بخشی از مقاله
چکیده
تاثیر میدان الکتریکی پالسی بر روي میکروارگانیسمها داراي جذابیت بسزایی میباشد. اگرچه تغییرات بیولوژیکی این فرایند چندین سال است که مورد بررسی قرارگرفتهولیاست، تعبیرات فیزیکی این مساله بهطور کامل مفهومقاله نمیباشد. در این به بررسی دینامیک میدان الکتریکی در برخورد با یک میکروارگانیسم استوانهاي شکل میپردازیم که این پروسه را در سه فاز جداگانه خواهیم دید و سپس شبیهسازي آن را انجام میدهیم.
مقدمه
در زندگی روزمرهي امروزي نیاز به تکنولوژي براي کاهش دما به منظور غیرفعالسازي میکروارگانیسمها و میکروبها افزایش یافته است. یکی از روشهاي مورد استفاده براي ایناز منظور، استفاده پالسهایی با ولتاژهاي مشخص میباشد که بهوسیلهي آن میدان الکتریکی پالسی به وجود میآید.[1] در این مقاله نوع خاصی از این روش را که در آن یک سیستمی متشکل از الکترودهاي فلزي که یکی در سمت راست و دیگري در سمت چپ قرارگرفته است، و میکروارگانیسم در میان این الکترودها، درون محلولی با گذردهی و رسانندگی مشخص تعلیق یافتهو مورد بررسی قرار میگیرد. ابتدا میدان الکتریکی به وجودمتفاوتآمدهرا در بازههاي زمانی بهصورت تحلیلی محاسبه کرده و سپس سیستم شبیهسازي این انجام داده میشود.
بررسی تحلیلی سیستم مساله :
سیستمی داریم که شامل دو الکترود موازي با گذردهی الکتریکی بسیار بالا، به ضخامت مشخص میباشد. یکی از این الکترودها متصل به یک پتانسیل U و الکترود دیگر به زمین متصل میباشد. ناحیهي بین این دو الکترود را ناحیهي کار مینامیم . همچنین شکل میکروارگانیسم مورد بررسی مساله به صورت زیر میباشد. براي بررسی مساله ابتدا میبایست میدان الکتریکی حاصله از اختلاف پتانسیلبیابیمایجادشده را . با استفاده از شرایط مرزي موجود در مساله میتوان این میدان را یافت:
که در آن زمان مشخصهي میدان نیز لحاظتغییراتشدهاست. میدان الکتریکی بر روي غشاي میکروارگانیسمابتداییرااز لحظه اعمال اختلاف پتانسیل به 3 قسمت جداگانه میتوان تقسیم کرد. فاز اول: مدت زمان بسیار کوتاهی پس از اعمال پتانسیل، فرایند پلاریزاسیون در غشاي سلولی رخ میدهدار.در این بازه زمانی بسی کوتاه تمامی قسمتهاي سلول - سیتوپلاسم، غشا - بهصورت ديالکتریک رفتار میکنند، مدتزمان این فاز بسیار کوتاه است. با استفاده از شرایط مرزي و حل معادلهي لاپلاس در مختصات استوانهاي، میدان بهصورت زیر بدست میآید:
فاز دوم: در این فاز ، جدارهي درونی میان سیتوپلاسم و غشا زودتر باردار میشود و بارهاي آزاد بر روي این سطح قرار می-گیرد، مدت زمان این فاز به میزان اختلاف رسانندگی میان سیتوپلاسم و مایع خارجی وابسته میباشد. میدان الکتریکی غشا در انتهاي این فاز بر روي قطبها نیز به صورت زیر میباشد:
فاز سوم: در این مرحله، انباشتگی بارهاي آزاد بر روي جداره خارجی غشا، رخ میدهد. در این مرحله انباشتگی بارها به بیشینهي مقدار ممکن خود میرسد و درنتیجه بیشینه میدان الکتریکی در این مرحله به وجود میآید، مدت زمان این مرحله به زمان مشخصهي میدان الکتریکی اعمالی بستگی دارد. این زمان مشخصه تابعی از
رسانندگی مایعی که میکروارگانیسم در آن معلق است و ديالکتریکهایی که بر روي الکترودها لایه نشانی شده است می-باشد. پتانسیل الکتریکی در این فاز با استفاده از شرایط موجود در مساله به صورت زیر می باشد: حال براي بررسی تاثیر این میدان الکتریکی به وجود آمده به روي این میکروارگانیسم، شبیهسازي این میکروارگانیسم را انجام میدهیم.
