本發(fā)明涉及數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種基于編碼譯碼的數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
：數(shù)字微流控生物芯片主要由一個(gè)二維電極陣列組成，上極板是一個(gè)覆蓋陣列中所有單元的大電極，作為公共接地端；下極板在使用中根據(jù)需要施加不同的控制電壓，可參考文獻(xiàn)1(r.fair,a.khlystov,v.srinivasan,v.pamula,andk.weaver,“integratedchemical/biochemicalsamplecollection,pre-concentration,andanalysisonadigitalmicrofluidiclab-on-a-chipplatform”,proceedingsofspie,volume5591,issue8,page113–124,2004)。基于介電潤(rùn)濕技術(shù)，納升級(jí)的液滴在操作過(guò)程中被限制在兩極板之間，通過(guò)同時(shí)向液滴所在電極施加低電平和相鄰電極施加高電平，改變液滴的表面張力，從而實(shí)現(xiàn)了液滴從低電平向高電平移動(dòng)，如文獻(xiàn)2(r.b.fair,a.khlystov,t.d.tailor,v.ivanov,r.d.evans,p.b.griffin,v.srinivasan,v.k.pamula,m.g.pollack,j.zhou,chemicalandbiologicalapplicationsofdigital-microfluidicdevices.ieeedes.testcomput.24,10–24(2007))?？刂破鲗?shí)驗(yàn)步驟翻譯成一系列電壓序列，通過(guò)引腳加載到每個(gè)電極上，實(shí)現(xiàn)液滴混合、分離、稀釋、注入等所有操作。隨著數(shù)字微流控生物芯片在各領(lǐng)域的廣泛引用，其功能越來(lái)越復(fù)雜，在使用中需要大量流體操作在電極陣列上重復(fù)進(jìn)行，電極將不斷與各種易粘連其上的大分子物質(zhì)接觸，并長(zhǎng)時(shí)間保持高電平或不斷進(jìn)行高低電平的切換，這就會(huì)使其故障率增加。一旦其發(fā)生故障則會(huì)導(dǎo)致液滴移動(dòng)和流體操作的錯(cuò)誤，進(jìn)而引起試驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤，不僅會(huì)消耗大量時(shí)間和液滴等資源，更會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中造成嚴(yán)重后果。由于數(shù)字微流控生物芯片通常用于健康檢測(cè)、藥品研發(fā)和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面，為了保證操作結(jié)果的快速性、準(zhǔn)確性和可靠性，就必須要在芯片使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行在線測(cè)試。文獻(xiàn)3(許川佩,蔡震,胡聰.基于蟻群算法的數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試路徑優(yōu)化[j].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(6):1417-1424.)、4(suf,hwangw,mukherjeea,etal..testinganddiagnosisofrealisticdefectsindigitalmicrofluidicbiochips[j].journalofelectronictesting:theoryandapplications,2007,23(2/3):219-233.)和5(xutandchakrabartyk.paralledscan-liketestandmultiple-defectdiagnosisfordigitalmicrofluidicbiochips[j].ieeetransactionsonbiomedicalcircuitsandsystems,2007,1(2):148-158.)提出在芯片上增設(shè)測(cè)試液滴，在不影響流體操作正常進(jìn)行的條件下控制測(cè)試液滴，使其遍歷當(dāng)前空閑的電極單元，通過(guò)檢測(cè)測(cè)試液滴狀態(tài)判斷其對(duì)應(yīng)檢測(cè)區(qū)域是否有故障。這種方法對(duì)于當(dāng)前正在使用的陣列區(qū)域中的故障是無(wú)效的，而且測(cè)試液滴的消耗較大。一些在線測(cè)試通過(guò)對(duì)預(yù)先選取的測(cè)試點(diǎn)處的液滴狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，以判斷操作是否正常進(jìn)行，其中需要外加傳感器完成檢測(cè)。文獻(xiàn)6(t.xu,k.chakrabarty,v.k.pamula,designandoptimizationofadigitalmicrofluidicbiochipforproteincrystallization.inproceedingsoftheieee/acminternationalconferenceoncomputer-aideddesign,(2008),pp.297–301.)