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串行通信的數(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?/p>

如大多數(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(lèi)型的傳感器均存在一些問(wèn)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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串行通信的數(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)明包括第一移位寄存器，輸入端與控制器連接，輸出端與電極連接，用于逐位移入電壓信號(hào)，作用于各電極上；

第二移位寄存器，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)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)在第一移位寄存器、電極之間，用于在控制器作用下同時(shí)輸出電壓信號(hào)給電極。

優(yōu)選地，第一移位寄存器為串行輸入并行輸出移位寄存器，第二移位寄存器為并行輸入串行輸出移位寄存器。

優(yōu)選地，鎖存器數(shù)目與電極數(shù)目相同。

本發(fā)明還提供一種基于串行通信的數(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，逐位移入串行輸入并行輸出移位寄存器，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)際電壓的獲取與故障判斷：同一周期各電極的實(shí)際電壓作為一個(gè)序列輸入并行輸入串行輸出移位寄存器，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移入串行輸入并行輸出移位寄存器，然后輸出到鎖存器，等當(dāng)前周期結(jié)束后，將其并行輸出到電極。

本發(fā)明的有益效果是，設(shè)有鎖存器，可同時(shí)作用與對(duì)應(yīng)電極，有效減少電極故障率，設(shè)有控制器、串行輸入并行輸出移位寄存器和并行輸入串行輸出移位寄存器，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(wèn)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，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3×3的電極陣列串行輸入結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是3×3的電極陣列電壓信號(hào)串行輸入示意圖；

圖4是分組控制信號(hào)輸入的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是獲取電極上實(shí)際電壓的結(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接口中包括鎖存器組、串行輸入并行輸出移位寄存器和并行輸入串行輸出移位寄存器，鎖存器組中的鎖存器數(shù)目與芯片的電極數(shù)目相同。串行輸入并行輸出移位寄存器、鎖存器組、電極序列和并行輸入串行輸出移位寄存器依次連接，控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線分別與串行輸入并行輸出移位寄存器、并行輸入串行輸出移位寄存器連接，通過(guò)控制總線分別與串行輸入并行輸出移位寄存器、并行輸入串行輸出移位寄存器和鎖存器組連接。

數(shù)字微流控生物芯片的在線檢測(cè)過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：(1)電壓信號(hào)的輸入；(2)電極上實(shí)際電壓的獲取與故障判斷。

(1)電極驅(qū)動(dòng)序列的施加：

如圖2所示，數(shù)字微流控生物芯片上設(shè)有3×3電極陣列和與其對(duì)應(yīng)的串行輸入并行輸出移位寄存器，d1～d9是九個(gè)邊沿觸發(fā)的d觸發(fā)器，由同一脈沖信號(hào)控制，每個(gè)觸發(fā)器的輸出端q(q1～q8)接到其右邊一個(gè)觸發(fā)器的輸入端d(d2～d9)。將被控的九個(gè)電極(e1～e9)依次接在九個(gè)并行輸出端q(q1～q9)，電壓信號(hào)按照對(duì)應(yīng)的順序從d1串行輸入，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)加到九個(gè)觸發(fā)器d上時(shí)，每個(gè)觸發(fā)器接收的都是左邊一個(gè)觸發(fā)器中原來(lái)的數(shù)據(jù)，串行輸入并行輸出同步寄存器中的數(shù)據(jù)依次右移一位，并在并行輸出端q輸出。

由于芯片中作用在同一工作周期的電壓驅(qū)動(dòng)序列需要同時(shí)施加到各個(gè)電極上，而串行輸入并行輸出移位寄存器輸入端的序列要在時(shí)鐘的作用下依次經(jīng)過(guò)其左側(cè)的并行輸出端才能到達(dá)相應(yīng)的電極，這會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)某些電極上電壓的頻繁變化，引起不必要的流體操作。

因此，在串行輸入并行輸出移位寄存器和電極陣列之間設(shè)置鎖存器，對(duì)結(jié)果的輸出加以控制。數(shù)據(jù)總線接串行輸入并行輸出移位寄存器的串行輸入端，串行輸入并行輸出移位寄存器的每個(gè)并行輸出端分別通過(guò)一個(gè)鎖存器依次接到各個(gè)電極上?？刂破靼凑针妷候?qū)動(dòng)信號(hào)的工作周期，將同一周期內(nèi)的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為序列，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下逐位移入串行輸入并行輸出移位寄存器；等序列全部移位結(jié)束，輸出到各鎖存器的輸入端后，控制總線給鎖存器發(fā)送控制信號(hào)，將串行移位完成的信號(hào)同時(shí)并行輸出到對(duì)應(yīng)的電極上，使芯片進(jìn)行相應(yīng)的工作，與此同時(shí)，在下一周期工作的電極序列開(kāi)始逐位移入串行輸入并行輸出移位寄存器，輸出到鎖存器，等當(dāng)前電極驅(qū)動(dòng)電壓作用的周期結(jié)束后，將其并行輸出到電極，然后重復(fù)操作。

