基于微流控芯片的0-1整数规划的分子信标模型

陈玉华，沙莎

（安徽理工大学理学院，安徽 淮南 232001）

基于微流控芯片的0-1整数规划的分子信标模型

陈玉华，沙莎

（安徽理工大学理学院，安徽 淮南 232001）

文章讨论了微流控芯片技术和分子信标技术的概念，将微流控芯片技术与分子信标技术结合在一起，建立一种基于微流控芯片的0-1规划问题的分子信标计算模型.该模型具有尺寸微小、操作自动化、耗材成本低、反应效率高、结果精确可靠等优点，弥补了传统DNA计算模型的不足，使DNA计算从理论走向实际成为可能.

DNA计算；微流控芯片；分子信标；0-1整数规划

0 引言

1994年，美国加利福尼亚大学的Adleman博士利用分子生化实验技术解决了Hamiltion路径问题［1］，这一成果引起了人们对DNA计算研究的关注.DNA计算的高度并行性、大容量、高效率、低能耗等特点吸引了人们用其来解决一类困难问题并取得了非凡的成果.如最大团问题、SAT问题、最大独立集问题等［2-4］.DNA计算经过二十年的发展，无论是在模型设计还是在硬件实现上都有了重大的进展.学者们提出了不少DNA计算模型，如粘贴模型［5］、剪接模型［6］、插入/删除系统计算模型［7］和自组装DNA计算模型［8］等.这些模型的实现方式都是基于试管或表面的，这需要手工操作和大量材料，从而具有操作误差大、反应时间长、反应效率低、结果不易检测等缺点.为此，提高DNA计算的实用性、通用性和可靠性是非常重要的.微流控芯片技术具有操作自动化、高通量并行性、反应效率高、结果精确可靠等优点，减少了人工操作和反应时间，提高了DNA计算的可靠性.文章将微流控芯片技术与分子信标技术结合起来，建立一种基于微流控芯片的分子信标模型，并将该模型应用于求解0-1整数规划问题中.该模型弥补了传统DNA计算模型的不足，在计算问题的研究领域发挥着巨大作用，成为了DNA计算研究领域的新宠.

1 微流控芯片

微流控芯片是指在一个集微反应器、微通道、微阀、微泵、微分离器、和微检测器等功能部件于一身的微小的芯片平台上进行生物或化学领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作，利用微通道形成的网络来控制流体贯穿整个系统的一种技术（如图1所示）.微流控芯片具有传统生化操作无法比拟的优势，它具有反应效率高、样品消耗低、操作自动化、尺寸微小和功能齐全等优点，已广泛应用于生物、化学和医学等研究领域.

图1 微流控芯片结构图

2 分子信标

1996年，Tyagi和krmar首次提出了一种荧光探针——分子信标.分子信标一般由环状区、茎干区、荧光基团和猝灭基团组成.环状区一般由15～30个碱基组成，能与靶基团进行特异性结合，是分子信标的基团识别区.茎干区一般由5～8个互补碱基对组成.在分子信标的5'端和3'端分别连接荧光基团和猝灭基团.在自由状态下，分子信标呈茎环结构，荧光基团与猝灭基团距离非常靠近，猝灭基团吸收荧光基团的荧光并以热能发散，此时没有荧光出现.当靶基团出现时，分子信标打开，环状识别区与靶基团进行特异性结合，形成双链杂交体，荧光基团与猝灭基团距离拉大，猝灭基团不能汲取荧光基团的荧光，此时荧光出现.

图2所示为分子信标的作用示意图.

3 基于微流控芯片的分子信标模型

图3 微流控芯片结构俯视图

基于微流控芯片的分子信标模型的模型原理是在设计有入液口、样品池、混合器、反应池、储液池、荧光检测装置、暂存池、微阀、微通道、出液口等结构的微流控芯片上，通过一系列的操作来完成分子信标DNA链与目标分子的杂交反应，并通过荧光检测装置检测反应结果.微流控芯片结构俯视图如图3所示.

在图3中，微阀的作用是控制液体流向，当微阀处于打开状态时，液体可以在微通道流动；当微阀处于关闭状态时，液体则不能在微通道流动.基于微流控芯片的分子信标模型的具体操作步骤如下：

设置.设置好反应环境：①往微通道内加入一定PH值的缓冲溶液，以适合分子信标DNA链的移动.②向储液池中加入杂交反应所需的生物酶.③往入液口1加入含有分子信标序列的溶液，暂存于样品池1；往入液口2加入含有与分子信标环部识别区互补的靶序列，暂存于样品池2.④将反应池的温度控制在30℃，确保分子信标在整个反应过程中是稳定的.

混合.打开微阀1和微阀2，样品池1和样品池2的溶液流入混合器，使它们充分混合，混合后流入反应池.

反应.打开微阀3，使储液池的生物酶流入反应池，分子信标溶液和靶序列溶液在生物酶的参与下发生杂交反应.

检测.反应池的溶液充分反应后，打开微阀4，使反应后的溶液流入荧光检测装置，荧光检测装置将检测出荧光并拍照记录下来.此时，发出荧光的DNA链带有电流信号，在电场力的作用下流入暂存池，而无荧光的DNA链的溶液无电流信号，直接经微通道流向出液口.