中采用電容傳感電路讀取并分析測(cè)試結(jié)果，這種方法需要額外的步驟來(lái)分析脈沖序列以確定待測(cè)微流體陣列是否存在故障。讀出測(cè)試結(jié)果并分析脈沖序列的過(guò)程增加了測(cè)試時(shí)間，分析脈沖序列的過(guò)程尤其容易因傳感器刻度不精確引入誤差，因此不夠?qū)嵱谩Ｈ绱蠖鄶?shù)在線測(cè)試一樣，文獻(xiàn)7(n.jokerst,l.luan,s.palit,m.royal,s.dhar,m.brooke,andt.tylerii,“progressinchip-scalephotonicsensing”,ieeetrans.biomedicalcircuitsandsys.,vol.3,pp.202–211,2009.)中采用光電檢測(cè)器檢測(cè)中間液滴的熒光性，從而得到其體積和物質(zhì)含量等參數(shù)。其不足之處在于無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，無(wú)法精確定位故障。在芯片工作過(guò)程中，某一操作的結(jié)果液滴被送到光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超出誤差允許范圍，才判斷有錯(cuò)誤發(fā)生，而且這個(gè)結(jié)果只表明操作區(qū)域的所有單元都有可能出現(xiàn)故障，無(wú)法得到故障發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間和位置，也不能排除故障發(fā)生在結(jié)果液滴移動(dòng)到檢測(cè)器過(guò)程中的可能性。若將疑似故障區(qū)域全標(biāo)記為障礙，則造成了大量電極資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)8(yanluo,krishnenduchakrabarty,“hardware/softwareco-designandoptimizationforcyberphysicalintegrationindigitalmicrofluidicbiochips”,2014.)中提出采用基于ccd的傳感器，對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)情況的圖像實(shí)時(shí)采集并與期望的圖像對(duì)比，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)液滴出現(xiàn)錯(cuò)誤，并確認(rèn)故障的準(zhǔn)確位置。但ccd成本太高，不適用于這種一次性的芯片，而且如果實(shí)驗(yàn)中有光敏樣品或試劑，其光線會(huì)對(duì)液滴造成影響。綜上所述，目前的在線測(cè)試方法，只能依靠外加傳感器實(shí)現(xiàn)，但是各種類型的傳感器均存在一些問題和不足，更重要的是，這種針對(duì)液滴狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)試方法，只能在故障引起流體操作錯(cuò)誤發(fā)生之后才能被檢測(cè)到，而為了得到正確的結(jié)果，還需要重新進(jìn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤的操作甚至更多之前的操作，浪費(fèi)了時(shí)間和液滴。而且，為了使后續(xù)操作避開故障單元，需要對(duì)其進(jìn)行資源分配和液滴路徑的重新合成，這就要改變控制引腳上施加的與預(yù)先方案相對(duì)應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)序列，而在引腳約束的芯片中，控制引腳與電極的對(duì)應(yīng)關(guān)系是通過(guò)預(yù)先方案的電壓驅(qū)動(dòng)序列得到的，因此這種在線測(cè)試法不能在引腳約束的數(shù)字微流控生物芯片上使用，但電極直接尋址的設(shè)計(jì)又會(huì)使芯片規(guī)模過(guò)大。本發(fā)明將把芯片的電極陣列作為檢測(cè)對(duì)象，從芯片結(jié)構(gòu)可測(cè)性設(shè)計(jì)的角度解決在線測(cè)試的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試中故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、錯(cuò)誤修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)且資源消耗多，以及控制引腳過(guò)多導(dǎo)致的芯片規(guī)模過(guò)大的技術(shù)問題，提供一種故障發(fā)現(xiàn)及時(shí)、修復(fù)時(shí)間短且資源消耗少，以及引腳引入少的基于編碼譯碼的數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試結(jié)構(gòu)及方法。