPV的临床应用

目的验证博晖微流控HPV全自动核酸检测法(简称博晖微流控法)检测宫颈分泌物标本中HPV的临床性能。方法选用中山大学附属第八医院(深圳福田)已被亚能膜杂交法检测224例宫颈脱落细胞标本,由博晖微流控法检测。结果不一致的标本,采用流式荧光杂交法确认。4例已知不同基因型别的样本重复检测3次,用于批间精密度验证。6个不同基因型质粒依次稀释后检测,用于灵敏度验证。结果在224例样本中,博晖微流控法检测出92例阳性(75例单基因型和16例二重或多重基因型),阴性132例;膜杂交法检测出99例阳性样本(78例单基因型和21例二重或多重基因型),125例阴性。根据结果评定标准,博晖微流控法敏感性和特异性分别为95.70%(89.35%-98.82%)和98.47%(94.59%-99.81%)。批间精密度为100%。HPV6,16,42,52和HPV18,31检测限分别为1.0E2 copies/mL和1.0E3 copies/mL。结论博晖微流控法是一种具有重复性好、灵敏性和特异性高,适宜各级实验室检测宫颈分泌物中HPV的检测方法。