[发明专利]一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法

说明书

本发明公开了生物计算机技术领域的一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，包括加样孔、加样通道、底物液池、反应池组、废液池、出液通道、毛细通道、第一微流体通道以及第二微流体通道，芯片结构简单，制作方便，不需要集成任何微阀微泵等元件；该方法利用离心力驱动芯片上溶液的流动，能在芯片上穷举所有可能的结果，并同一时刻验证结果是否满足条件，不需要在芯片上重复多次添加DNA序列，减少了人工的干预，克服了传统算法中串行计算量大、时间复杂度大的问题，实现了DNA计算的强大并行能力，利用芯片上的DNAzyme裂解RNA的反应来求解MSC问题，有效地提高了计算的可靠性。

技术领域

本发明涉及生物计算机技术领域，具体为一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法。

背景技术

最小集合覆盖问题(minimum set covers,MSC)是一个重要的NP完全问题，在规划调度、订单配送、信息检索、网络设施选址、车辆路径优化等领域具有广泛的应用。迄今为止，研究人员提出了多种算法求解该问题，比如贪心算法、近似算法、遗传算法、人工蜂群算法等。但这些算法的时间复杂度大，时效性低，且不能并行计算。DNA计算作为一种新的分子计算模型，因其高度的并行计算能力，海量的存储能力，优秀的搜索策略以及超快的计算速度，可被用来解决各种NP问题。DNAzymes是一类人工合成的具有催化活性的DNA分子，可以在辅因子存在的情况下裂解特定的底物。因其具有良好的编程能力、稳定性和活性，且合成相对便宜，容易修饰和功能化，已被广泛应用于分析应用、生物传感器、化学生物学和纳米技术等领域。通常，这种DNAzyme由底物链和酶链组成。底物链包含一个单链RNA连接(rA)作为裂解位点，而酶链由一个催化核心和两个臂组成。在催化辅因子(可以是不同的金属离子和氨基酸)存在下，酶链将底物链裂解为两部分。根据DNAzyme的这一特点，将MSC问题转化成微流控芯片上的DNAzyme裂解反应，为DNAzyme在智能计算领域的应用提供了一个有前景的思路。

微流控芯片(Microfluidic chips)技术是样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析、检测、运算等全过程的技术。该技术的发展为解决传统生化反应中存在的操作过程复杂，所需容器多，样品消耗量大,反应效率低，污染严重等问题提供了有力的技术支撑和平台。为实现微流控芯片的运算或检测功能，驱动和控制芯片内液体的流动成为该技术的关键问题。传统的驱动方式是电渗驱动和压力驱动，前者需要高压电源设备，驱动系统复杂庞大；后者包括两种，一种是利用宏观泵或注射器与微流体管道耦合，这种方法简单、容易实现且成本较低，但不易小型化，另一种则采用微加工制作微泵来提供动力，工艺复杂且造价高。离心力驱动是微流控技术中一种独特的技术，它利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液体的驱动力。由于离心式微流控芯片具有加工方便、驱动简单、不需要额外的泵和阀的特点，能在一块芯片上实现复杂的生化反应过程，因此成为微流控芯片领域的研究与应用热点，将DNAzyme技术与微流控技术相结合用于解决MSC问题是目前重要的研究任务，基于此，本发明设计了一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片及其DNA计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种求解最小集合覆盖问题的微流控芯片，包括加样孔、加样通道、底物液池、反应池组、废液池、出液通道、毛细通道、第一微流体通道以及第二微流体通道，所述加样通道连通加样孔和底物液池，所述第一微流体通道连通底物液池和反应池组，所述毛细通道连通反应池组和废液池，所述第二微流体通道连通废液池和出液通道。

进一步的，所述反应池组包含五个反应池，依次编号a～e。

求解最小集合覆盖问题的微流控芯片的DNA计算方法，包括如下步骤：