Пермские ученые рассчитали, когда компактный ПЦР-тест начинает терять эффективность

Ученые Пермского Политеха создали математическую модель для разработки компактных устройств, которые смогут проводить ПЦР-диагностику не только в лабораториях, но и в медицинских учреждениях. Она помогает заранее рассчитать, как долго прибор будет работать без снижения эффективности, рассказали в администрации Перми.

ПЦР применяют для выявления инфекционных заболеваний, генетических исследований и судебно-медицинских экспертиз. Обычно оборудование последовательно нагревает и охлаждает образец, а в компактных устройствах жидкость с генетическим материалом может самостоятельно перемещаться между зонами с разной температурой. Такой подход называют конвекционной ПЦР.

При этом накопление молекул ДНК может замедлять циркуляцию раствора. Исследователи впервые рассмотрели их не как часть обычной жидкости, а как отдельные частицы со своей массой и плотностью. Это позволяет точнее рассчитывать движение раствора и определять момент, когда копирование генетического материала начинает идти менее эффективно.

Для проверки модели специалисты провели компьютерное моделирование процессов внутри камеры ПЦР. В специальной программе они наблюдали за движением жидкости и тепла примерно 1000 секунд — за это время проходит несколько десятков циклов копирования, достаточных для получения количества ДНК, доступного для регистрации. Расчеты показали, что примерно через 800 секунд накопление молекул начинает замедлять движение жидкости, и часть генетического материала не успевает пройти необходимые температурные зоны.

По словам заведующего кафедрой «Прикладная физика» ПНИПУ, доктора физико-математических наук Дмитрия Брацуна, такой расчет помогает увидеть скрытый предел реакции. Доцент той же кафедры, кандидат физико-математических наук Рамиль Сираев отметил, что модель учитывает ограничения, которые раньше не отражались в расчетах. Результаты исследования опубликованы в журнале «Прикладная механика и техническая физика». Разработка поможет подбирать размеры и форму камеры, температурные режимы и другие параметры будущих приборов, которые в перспективе могут использоваться в медицинских учреждениях и криминалистике.