Enzimreakciók modellezése Lab-on-a-Chip eszközben

Napjaink egyik legnagyobb orvostechnológiai kihívása olyan műszerek fejlesztése, mely tömegtermelésben előállítható, megbízható, és hordozható. A kutatás egyik ága az úgynevezett Lab-on-a-Chip rendszerek fejlesztése, mely egy- vagy több orvosi laboreredményt képes megadni egyetlen chip segítségével. Egy ilyen eszköz fejlesztésébe kapcsolódunk be az Elektronikus Eszközök Tanszékén.

A kutatás célja egy vérkomponens koncentrációjának meghatározása enzimreakció segítségével kalorimetriás méréssel. A mérési elrendezés egy kb. 300μm átmérőjű csőből áll, melynek felületére előzőleg enzimet vittek fel.

A kis mérettartomány (kb. 100μm csőátmérő) miatt az áramlási környezet megváltozik. Az új áramlási környezetben jellemző lesz az úgynevezett Taylor-áramlás, mely egy olyan kétfázisú áramlás, melyben a fázisok a cső tengelye mentén egymást felváltva, cseppek formájában közlekednek. A cseppek áramlási képe igen bonyolult, de nem turbulens, így lehetőségünk van analitikus és numerikus modellezésükre.

Dolgozatunkban megadunk egy analitikus becslést az konvektív és konduktív anyagtranszport arányát jellemző Nusselt-számra, ezt összehasonlítjuk az irodalmi adatokkal, és az általunk készített numerikus modell eredményével. Az enzimreakció vizsgálatát elvégezzük a széles körben elfogadott Michaelis-Menten modell alapján, a modellt alkalmazzuk heterogén környezetre, és beépítjük az áramlási-profilból eredő konvektív és konduktív anyagáramot. Ezzel a reakciósebességet a cseppen belül axiális irányban is meg tudjuk becsülni.

|Az analitikus megoldás gyakran csak egyszerűsítésekkel, illetve egyszerűbb esetekre alkalmazható. A számítási kapacitás töretlen fejlődése lehetővé tette a numerikus módszerek alkalmazását a fluidika területén, az elmúlt néhány évben az olyan bonyolult esetekben is, mint a kétfázisú Taylor áramlás. Dolgozatunkban az ANSYS Fluent szoftver segítségével modellezzük az anyagtranszportot. Ezt a szoftvert azért választottuk, mert a CFD (Computational fluid dynamics) modellezés egyik rendszerint alkalmazott és jól validált eszköze.

A számítás egyszerűsítése érdekében egy hengerszimmetrikus elrendezést modellezünk, egy explicit számítási sémával. Ebben az esetben az iterációk közti időközöket a Courant-Friedrichs-Lewy feltétel korlátozza. Az egyes iterációkat pedig direkt, azaz nem iteratív módon számoljuk. A készített numerikus modelltől azt várjuk, hogy kvalitatíve megegyezzen az analitikus becsléssel, de pontosabb eredményeket adjon.

A használt program lehetőségeit kiaknázva, a numerikus modell bővítéseként kezelhetjük a heterogén reakciót is, ezzel a numerikus modell lefedi a teljes problémakört.

szerzők

• 
  Németh Márton Dr.
  fizikus
  nappali
• 
  Drozdy András
  villamosmérnöki
  nappali

konzulens

• 
  Dr. Ender Ferenc
  Egyetemi Docens, Elektronikus Eszközök Tanszék

helyezés