Modelado y simulación de un chip de microfluídica para ensayos enzimáticos

PABLO A. KLER, CLAUDIO L. A. BERLI, FABIO A. GUARNIERI

Córdoba

Congreso; XVII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2011

Asociación Argentina de Investigación Fisicoquímica

La detección y cuantificación de azúcares mediante ensayos enzimáticos reviste gran importancia en diagnóstico clínico y en control de calidad alimentario. Actualmente estos ensayos están siendo implementados en plataformas microfabricadas conocidas comúnmente como “laboratorios en chips” (LOC), los cuales consisten en una red de microcanales destinados al transporte, mezclado y reacción de sustratos, enzimas y productos [1]. En los dispositivos con control electrocinético, el transporte de fluidos se realiza aplicando diferencias de potencial eléctrico [2]. Para manipular los dispositivos es necesario controlar una serie de fenómenos fisicoquímicos en la microescala, los cuales son difíciles de poner a punto experimentalmente. Por ello, el modelado y la simulación computacional brindan la posibilidad de comprender en profundidad la dinámica de los procesos, permitiendo optimizar parámetros de diseño y operación. El objetivo del trabajo es modelar y simular un proceso analítico enzimático en un LOC. El modelo se basa en las ecuaciones que gobiernan el campo eléctrico (Poisson), la dinámica de los fluidos (Navier-Stokes), el transporte de iones (Nerst-Planck), y las reacciones químicas (Michaelis – Menten para la cinética enzimática). El cálculo numérico se implementa en PETSC-FEM (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation - Finite Elements Method), en un entorno Python, utilizando computo paralelo de alto rendimiento [3]. El ensayo simulado consiste en la detección indirecta de glucosa a través del marcador electroquímico NADH, según el esquema de reacción reportado en [1]. De la simulación se obtienen, por ejemplo, los perfiles de concentración de enzima (hexoquinasa), sustrato y marcador, como se muestra en al figura, donde los valores corresponden a un tiempo de ensayo de 35 s. El modelo matemático y la simulación computacional propuestos permiten representar de manera adecuada la dinámica del ensayo enzimático, permitiendo la optimización de los parámetros de operación, con el consecuente aumento en el rendimiento analítico del dispositivo. 1. Y.T. Atalay, P. Verboven, S. Vermeir, N. Vergauwe, B. Nicolai, J. Lammertyn, Microfluid Nanofluid 7 (2009) 393. 2. C.L.A. Berli. Colloids Surf. A: Physicochemical Eng. Aspects 301 (2007) 271. 3. P.A. Kler, C.L.A. Berli, F.A. Guarnieri. Microfluid Nanofluid, 10 (2011) 187.