加热.对暂存池中的溶液进行加热解链.解链后，打开微阀5，溶液经微通道流向出液口.

上述操作的溶液流动方向均由驱动电极控制.等上述操作结束后，往入液口1和入液口2中加入清洗溶液，在电场力的作用下依次流向混合器、反应池、荧光检测装置、暂存池，最终经微通道从出液口流出，完成芯片的清洗.

4 模型的应用

4.1 0-1 整数规划问题

0-1整数规划是指其变量xi只取0或1，它是整数规划的特殊情况.0-1整数规划问题有着广泛的应用，在运筹学中占据着重要地位.文章主要研究0-1整数规划问题的一种特殊情况，即为

图2 分子信标的作用示意图

4.2 生物操作步骤

（2）设置好微流控芯片的反应环境：①往微通道内加入一定PH值的缓冲溶液，以适合分子信标DNA链的移动.②向储液池中加入杂交反应所需的生物酶.③往入液口1加入含有种DNA单链的溶液，暂存于样品池1；往入液口2加入含有与第一个约束方程的各个变量互补的的分子信标序列的溶液，暂存于样品池2.④将反应池的温度控制在30℃，确保分子信标在整个反应过程中是稳定的.

（3）打开微阀1和微阀2，样品池1和样品池2的溶液流入混合器，使它们充分混合，混合后流入反应池.

（4）打开微阀3，使储液池的生物酶流入反应池，使这两种溶液在生物酶的参与下发生杂交反应.

（5）反应池的溶液充分反应后，打开微阀4，使反应后的溶液流入荧光检测装置，荧光检测装置将检测出荧光并拍照记录下来.此时，发出荧光的DNA链带有电流信号，在电场力的作用下流入暂存池，而无荧光的DNA链的溶液无电流信号，直接经微通道流向出液口.

（6）对暂存池中的溶液进行加热解链.解链后，打开微阀5，溶液经微通道流向出液口.

（7）对剩余的约束方程重复进行步骤（3）～（6），这样就可以得到满足约束方程的解，通过比较目标函数的值，从而得到问题的最优解.

4.3 实例分析

下面具体求解一个简单的0-1整数规划问题：

具体的求解步骤如下：

（3）打开微阀1和微阀2，样品池1和样品池2的溶液流入混合器，使它们充分混合，混合后流入反应池.

（4）打开微阀3，使储液池的生物酶流入反应池，使这两种溶液在生物酶的参与下发生杂交反应.

（5）反应池的溶液充分反应后，打开微阀4，使反应后的溶液流入荧光检测装置，荧光检测装置将检测出荧光并拍照记录下来，其可行解为011，101，110，111.

（6）对暂存池中的溶液进行加热解链.解链后，打开微阀5，溶液经微通道流向出液口.

（7）对剩余的两个约束方程重复进行步骤（3）～（6），它们的可行解分别为000，001，010，100，011，101；000，001，010，100，101，110.这样就可以得到满足约束方程的解为101，即(x1，x2，x3) =(1，0，1).目标函数的最小值为5.

5 结论

文章利用微流控芯片技术的优势，在微流控芯片上实现分子信标DNA计算，建立一种基于微流控芯片的分子信标计算模型.利用微流控芯片的自动化等优点与分子信标的易检测等特点结合在一起，避免了基于试管的DNA计算模型和基于表面的DNA计算模型的手工误差和材料浪费等缺点，有效地提高了DNA计算的效率和准确性.文章将该模型应用于求解0-1整数规划问题中，验证该模型是否真的可行.事实证明，比起传统模型来，基于微流控芯片的分子信标模型确实更易操作，求解结果更精确可靠.当然，由于微流控芯片的反应条件要求较高，要控制好溶液的PH值和反应温度等，才能保证反应的顺利完成.对于这些问题还需寻找更好的办法解决，因此下一步工作是在简化反应条件的同时保证反应结果的精确度不受影响或者得到更好的提高.

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［责任编辑：丁元］

M olecular Beacon M odel of 0-1 Integer Programm ing Based on M icrofluidic Chip

CHEN Yu-hua1，SHA Sha1
(1.College of Science,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

The concept of microfluidic chip technology and molecular beacon technology were discussed in this paper,microfluidic chip technology and molecular beacon technology were combined together,A molecular beacon calculationmodel for the 0-1 programming problem based onmicrofluidic chip was established.Themodel had the advantages of tiny size,automation,low material cost,high reaction efficiency and the resultwas accurate and reliable.Whichmake up the shortage of traditionalmodel of DNA computing and DNA computing from theory to practice possible.

DNA computing；microfluidic chip；molecular beacon；0-1 integer programming

TP 301

B

1672-402X（2016）02-0020-04

10.13408/j.cnki.gjsxb.2016.02.004

2015-12-10

国家自然科学基金资助项目（61170172，60873144）

陈玉华（1989－），女，广东梅县人，安徽理工大学在读硕士生，研究方向：DNA计算、组合优化等.