Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
8
Добавлен:
19.06.2020
Размер:
1.12 Mб
Скачать

Principles of Electronic Nanobiosensors

Unit 2: Settling Time

Lecture 2.7: Beating the Diffusion Limit:

Enhanced Diffusion and Fluid Flow

By Muhammad A. Alam

Professor of Electrical and Computer Engineering Purdue University

alam@purdue.edu

1

Outline

•  Diffusion in multiple dimensions

•  Sensor in flow channel: theory

•  Sensor in flow channel: characteristics

•  Conclusion

Alam, Principles of Nanobiosensors, 2013

2

dimensions

ρ3

I3

I

LA

3

 

 

I1

I3 CD,ss(ρ3

ρ0 )

 

 

I3 = I1

 

 

I =−4π D (×a1

r 1 )1

ρ

 

 

 

 

I

3

(ρ3 ρ1 )

3

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

Isphere

= 4π D3aρ3

 

 

I

 

(ρ ρ

0

)

 

 

 

 

 

1

1

3

in

ρ1 )

I

 

 

LA

J (x)dx

 

 

I

 

 

 

 

 

LA

1

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π a

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=− LA (D x) (ρ ρ

)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

1 0

 

I3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I C

 

(ρ ρ

 

)

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ0

2,1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alam, Principles of Nanobiosensors, 2013

Fast di usion in mul7ple dimensions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T. Hu And Shklovkii, 2006

I3 =−C3,2 (ρ3

ρ1 )

 

 

 

 

Richer and M. Eigen, Biophys. Chem. 2, 255, 1974

 

 

 

 

Berg,Winter, von Hippel, Biochemistry, 20,6929, 1981

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1 C2,1 (ρ1 ρ0 )

I1 = I3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = C ρ =

C2,1C3,2

ρ

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

C2,1

+ C3,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C3,2 ρ3

D1 ? D3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

2π D L

ρ

 

Isphere

 

L

A

1

 

L

A

 

Isphere

=

3

A ×3

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

ln(r a)

a

 

ln(r a)

2

 

 

 

 

 

 

Catches like a cylinder, but integrates to a point (LA~micron, a~10s nm)

Alam, Principles of Nanobiosensors, 2013

5

Aside: Inspira7ons

Looking for a target

Looking for a lost

on a DNA

child in a city

Alam, Principles of Nanobiosensors, 2013

6

Outline

•  Diffusion in multiple dimensions

•  Sensor in flow channel: theory

•  Sensor in flow channel: characteristics

•  Conclusion

Alam, Principles of Nanobiosensors,

7

2013

 

in

Top view

Side view

W

Alam, Principles of Nanobiosensors, 2013

Total flux to a disk with fluid flow

the balance between convective and diffusive

P =

6Q a 2

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

4 − 0

 

P3

 

 

 

 

 

e

 

 

 

1− 0

 

Pe

I = ρ0aD

 

 

 

 

 

 

 

3.55

 

 

2.157

P +

 

 

 

 

 

 

e

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

for

depletion

w

 

zone

 

Flow volume

<1

>1

Will see how this comes about?

9

*W. Zhang et al. J. Phys. Chem. 100 (1996) 9462

 

I =+ρ+aD

 

P

3.55

 

2.157 3

 

 

 

 

 

0

 

e

6

P

 

 

 

 

 

e

 

I

Is

 

I =−

 

 

Is =−4

δ )1 )1

ISmax = 4Dρ0

 

 

 

 

= 4

δ

 

IS

=

a + δ

= 1

+

 

a

 

 

 

IS ,max

δ

δ

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в папке Мікро- та наносенсори