[論文レビュー] Algorithms for Producing Linear Dilution Gradient with Digital Microfluidics

Sukanta Bhattacharjee, Ansuman Banerjee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2013

Electrowetting and Microfluidic Technologies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、最小限の廃棄物と最適化されたミックス・スプリット操作を実現する、デジタルマイクロフルイディクス（DMF）バイオチップ上での任意の線形希釈勾配生成のための新規アルゴリズムを提示する。階層的ミックス・スプリット戦略と境界濃度エンジンを活用することで、$2^{k}+1$ 形式の勾配サイズに対してゼロまたはほぼゼロの廃棄物ドロップレットを達成し、従来の手法と比較して試薬消費量を顕著に削減しながらも、高い濃度精度を維持する。

ABSTRACT

Digital microfluidic (DMF) biochips are now being extensively used to automate several biochemical laboratory protocols such as clinical analysis, point-of-care diagnostics, and polymerase chain reaction (PCR). In many biological assays, e.g., in bacterial susceptibility tests, samples and reagents are required in multiple concentration (or dilution) factors, satisfying certain "gradient" patterns such as linear, exponential, or parabolic. Dilution gradients are usually prepared with continuous-flow microfluidic devices; however, they suffer from inflexibility, non-programmability, and from large requirement of costly stock solutions. DMF biochips, on the other hand, are shown to produce, more efficiently, a set of random dilution factors. However, all existing algorithms fail to optimize the cost or performance when a certain gradient pattern is required. In this work, we present an algorithm to generate any arbitrary linear gradient, on-chip, with minimum wastage, while satisfying a required accuracy in the concentration factor. We present new theoretical results on the number of mix-split operations and waste computation, and prove an upper bound on the storage requirement. The corresponding layout design of the biochip is also proposed. Simulation results on different linear gradients show a significant improvement in sample cost over three earlier algorithms used for the generation of multiple concentrations.

研究の動機と目的

• DMFバイオチップ上での効率的でプログラマブルかつ低廃棄物の線形希釈勾配生成手法の不足に対処すること。
• 生化学的アッセイにおける目的の濃度精度を維持しつつ、反応物の消費量と廃棄物の生成を最小限に抑えること。
• レイアウト最適化された、最小限のハードウェアオーバーヘッドで動作する、チップ上での任意の線形勾配をサポートするソリューションを設計すること。
• ミックス・スプリット操作と廃棄物ドロップレット生成の両面で、既存のアルゴリズムを上回る性能を達成すること。

提案手法

• アルゴリズムは、$n$-ビットの2進分数で表される濃度係数を持つ、階層的ミックス・スプリットアプローチを用いる。
• 2つの希釈エンジンを用いて、並列に境界濃度係数（例：0% および 100%）を生成し、各エンジンあたり $n-1$ 個のストレージドロップレットを用いることでスループットを向上させる。
• コアの勾配生成には、1つの（1:1）ミックス・スプリットモジュールと $2k$ 個のストレージセルを用い、$2^{k+1}+1$ 個の目的の濃度係数を生成する。
• $n$-ビットの精度を用いることで、濃度係数が最大 $\frac{1}{2^{n+1}}$ の誤差内で近似されることを保証する。
• リソースの効率的利用と全体の実行時間の短縮を図るため、スケジューリングアルゴリズムを適用する。
• レイアウト設計では、勾配生成装置と希釈エンジンを1チップ上に統合し、合計 $2(n+k-1)$ 個の電極をストレージに要する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMFバイオチップ上での任意の線形希釈勾配を生成するためのプログラマブルで低廃棄物の手法を開発可能か？
• RQ2 所定の濃度精度を維持しつつ、ミックス・スプリット操作と廃棄物ドロップレットを最小限に抑える方法は何か？
• RQ3 任意のサイズおよび精度の線形勾配を生成するためのストレージ要件の理論的上限は何か？
• RQ4 ミックス・スプリットステップ数と廃棄物の観点から、既存のアルゴリズムと比較して、本手法の性能とコストはどのように異なるか？

主な発見

• 目的の濃度集合のサイズが $2^{k}+1$ の場合、本手法は勾配生成中に完全に廃棄物ドロップレットを発生させない。これは、従来手法とは対照的である。
• $n=10$（最大誤差 $\leq \frac{1}{2048}$）のシミュレーションにおいて、本手法はMitraらおよびHsiehらの手法と比較して平均廃棄物ドロップレットを最大70%まで削減した。
• 5メンバーの勾配（TS1）では、本手法は24回のミックス・スプリットステップで実現したが、Mitraらは33回、Hsiehらは37回を要した。
• 20メンバーの勾配（TS4）では、本手法は65回のミックス・スプリットステップと10個の廃棄物ドロップレットを要した。これは、Huangら（126ステップ、49個の廃棄物）およびHsiehら（95ステップ、58個の廃棄物）を上回る性能を示した。
• レイアウトは $2(n+k-1)$ 個のストレージ電極を要し、スケーラブルかつコンactなチップ上実装を可能にする。
• 本手法は勾配サイズおよび必要な濃度精度に応じて適応可能であり、柔軟かつプログラマブルなサンプル調製を実現する。