微流控全可编程阀门阵列生物芯片的设计自动化技术：系统综述

《ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems》：Design Automation Techniques for Microfluidic Fully Programmable Valve Array Biochips: A Systematic Survey

微流控生物芯片通过集成混合器、过滤器等组件，实现蛋白质结晶和药物筛选等复杂生物检测的自动化，全编程阀阵列（FPVA）因百万级微阀集成展现出高灵活性。设计自动化成为关键，涵盖架构合成、体积管理、故障定位等技术，使用户专注于实验开发。同时需关注生物检测的准确性和可靠性，确保实验可重复性。未来研究需提升集成度和应用普及。

　　

摘要

基于流动的微流控生物芯片在过去二十年里受到了广泛关注。通过在微型平面基底上集成多种微组件（如混合器和过滤器），可以自动执行复杂的生物分析任务，例如蛋白质结晶和药物筛选，而无需人工干预，从而成为传统笨重实验室设备的有前景的替代方案。随着制造技术的进步，现在可以在单个芯片上实现数十万个微阀门。这一突破催生了全可编程阀门阵列（FPVA）生物芯片，它代表了基于流动的微流控技术的新一代平台，具有更高的可重构性和操作灵活性。然而，阀门密度的指数级增加在实现复杂分析协议时带来了显著的设计复杂性。因此，FPVA的设计自动化已成为一个关键的研究领域，吸引了学术界和工业界的极大关注。本文系统地回顾了FPVA设计自动化方面的最新进展，包括用于架构合成、体积管理、样品制备、自动化测试、故障定位、错误恢复和清洗优化的计算机辅助设计方法。这些技术使FPVA用户能够专注于分析协议的开发，同时将具体实现的设计和优化任务委托给设计自动化工具。此外，我们还分析了FPVA中出现的潜在安全问题，特别是那些影响生物分析准确性和可靠性的因素，以确保实验的可重复性。最后，详细讨论了未来研究的潜在方向，以进一步提高FPVA的集成水平和应用范围。