如圖3所示的一個(gè)3×3的電極陣列，其電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列如表1。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”。在確定了各電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列后，根據(jù)時(shí)序在每個(gè)工作周期將對(duì)應(yīng)的電壓序列并行輸出到電極，再將下一個(gè)工作周期的序列串行輸入。例如，在第二個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，該時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)的序列000100010通過(guò)鎖存器并行輸出到各電極，于此同時(shí)，第三個(gè)時(shí)鐘周期的序列000100000開(kāi)始從串行輸入端依次進(jìn)入。

表1電極的電壓驅(qū)動(dòng)序列

數(shù)字微流控生物芯片中，驅(qū)動(dòng)電壓的工作頻率fb為18khz，而移位寄存器的移位頻率fr的數(shù)量級(jí)為mhz，因此，將所有電極在同一時(shí)刻的電壓信號(hào)串行輸入后再并行輸出的方案，對(duì)于電極數(shù)目小于103數(shù)量級(jí)的芯片可行，但是對(duì)于規(guī)模很大的電極陣列來(lái)說(shuō)，串行輸入的總時(shí)間可能會(huì)大于驅(qū)動(dòng)電壓需要持續(xù)的時(shí)間。即m×n的電極陣列需要m×n個(gè)移位時(shí)鐘周期才能將電壓信號(hào)全部輸入，若則芯片無(wú)法正常工作。

如圖4所示，為避免芯片無(wú)法正常工作，將m×n的電極陣列以由左至右、由上至下的順序進(jìn)行分組，每組設(shè)置一個(gè)串行輸入并行輸出移位寄存器，使同組電極的電壓信號(hào)串行輸入，不同組之間并行輸入。在分組過(guò)程中，為了確保在下一個(gè)電壓工作周期內(nèi)作用的電壓序列能在當(dāng)前工作周期內(nèi)全部移位完成，設(shè)定電壓的工作周期為序列移位總時(shí)間的十倍左右，即每組的電極數(shù)目初步定為

若其電極總數(shù)小于則用信號(hào)全部串行輸入的方式，否則還需繼續(xù)分組操作。

組數(shù)若不為整數(shù)，說(shuō)明電極陣列無(wú)法被平均分組，此時(shí)判斷的舍入情況。若表明最后一組的電極數(shù)目不足t′，實(shí)際若計(jì)算舍棄的電極數(shù)目f＝m×n-t′×g。

若f≤g，則將前f組中的電極數(shù)加1，最終得到每組的電極數(shù)目為

若f>g，則每組需增加電極數(shù)k＝floor(f/g)，得到t(i)＝t’+k；若還有電極剩余，則前r＝mod(f,g)組的電極數(shù)再加1，將f個(gè)電極分配到g組中，最終得到每組的電極數(shù)目為

這樣m×n的電極陣列最多只需要t’+k+1個(gè)移位的時(shí)鐘周期就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入。

在非規(guī)則的電極陣列中，也可以通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的全部串行輸入或分組串行輸入，只需在計(jì)算時(shí)將m×n替換成陣列的總電極數(shù)即可。

(2)電極上實(shí)際電壓的獲取與故障判斷：

如圖5所示，對(duì)電極陣列中每個(gè)電極實(shí)際電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以看作電壓信號(hào)輸入的逆過(guò)程，因此，選用并行輸入串行輸出移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)該獲取階段，并行輸入串行輸出移位寄存器與電極的對(duì)應(yīng)情況與階段(1)中的一致。在芯片進(jìn)行流體操作的過(guò)程中，同一周期各電極的實(shí)際電壓作為一個(gè)序列輸入并行輸入串行輸出移位寄存器，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下串行輸出，由數(shù)據(jù)總線傳回控制器?？刂破髦袑骰氐碾妷盒蛄信c同一周期施加的序列進(jìn)行比較，即可判斷有無(wú)故障發(fā)生和故障的具體位置。若控制器得到的信號(hào)與同一時(shí)刻施加到電極陣列上的電壓信號(hào)相同，表明電極工作正常；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電極的輸出信號(hào)存在異常，然后將對(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，避免在隨后的流體操作中使用它們。

如圖3所示，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1可知，此時(shí)的電壓序列應(yīng)為e1e2e3e4e5e6e7e8e9＝000100010。短路后，串行輸入到控制器的電壓信號(hào)為e1e2e3e4e5e6e7e8e9＝000110010，經(jīng)對(duì)比，可知e5上的低電壓被e4拉高，即兩電極發(fā)生了短路。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e4、e5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(zhuān)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(shū)涵蓋之范疇。