Создана модель для разработки компактных и быстрых ПЦР-тестов
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали математическую модель, которая позволит заменить громоздкое лабораторное ПЦР-оборудование на портативные тесты с четко определенными временными рамками эффективной работы. Об этом сообщает ТАСС.
ПЦР-тесты находят широкое применение: от диагностики инфекционных заболеваний до установления отцовства. Разработчики стремятся сделать их более быстрыми и компактными, чтобы использовать не только в лабораториях, но и в больницах и на местах происшествий. Однако существующие устройства часто создаются экспериментально, что затрудняет их применение в реальной практике. Новая математическая модель, разработанная учеными ПНИПУ, позволяет заранее оценить, сколько тест проработает без сбоев, и повысить точность диагностики.
ПЦР, или полимеразная цепная реакция, используется для выявления инфекционных заболеваний, генетических предрасположенностей и в криминалистике. Для определения наличия возбудителей заболеваний необходимо размножить ДНК, что требует специального оборудования, такого как термоциклер. Однако этот прибор громоздок, дорог и требует стабильного электропитания.
Существуют также конвекционные ПЦР, которые используют маленькие камеры с раствором, где жидкость циркулирует за счет температурных различий. Молекулы ДНК движутся вместе с потоком, проходя через зоны нагрева и охлаждения. Это позволяет создать компактные и недорогие устройства, но для понимания поведения раствора и молекул необходимы математические модели. Большинство существующих моделей не учитывают, что при размножении частиц их количество становится настолько большим, что раствор начинает вести себя непредсказуемо.
Новая модель учитывает накопление тяжелых молекул ДНК и их влияние на движение жидкости, что позволяет заранее оценить, сколько времени устройство будет работать без сбоев и повысить точность диагностики. Инженеры могут задавать форму и размеры камеры, свойства раствора и температуру, а модель покажет, сколько именно устройство сможет функционировать без сбоев.
Тестирование проводилось в специальной программе, которая воспроизводит движение жидкости и тепла в камере ПЦР. Исследование показало, что спустя примерно 800 секунд молекулы начинают замедлять движение жидкости, что влияет на эффективность работы устройства.
Уникальность исследования заключается в том, что конвекционная ПЦР описывается не как однородная жидкость, а как система с молекулами ДНК, обладающими массой и плотностью. Это позволяет увидеть, что реакция не может продолжаться бесконечно с одинаковой скоростью, и у нее есть скрытый предел. Новое решение открывает возможности для создания быстрых и компактных систем диагностики, которые могут быть использованы в медицине и криминалистике.