為此，本發(fā)明包括譯碼器，輸入端與控制器連接，輸出端與電極連接，用于將電壓信號(hào)根據(jù)譯碼規(guī)則轉(zhuǎn)換為電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列，作用于各個(gè)電極上；編碼器，輸入端與電極連接，輸出端與控制器連接，用于將各電極的實(shí)際電壓信號(hào)經(jīng)電路編碼后通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳回控制器；及控制器，用于將傳回電壓信號(hào)與輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷電極是否出現(xiàn)故障，若是，則將對(duì)應(yīng)的電極標(biāo)記為故障，并對(duì)之后的液滴調(diào)度進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)選地，還包括鎖存器，鎖存器設(shè)在控制器、譯碼器之間，用于鎖存輸入的電壓信號(hào)，釋放數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的分時(shí)復(fù)用。優(yōu)選地，譯碼器為2線—4線譯碼器，編碼器為4線—2線編碼器。優(yōu)選地，譯碼器、編碼器的數(shù)目相同，且均至少為1個(gè)。本發(fā)明還提供一種基于編碼譯碼的數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試方法，包括以下步驟：(1)電極驅(qū)動(dòng)序列的施加：控制器將同一周期內(nèi)的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為序列，輸入到2線—4線譯碼器，然后輸出到鎖存器，鎖存器將電壓序列同時(shí)輸出到對(duì)應(yīng)的電極上，使芯片進(jìn)行相應(yīng)的工作；(2)電極上實(shí)際電壓的獲取及故障判斷：同一周期各電極的實(shí)際電壓作為一個(gè)序列輸入4線—2線編碼器，再由數(shù)據(jù)總線傳回控制器，控制器將傳回的電壓序列與同一周期施加的序列進(jìn)行比較，判斷有無(wú)故障發(fā)生和故障的具體位置，將故障的對(duì)應(yīng)電極標(biāo)記為故障，并對(duì)之后的液滴調(diào)度進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)選地，步驟(1)中芯片進(jìn)行相應(yīng)工作的同時(shí)，下一周期的電極序列逐位輸入2線—4線譯碼器，然后輸出到所述鎖存器，等當(dāng)前周期結(jié)束后，將其并行輸出到所述電極。本發(fā)明的有益效果是，其可控電極數(shù)以指數(shù)的形式增加，在保證各電極相互獨(dú)立的條件下減少了引腳的使用，有效解決了數(shù)字微流控生物芯片在線測(cè)試中故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問題，使得故障一旦發(fā)生可以立刻被定位，并調(diào)整后續(xù)有關(guān)操作對(duì)其進(jìn)行規(guī)避，避免引起流體操作錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極陣列的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少了有故障出現(xiàn)時(shí)生物化學(xué)反應(yīng)的完成時(shí)間，降低了測(cè)試成本。附圖說(shuō)明圖1是數(shù)字微流控生物芯片接口結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是4x4電極陣列分組示意圖；圖3是一組電極輸入輸出結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。如圖1所示，數(shù)字微流控生物芯片的i/o接口中包括鎖存器、4線—2線編碼器組和2線—4線譯碼器組，鎖存器、2線—4線譯碼器組、電極序列與4線—2線編碼器組依次連接，控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線與鎖存器、4線—2線編碼器組連接，通過(guò)鎖存器實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的分時(shí)復(fù)用。如圖3所示，2線—4線譯碼器的每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)電極，各電極同時(shí)連接4線—2線編碼器的輸入端。即4線—2線編碼器和2線—4線譯碼器的數(shù)目相同，且是電極數(shù)目的四分之一。測(cè)試過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：(1)電壓驅(qū)動(dòng)序列的施加；(2)電極上實(shí)際電壓的獲取及故障判斷。(1)電極驅(qū)動(dòng)序列的施加：由于每種信號(hào)通過(guò)譯碼后的輸出信號(hào)中只有一位有效，也就是在同一時(shí)刻一個(gè)2線—4線譯碼器只能選中一個(gè)電極，這就限制了2線—4線譯碼器可控的電極數(shù)目，否則會(huì)影響流體操作的正常進(jìn)行。而在流體操作中同樣有約束條件，即兩液滴不能處于直接鄰近或?qū)青徑年嚵袉卧?，否則會(huì)導(dǎo)致液滴融合，所以需保證液滴之間有一定的間隔距離。綜合以上兩條約束條件，本發(fā)明采用2線—4線譯碼器，即兩引腳通過(guò)2線—4線譯碼器控制四個(gè)電極。