微流控芯片中ELISA检测的数值模拟研究

ELISA is the most popular immunoassay technology. The thermoelectric ELISA test in a microfluidic chip is a rapid, accurate, low cost and easy-to-use method that is developed from traditional ELISA. In order to achieve the best test result, repeated experiments are needed to optimize the parameters of the microfluidic chip and the concentration of reagents, which is expensive. Accurate numerical simulation can save the time and expense of the experiments. This project takes quantification of the concentration of urinary levels of 8-OHdG in amyloid precursor protein transgenic mice as an example to propose a 3D mathematical model for the ELISA test, which includes the convection diffusion of solutions in microfluidic channel, the glucose oxidase reaction on the reaction zone of chip and the heat diffusion in the microfluidic device, these three processes happen at the same time and influence each other. The model is then solved numerically, the parameters and indexes that affect the detection results are analyzed accordingly. This numerical simulation gives a comprehensive and deep understanding of the immunoassay and heat diffusion processes in a microfluidic chip, which provides theoretical prediction and scientific basis for the optimization and control of ELISA test.

酶联免疫吸附试验（ELISA）是目前应用最广泛而且发展最快的一种免疫测定技术。基于微流控芯片的热电ELISA检测法是在传统ELISA法的基础上发展起来的一种快速、准确、费用低并且便于广泛应用的免疫检测法。为了使检测达到最佳效果，需要对微流控芯片的参数和试剂的浓度进行反复实验，消耗非常大。而准确的数值模拟可以节省实验所需的时间和费用。本项目以淀粉样前体蛋白转基因小鼠尿样中的8-OHdG浓度检测为例，研究ELISA实验中溶液在微通道中的对流扩散、芯片反应区域上葡萄糖的氧化酶反应和热量在微流控装置中的扩散这三个同时进行又相互影响的过程，建立三维数学模型并进行数值模拟，进而分析各项参数及指标对检测结果的影响。通过数值模拟，可以对微流控芯片中的免疫检测和热量扩散过程有一个更全面深入的了解，为ELISA检测的优化与控制提供理论预测与科学依据。

基于热电微流控芯片的酶联免疫吸附（ELISA）检测是将锑铋薄膜热电堆植入微流控芯片，用以测量底物与酶联抗体反应所释放的热量，从而进行免疫定量检测的方法，为了提高检测效率和准确率，需要进行反复实验，消耗非常大。而准确的数值模拟可以节省实验所需的材料、时间和费用。本项目针对溶液在芯片中的对流扩散、局部区域上的抗原抗体反应和装置中的热量扩散过程，对带有局部反应界面的扩散方程、热量在不同子区域内传播的椭圆抛物方程、反应物浓度随时间变化的扩散方程以及变系数波动方程进行了数值模拟，并用大量实例验证了方法的精度、收敛性和稳定性。此外，针对微流控芯片是长方体薄片且存在多个界面，微通道的长、宽、高的尺寸差别很大，解易出现震荡的问题，提出了自适应网格细化方法和基于长方形网格的双线性Petrov-Galerkin有限元方法。通过以上研究，能够对检测的基本物理和化学过程有一个更全面深入的理解，为试验的设计和优化提供理论依据和指导。