Мікро- та наносенсори / завдання до практик - осінь 2018
.pdf1. Час відгуку біосенсора. Використання інструменту
BioSensorLab платформи NanoHUB
Завдання. Необхідно розробити циліндричний сенсор на основі нанодроту радіусом 50 нм з метою захоплення 20 пар (комплементарних пар основ) ДНК. Сенсор працює стабільно у рідинному середовищі до 104 с (біля 3 годин). Вимірювання поза цим часом неприйнятні. Параметри спряження з поверхнею точно невідомі, але нехай kF та kR приймають типові значення kF = 3·106 M-1с- 1 та kR = 1 с-1. (Всі концентрації аналіту дані в молях, поверхнева концентрація в см-2.) Тестову рідину об’ємом 6 см3 капають піпеткою на сенсор, тобто неперервного зовнішнього потоку немає. Знайдіть межу чутливості (мінімальну концентрацію аналіту) такого біосенсора за умови, що сенсор працює стабільно до 3 годин.
Вказівки:
1.На вкладці "Device parameter of Sensor" оберіть тип сенсору
“Cylindrical nanowire Biosensor” та встановіть радіус нанодроту 50 нм
(5·10-6 см). Значення довжини, товщини оксиду та концентрації домішок залиште за замовчуванням. Запишіть ці значення, щоб до них звертатись пізніше.
2.На вкладці "Biological parameters" задайте тип аналіту ДНК
("Analyte Type"). Встановіть kF = 3·106 /(M·s) та kR = 1/s як зазначено в умові. В розділі "Parameter of DNA" задайте довжину ланцюгу ДНК рівною 20 комплементарним парам.
3.На вкладці "Ambient Condition" задайте температуру середовища 300 К.
4.Перейдіть до наступного кроку "Type of simulation". В даній задачі нас цікавить час відгуку, тому встановіть перемикач "settling time" в положення "yes". Інші параметри залишіть за замовчуванням.
5.Запустіть обчислення кнопкою "Simulate".
6.Знайдіть межу чутливості біосенсора за отриманими графіками.
2. Обчислення відгуку pH. Використання інструменту
BioSensorLab платформи NanoHUB
Завдання. Необхідно дослідити чутливість потенціометричного нанобіосенсора у відповідь на зміну pH в рідинному середовищі. Нехай рівень pH змінюється з 3 до 7. Наскільки при цьому зміниться поверхневий потенціал?
Вказівки.
1.На вкладці "Device parameter of Sensor" оберіть опцію “Cylindrical nanowire Biosensor”. Значення довжини, ширини, товщини оксиду та концентрації домішок залиште за замовчуванням. Запишіть ці значення, щоб до них звертатись пізніше.
2.Оскільки в цьому завданні важливо розглянути лише вплив pH, то всі параметри вкладки "Biological parameters" залиште за замовчуванням.
3.На вкладці "Ambient Condition" задайте температуру середовища 300 К.
4.Перейдіть до наступного кроку "Type of simulation". В даній задачі нас цікавить чутливість біосенсорів, тому встановіть перемикач "Sensitivity”" в положення "yes". Інші параметри залишіть за замовчуванням.
5.Запустіть обчислення кнопкою "Simulate".
3. Лінійний сенсор типу кантилевер. Використання інструменту MEMSLab платформи NanoHUB
Завдання. За допомогою інструменту MEMSLab необхідно обчислити резонансну частоту кантилеверної MEMS-структури та дослідити, який вплив чинить збільшення маси та жорсткості на резонансну частоту.
Розгляньте кантилевер з такими властивостями: L = 3 мкм, W = 1 мкм, товщина 40 нм, модуль Юнга 200 ГПа, коефіцієнт Пуасона 0.31, густина 2000 кг/м3. Повітряний зазор 100 нм. На нижній електрод нанесено 10 нм ізолятору для запобігання короткого замикання (але на подальші обчислення це не впливає). Як тільки біомолекула потрапляє на поверхню, змінюється резонансна частота кантилевера. При цьому вважаємо, що товщина мембрани не змінюється, а маса змінюється на 5%. Визначте зміни у резонансній частоті, аналізуючи відгук кантилевера до і після захоплення молекули.
Вказівки.
1. Введіть такі вхідні дані для моделювання:
2.Запустіть обчислення кнопкою "Simulate".
3.Спостерігаємо затухаючі коливання та встановлення стаціонарного стану. Частота коливань відповідає дійсній частоті коливань кантилевера при заданій напрузі зміщення. Визначте резонансну частоту.
4.Змінюємо масу кантилевера на 5%. Для цього збільшуємо густину на 5%. Визначте, що відбудеться із резонансною частотою. Поясніть зміни.
4. Просторова селективність біосенсорів. Використання інструменту BioSensorLab платформи NanoHUB
Завдання. Нехай поверхня біосенсора знаходиться в контакті із розчином, який містить досліджувані та паразитні молекули. Потрібно знайти співвідношення сигнал-шум (SNR) в залежності від співвідношення кількості досліджуваних та паразитних молекул. Приймемо, що концентрація паразитних молекул p = 10 мкМ. Потрібно обчислити концентрацію рецепторів N0, яка дає SNR = 100 для трьох різних концентрацій аналіту T = 1 нМ, 1 пМ, 1 фМ. Інші параметри молекул такі:
Вказівки:
1.Задати структуру біосенсора на основі циліндричного нанодроту. Всі параметри залишити за умовчанням.
2.Обрати тип симуляції "селективність". Змінити ті параметри, що задані в умові.
3.Обчислити SNR для розмірів паразитних молекул від 3·10-7 см до 1·10-7 см. Поясніть поведінку SNR зміню як функції розміру паразитних молекул.