如圖2所示，上下左右相鄰的四個(gè)電極由同一個(gè)2線—4線譯碼器控制，同一時(shí)刻四個(gè)電極中最多有一個(gè)電極有效，也就是四個(gè)電極中最多有一個(gè)電極上存在液滴，這恰好在一定程度上滿足了流體操作的距離限制，也不影響同一時(shí)刻其他流體操作的同步進(jìn)行。數(shù)據(jù)總線上輸入的電壓信號(hào)要先暫存在鎖存器中，這是為了在檢測(cè)電極電壓時(shí)，數(shù)據(jù)總線可以空閑出來(lái)將測(cè)試結(jié)果傳送回控制器。根據(jù)2線—4線譯碼器的譯碼規(guī)則，可由每個(gè)電極上施加的電壓驅(qū)動(dòng)序列反推出實(shí)際加在2線—4線譯碼器輸入端的電壓信號(hào)。2線—4線譯碼器的真值表見表1，其中x1,x2,c代表2線—4線譯碼器的三個(gè)輸入端，即芯片的三個(gè)控制引腳，引腳c控制的是2線—4線譯碼器的使能端，當(dāng)c為高時(shí)，不論x1和x2的輸入如何，2線—4線譯碼器輸出全為低；當(dāng)c為低時(shí)，2線—4線譯碼器的輸出取決于x1和x2的狀態(tài)。e1，e2，e3，e4分別代表2線—4線譯碼器的四個(gè)輸出端，即電極陣列中由同一個(gè)2線—4線譯碼器控制的四個(gè)電極。表12線—4線譯碼器真值表cx1x2e1e2e3e400000010010010010010001110001xx0000根據(jù)真值表，可得到電壓信號(hào)與電極驅(qū)動(dòng)序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系式為：如圖3所示，一組電極輸入結(jié)構(gòu)包括同一2線—4線譯碼器控制的四個(gè)電極、用于施加電壓信號(hào)的三個(gè)引腳，電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列如表2。電壓驅(qū)動(dòng)序列中的每一位代表此電極在某一特定時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)，“1”代表有效，即電極上施加高電壓；“0”代表無(wú)效，即電極上施加低電壓；“*”代表輸入信號(hào)為0或?yàn)?都不會(huì)對(duì)液滴的移動(dòng)產(chǎn)生影響。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間施加高電壓可能會(huì)導(dǎo)致電極產(chǎn)生不可逆的電荷積聚，所以在計(jì)算電壓信號(hào)時(shí)，將“*”全部視為“0”。獲得各電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列后，可通過(guò)公式(1)(2)(3)得到引腳上對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)表見表3。表2電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列表3引腳上對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)表(2)電極上實(shí)際電壓的獲取及故障判斷：在芯片工作過(guò)程中，要對(duì)電極陣列中每個(gè)電極上的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)傳回控制器的信號(hào)判斷有無(wú)電極故障及故障電極的位置。電極電壓的獲取是電壓信號(hào)施加的逆過(guò)程，因此，可以使用4線—2線編碼器將電極陣列上的電壓編碼，通過(guò)引腳輸出到控制器中，若編碼后的電壓信號(hào)與同一時(shí)刻施加到電極陣列上的電壓信號(hào)相同，說(shuō)明電極工作正常；若不相同，則表明有電極發(fā)生故障，通過(guò)對(duì)比找到兩序列中不相同的二進(jìn)制位，繼而確定是哪一或哪些4線—2線編碼器的輸出信號(hào)存在異常，然后將其對(duì)應(yīng)的電極標(biāo)記為故障，并對(duì)之后液滴調(diào)度進(jìn)行調(diào)整，避免在隨后的流體操作中使用它們。編碼的公式同樣為(1)(2)(3)。假設(shè)在第二個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，由于液體的殘留導(dǎo)致電極e1和e2短路，根據(jù)表2可知，此時(shí)的電壓序列應(yīng)為e1e2e3e4＝1000，引腳上的電極信號(hào)為cx1x2＝011。但是發(fā)生短路后，e2上的低電平就會(huì)變成高電平，4線—2線編碼器獲取的電壓信號(hào)為e1e2e3e4＝1100，而4線—2線編碼器的輸入端只允許一位二進(jìn)制數(shù)為1，因此其編碼輸出就會(huì)產(chǎn)生異常。控制器在發(fā)現(xiàn)后迅速對(duì)第三個(gè)時(shí)鐘周期之后的液滴調(diào)度進(jìn)行調(diào)整，并在后續(xù)操作中將e1e2e3e4標(biāo)記為障礙。惟以上者，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，故其等同組件的置換，或依本發(fā)明專利保護(hù)范圍所作的等同變化與修改，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明權(quán)利要求書涵蓋之范疇。當(dāng)前第1頁(yè)12