[发明专利]数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法

说明书

本发明公开了一种数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法，包含如下步骤：建立优先约束、资源约束、重叠约束、流体约束四个约束条件的模型；建立连锁生物化学反应在数字微流控生物芯片上完成总时间的目标模型；基于马尔可夫决策，根据所述四个约束条件的模型求解所述完成时间的目标模型的最优解；根据所述最优解，控制数字微流控生物芯片上生物化学反应的实现过程。本发明能够将数字微流控生物芯片中的生物化学反应的时间将至最低，还具有低成本、高精度和高效率的优点。

技术领域

本发明涉及数字微流控生物芯片计算机辅助设计领域，更具体地说，涉及一种数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法。

背景技术

首先介绍微流控生物芯片的物理设计。如图1所示，微流控生物芯片主要由电极板构成，通过电润湿电极驱动液滴进行移动、混合、反应和存储等操作，液滴中存储着生物化学实验所需要的相关试剂样本，所有液滴均夹在两层铟锡氧化物电极板中间。这里有两种不可重配置的资源分别是光学检测器和光学分配端口，光学检测器用来检测每个操作是否正常进行，作为一种特殊的资源，它的位置在制造阶段就被固定下来并且在整个物理设计中都无法移动，光学分配端口用来产生液滴。

随着科学的进步，生化实验也愈加复杂，传统的微流控生物芯片设计已经无法满足需求，但是通过计算机辅助设计的帮助，不仅解决了该问题，而且还具有低成本、高精度和高效率的优点。微流控生物芯片的计算机辅助设计主要由任务规划、布局和布线三部分组成，包括了时间和尺寸两个优化目标，计算机辅助设计通过建立一个3D模型来模拟微流控生物芯片的一系列实验过程，如图2所示，将生物芯片的物理平面作为x-y平面，时间t为z轴，每一个模块里面都包含了液滴，液滴在模块里进行相关操作，例如移动、混合、反应和存储等，模块的长度跟宽度代表该操作所需要空间大小，高度代表该操作所需要的时间。微流控生物芯片在一定的实验约束条件下进行生物化学反应，如何控制微流控生物芯片快速完成所有的生物化学反应是微流控生物芯片中一个研究方向，然后这一技术问题目前还没有得到很好的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述在计算机辅助设计布局的微流控生物芯片中，如何快速完成所有的生物化学反应还没有得到有效解决的技术缺陷，提供一种数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法，包含如下步骤：

S1、建立以下四个约束条件的模型：

1)优先约束条件：化学反应的优先顺序定义了数字微流控生物芯片设计期间的对于不同操作的执行顺序；

2)资源约束条件：确保整个系列生物化学反应使用每种类型的化学药剂，均不超过其资源限制的上限；

3)重叠约束条件：确保了系列生物化学反应在同一个时间点不会在同一个位置执行；

4)流体约束条件：定义了数字微流控生物芯片液滴之间的最小间距；

S2、建立连锁生物化学反应在数字微流控生物芯片上完成总时间的目标模型：

其中，{o₁,o₂,…,o_n}代表实验的所有的操作集，n≥2，t(o_i)代表每一个操作o_i的执行时间；

S3、基于马尔可夫决策，根据所述四个约束条件的模型求解所述完成时间的目标模型的最优解；

S4、根据所述最优解，控制数字微流控生物芯片上生物化学反应的实现过程。

优选地，在本发明的数字微流控生物芯片计算机辅助设计布局的时间优化方法中，所述优先约束条件的建模具体包括：