روش مدلسازي
در این مقاله روش شبیهسازي را بکار میبریم که مبتنی بر هندسه مسئله است. در این روش که بهعنوان مدل شبکه مطرحانتقالی میشود، اجازه داده میشود تا مدلهاي متعدد فعال و غیرفعال براي ایجاد سیستمی با ویژگیهاي واقعگرابهمیانه بهطور فزاینده بپیوندند.[2 , 1] این روش درجایی که مدل مدار معادل براي تحلیل زنجیرهاي از سلولهاي متصل توسط استفاده از مدارهاي نسبتا ساده مدنظر است، توصیف میشود.[3] مایعهاي داخل و خارج سلول توسط چهار مدل انتقالی مشابه ارائه میشوند، M e1 و M e 2 ، که به گره وسط متصلاند. هر یک از این مدلها با یک مقاومت و خازن که به طور موازي بهم متصل شدهاند، ارائه شدند ، Re1 , R e 2 , Ce1 , C e 2 که متعلقزیرنویس 1 به مایع خارج سلول و زیرنویس 2 براي مایع داخل - سیتوپلاسم - نمادگذاري میشود.
فاصلهي میان قطعات شبکه انتقالی را نیز l ، در نظر میگیریم. این مدل براي غشا سلولی که در فصل مشترك سیال ها قرار دارد و در واقع داراي سه مرز، سیال1 و یک سمت از غشا و سیال2 در سمت دیگر غشا است، بهصورت M e 1+m +e 2 ارائه میشود. دراین مدل مقاومت و خازن غشا تلفیقی از دو سیال دیگر هستند و براي طول هاي خیلی بزرگتر نسبت به ضخامت غشا این عناصر به حالت ترکیب موازي، 2,2Ce 2 2, 2C e 1 , Re 2 / Re1 / تقریب زده میشوند. براي محاسبه این مقادیر مقاومت و خازن نیز میتوان از روابط مرسوم استفاده کرد. - شکل - 3 همانطور که در شکل نشان داده شدهاست، روش شبکه انتقالی که ساختار مدل آن متشکل از سیالها و غشا سلولی است، با یک توزیع وسیع مدارهاي الکتریکی ارائه میشود و میتواند جایگزینی براي تحلیل توزیع فضایی بارانتقال باشد.[1]،[5 ,4]
الکترودهاي ایدهآل نیز در مرزهاي طرفین براي تولید میدان اعمالی Eapp قرار میگیرند. Eapp توسط تعیین گرههاي خود، پتانسیل مشترکی را ایجاد میکند. ولتاژ نیزمقداریک ولتاژ پالسی است که آن برابر با 1V است. پتانسیل میان غشایی، U m ، در هرجایی متناسب استبا در اینجا حل هاي فرکانسی و زمانی توسط نرمافزار شبیهسازي مدار بر پایه قوانین کیرشهف براي بررسی مدل شبکهي انتقالی در سلول استوانهاي با ابعاد شبکهي 29*29 گره، محصور میان صفحات الکترودهاي همانند مشاهده خواهد شد. در این راستا از نرمافزار شبیهساز پی اسپایس و همچنین نرمافزار متلب، براي ایجاد فایل ورودي اسپایس، استفاده میشود. همچنین از متلب براي محاسبه ولتاژهاي میانغشایی نیز میتوان استفاده کرد.
تحلیل فرکانسی
در بررسی پاسخ به حوزه فرکانسی ابتدا فاکتوريتقویترابه عنوان میدان غشایی بدست آمده، تعریف نموده و نمودارهاي وابستگی فرکانسی اندازه و فاز میدان غشایی در قطب سلول مشاهده میشود. همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود، بزرگی میدان تا حدود KV 6،2 رشد میکند و تا فرکانس حدود 10 KHz میدان در حداکثر مقدار خود قرار دارد. این میدان بزرگ بدست آمده ناشی از تقسیم ولتاژ رسانش حاکم، به علت امپدانس بالاي غشا است. با افزایش فرکانس، جابجایی جریان در میان غشا نسبت به جریان رسانش افزایش مییابد و باعث کاهش میدان بدست آمده میشود. در حدود 1 MHz این میدان، به وضع ثابتی میرسد. فرکانس بالاي وضع ثابت بدست آمده متناسب با نسبت ثابت ديالکتریک سیال خارجی و غشا است. این فرکانس بالاي وضع ثابت در دامنهي میدان بدست آمده در مرحلهي رشد میدان به سمت صفر تا حدود بیش از 1 MHz منعکس میشود.قطب، گذار میان میدان بزرگ بدست آمده و وضع ثابت در حدود 100 KHz است، این فرکانس گذرا وابسته به نسبت رسانش
