TeI. Modellierung, Dimensionierung und Optimierung des Mikrofluidikdesigns für Proteinchips zum Nachweis geringster Konzentrationen

Transkript

1 Modllirung, Dimnsionirung und Optimirung ds Mikrofluidikdsigns für Protinchips zum Nachwis gringstr Konzntrationn Frank Sonntag, Udo Klotzbach nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik D Drsdn Stfan Voglsang, Rainr G. Spallk D Drsdn {voglsang nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 1/19

2 nhalt Aufgabnstllung Snsor und Mikrofluidik Ralisirung Ergbniss und Ausblick nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 2/19

3 Aufgabnstllung Biomdizintchnisch Aufgabnstllung Zil: Problm: Vorausstzung: Aufgab: Nachwis gringstr Konzntrationn. Für indutigs Signal muss wsntlichr il dr nachzuwisndn Molkül gbundn wrdn. Ausgklüglts Mikrofluidiksystm. Entwicklungs- und Simulationswrkzug. nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 3/19

4 Snsor und Mikrofluidik Snsor Snsorfläch: 11mm x 3mm 50 Mssflächn Mssfläch: 0.1mm x 3mm Abstand: 0.1mm nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 4/19

5 Snsor und Mikrofluidik Pictogramm dr Anströmungsvariantn Vrbssrung dr Ausbut durch mäandrirnd Übrströmung. Kin Kontakt zwischn Snsor und Mikrofluidiksystm. Sturung dr Strömung durch dfinirt Widrständ. nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 5/19

6 Snsor und Mikrofluidik Modll und Mthod Strömungsvktor Brownsch Molkularbwgung/ Winr Prozss Dtktionsgbit nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 6/19

7 Snsor und Mikrofluidik Workflow 3D Konstruktion, Vrntzung und Brchnung von Gschwindigkits und mpraturfld CFD Softwar Flunt Gomtridatn Matrialparamtr Druckgradintn Export und Aufbritung dr Flunt Datn, Simulation Protin ilchnbwgung sowi ntrfackomponnt C / C++ Programm Diffusionskoffizintn Konzntrationn Bindungskonstantn Snsormpfindlichkit Massnbladungsändrung und Konzntrationsvrtilung auf dn inzlnn Mssflächn Abschätzung Msssignal, Aussag ob Nachwis möglich Zit für Probndurchlauf, bnötigt Msszit nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 7/19

8 Snsor und Mikrofluidik Gschwindigkitprofil ins Mandrs Flunt R 6.0 Export von mpraturund Gschwindigkitsfld durch Usr Dfind Function (UDF) 1 CPU 3 GB RAM Y Z X Colord by Particl d Dc 09, 2005 FLUEN 6.0 (3d, sgrgatd, lam) nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 8/19

9 3 Elmntar Komponntn : 1. Zufallsprozss Winr Prozss Ralisirung Mathmatisch Grundlagn 2. Brchnung dr rsultirndn Gschwindigkitn im Kanal 3. Bstimmung dr rfolgrich dtktirtn Protin Schnittflächnproblm Z [µm] stochastischr Prozss unabhängig Zuwächs stationär und normalvrtilt hat sttig Pfad X [µm] Y [µm] 45 nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 9/19

10 Volumnvrhältnisss zwischn Dtktionsraum und Kanal 1:5000 2D-Eintilung 4-Bit-Brichscod 3D : 6bit Y Ralisirung Cohn & Suthrland X P 1 P 2 in Lini, dann gilt bi inr bitwisn Vrknüpfung: 1. cod(p 1 ) AND cod(p 2 ) 0 P 1 P 2 kompltt außrhalb ds Schnittfnstrs. 2. cod(p 1 ) OR cod(p 2 ) 0 P 1 P 2 kompltt innrhalb ds Schnittfnstrs. n dn übrign Fälln wird mit inr Fnstrkant gschnittn und dr st mit dr vrkürztn Lini rnut nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 10/19

11 Ralisirung Optimirungn Untrstützung von Singl-CPU-Optimirungsmthodn ndxnormalisirung Cach-Alignmnt Loop-Unrooling Spzialisirung auf ntl Prozssortchnologin Mont Carlo Mthodn Paralllisirung mit MP auf SG Altix 3700 Bx2 (SHMEM in Arbit) 192 Prozssorn ntl tanium, 1.5 GHz 3 GFlop/s Pak-Prformanc pro Prozssor 768 GB Hauptspichr SuSE Linux Entrpris Srvr 9 mit SG ProPack 4 Batchsystm LSF imingprformancanalys mit PAP nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 11/19

12 Ergbniss und Ausblick Ergbniss Anzahl gbundnr Protin [Stk.] Anzahl gbundnr Protin [Stk.] mittlr Strömunsgschwindigkit [mm/s] Kanalhöh [µm] Vrglich dr Simulationsrgbniss für infach Gomtrin mit analytischr Lösung Simulation dr mäandrirndn Übrströmung größr Ausbut nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 12/19

13 Ergbniss und Ausblick Ausblick Hrstllung ins Prototypn mit nur Mikrofluidik Erprobung Dsign, Simulation und Optimirung witr Mikrofluidiksystm nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 13/19

14 Anhang Mssgrätprototyp nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 14/19

15 Anhang Mssgrätprototyp nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 15/19

16 Anhang Mssgrätprototyp nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 16/19

17 Anhang Anzahl gbundnr Protin [Stk.] mittlr Strömunsgschwindigkit [mm/s] nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 17/19

18 Ergbniss Anzahl gbundnr Protin [Stk.] Kanalhöh [µm] nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 18/19

19 Programmirsprach C/C++ Untrstützt Zufallsgnratorn: MCG31m1 R250 MRG32k3a MCG59 WichmannHill SOBOL NEDERREER Ergbniss untrstützt Programmparamtr Divrs Vrtilungsfunktionn: Glich-, Gauss-, Exponntial-, Laplac-, Wibull-, Cauchy-, Rayligh-, LogNormal-, Gumbl-, Brnoulli-, Gomtrisch-Vrtilung nstitut für Wrkstoff- und Strahltchnik Foli 19/19