نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز
2 دانشجوی کارشناسی ارشد،گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز
3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز
چکیده
مدل ریاضی دوبعدی میکرو بایوحسگر ساندویچی با لایههای حفرهدار و انتخابی، ارائه و تحلیل شده است. مدل بایوحسگر حاضر شامل حفرههایی در ابعاد میکرو یا نانومتر است، که بهصورت کامل یا بخشی از آنها توسط آنزیم پر شده است. این مدل براساس سیستم معادلات واکنش- نفوذ، ارائه شدهاست. معادلات حاکم بر بایوحسگر ساندویچی حفرهدار با درنظر گرفتن واکنش آنزیمی میکائیلیس- منتن، استخراج شده است و جملات غیرخطی مربوط به این اثر درنظرگرفته شد. با استخراج معادلات حاکم، تأثیر هندسة حفره و سطح آنزیم در آن، بر پاسخ بایوحسگر بررسی شد. در ادامه، معادلات با معرفی پارامترهای بیبعد مناسب در حالت کلی بیبعدشده ارائه شدند. سپس، معادلات حاکم به همراه شرایط مرزی آنها، با استفاده از کد المان محدود در دو بعد حل شد. برای این منظور، سه هندسة متفاوت استوانهایی، مخروطی بالارونده و مخروطی پایینرونده برای حفرهها درنظرگرفته شد و تأثیر این هندسهها بر پاسخگویی بایوحسگر، در سطوح مختلف آنزیم مطالعه شد. پاسخ بایوحسگر، براساس تغییرات سطح آنزیم و تغییرات شیب مخروط استخراج شد. در بایوحسگر، با افزایش سطح آنزیم برای هرسه هندسه، جریان خروجی از بایوحسگر افزایش مییابد. در شرایط یکسان، حساسیت شناسایی آنزیم برای هندسة مخروطی بالارونده، از دو هندسة دیگر بیشتر است و با کاهش شیب مخروط، این حساسیت بیشتر میشود. در خواص آنزیمی یکسان، بایوحسگری با عدد بایوحسگر بزرگتر، حساسیت بیشتری دارد. درنهایت، با ارائه و محاسبة جریان بیبعد در بایوحسگر، مفهومی با عنوان جریان بیبعد کاهیده، برای مقایسه میان کارآیی بایوحسگرها معرفی شد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Modelling of Sandwich-Type Amperometric Micro-Biosensor with Perforated Membrane
نویسندگان [English]
- Aminreza Noghrehabadi 1
- Mohammad Hosein Heidarshenas 2
- Reza Bahoosh 3
1 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Engineering Faculty, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
2 MS.D Student, Department of Mechanical Engineering, Engineering Faculty, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Engineering Faculty, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]
A two-dimensional-in-space mathematical model of amperometric micro biosensors with selective and perforated membranes has been proposed and analyzed. The model involves the geometry of micro or nano meter holes partially or fully filled with an enzyme. The model is based on a system of the reaction-diffusion equations containing a nonlinear term related to the Michaelis-Menten enzymatic reaction. In this study, in order to generate general equation, first, dimensionless parameters are introduced and then by replacing them into governing equation are converted to dimensionless equations.The general equations have been solved numerically in 2D space.. Using numerical simulation of the biosensor action, the influence of the geometry of the holes as well as of the filling level of the enzyme in the holes on the biosensor response was investigated. For this purpose three different geometries including cylindrical, upright circular and downright circular cone for cavities are considered and the impact of these geometries on the response of the biosensor in different levels of enzyme are obtained. Biosensor's respond based on rate of enzyme level variations to slope of the cone variations are determined. In the biosensor, as the level of enzyme rises in all three geometries, the biosensor output current increases. Under the same conditions, the sensitivity of biosensor in upright circular cone is more than the other two geometries and increases with a decrease in conical gradient. As long as the enzymatic properties are the same, the more biosensor's number, the more sensitivity.Moreover, a concept known as reduced dimensionless current is introduced by providing and calculating dimensionless current in the biosensor.
کلیدواژهها [English]
- Modelling
- Simulation
- Biosensor
- Dimensionless reduced current