بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر استفاده از بیوسنسورهای برپایه میکروکانال مرتعش، کاربرد گستردهای در زمینههای بیولوژیکی و شیمیایی داشته است. در این مقاله سعی شدهاست با استفاده از استراتژی تکاملی، ابعاد هندسی میکروتیر و میکروکانال جهت افزایش حساسیت بهینه گردند تا بیوسنسوری با حساسیت بالاتر طراحی شود. میکروکانال تیر مرتعش با استفاده از مدل تیر گسسته و با فرض تیر اویلر-برنولی شبیهسازی شد و نتایج بدست آمده دقتی نزدیک به %95 در مقایسه با نتایج تجربی دارند. بیوسنسور اولیه دارای حساسیت ×Hz/ - kg/m3 - ًٌُ میباشد. با بهینه-سازی و اعمال محدودیتهای طراحی، بیوسنسوری با حساسیت 2/4 برابر حساسیت وسیله اولیه بدست آمد. با انجام بهینهسازی بدون در نظر گرفتن محدودیتها، بیوسنسوری با حساسیت 11/3 برابر مقدار اولیه، طراحی گردید.
1. مقدمه
با پیشرفت علم در زمینه های MEMS و NEMS استفاده از بیوسنسورهای در ابعاد میکرو، نانو و حتی کوچکتر برای سنجش پارامترهای ریز گسترش یافته است. بیوسنسور سیستمی دقیق و کامل، و ترکیبی از یک بخش بیولوژیکی جهت ایجاد سیگنال و یک بخش فیزیکی به منظور آنالیز و تحلیل سیگنال میباشد.[1 ] قسمتی که سیگنال ورودی را جهت بازخوانی به سیگنال کارآمد تبدیل میکند مبدلٌ نام دارد که بیوسنسورها بر این اساس به سه دسته نوری، الکتریکی و مکانیکی تقسیم می شوند .[2]
عضو اصلی اغلب بیوسنسورهای مکانیکی یک میکروتیریکسرگیردار است که میتواند در مود استاتیکی، با تشخیص خیز میکروتیر و یا مود دینامیکی، با محاسبه فرکانسهای طبیعی استفاده گردد که مرسومترین روش برای انجام این کار استفاده از لیزر است. روش خازنی نیز روشی دقیق است که میکروتیر به صورت الکترواستاتیکی تحریک میگردد .[3-4] همچنین استفاده از پیزوالکتریک برای تحریک و سنجش همزمان میکروتیر از دیگر روش های تشخیص فرکانسهای طبیعی است که روشی مقرون به صرفه است .[5-7]
نوع خاصی از بیوسنسورهای میکرومکانیکی میکروتیردار، بیوسنسورهای میکروکانال معلق مرتعشٍ - SMR - هستند .[2,8-9] در داخل میکروتیر یک میکروکانال حفر شده است و سیال درون آنها جریان دارد. SMR های ساخته شده شامل تحریک الکترواستاتیکی و سنجش لیزری هستند و کاربرد گستردهای در شناسایی بیومولکولها و سلولها دارند. نحوه کارکرد این نوع بیوسنسورها دو نوع است:
الف - برقراری پیوند بین بیومولکولهای هدفَ موجود در سیال و گیرندهُ های بر روی دیواره میکروکانال که باعث افزایش جرم میکروتیر و کاهش فرکانس طبیعی سیستم میگردد - شکل. - 1
ب - حرکت بیومولکولها به صورت تودهای و وابسته بودن فرکانس طبیعی میکروتیر به موقعیت ذره - شکل. - 2 با استفاده از تغییر الگوی نوسانی در این دو حالت میتوان پارامتر مورد نظر را سنجید .[9] بیشتر مطالعات صورت گرفته برای شبیهسازی دینامیکی میکروتیرها بر پایه سیستم پارامترهای فشردهِ هستند و مدلسازی بر اساس تئوری اویلر-برنولی صورت گرفته است و از مدلی مانند توزیع پارامترها ]10-11[ و یا مدل تیر گسسته [12] استفاده شده است.
همچنین در مقالاتی نیز شبیهسازی میکروتیر از روش المان محدود صورت گرفته است .[13] مدل تیر گسسته دارای روابط بسیار ساده ای است و زمان اجرای کمتری در مقایسه با مدل توزیع پارامترها نیاز دارد و در این مقاله از این مدل برای شبیه سازی میکروکانال معلق مرتعش [9] استفاده شده است. حساسیت بیوسنسور از فاکتورهای مهم آن است و هرچقدر اختلاف فرکانس طبیعی برای حالات مختلف سیال بیشتر باشد، حساسیت و دقت بیوسنسور بیشتر است.
به همین جهت در این پژوهش سعی شده است تا ابعاد هندسی میکروکانال معلق مرتعش به نحوی طراحی گردند که بیوسنسور حساسیت بیشتری داشته باشد و بدین منظور از استراتژی تکاملی برای بهینه سازی بیوسنسور استفاده گردید. حساسیت بیوسنور با واحد Hz/ - kg/m3 - بیان شده است که نشانگر اختلاف اولین فرکانس طبیعی به ازای تغییرات چگالی سیال درون میکروکانال میباشد.
.2شبیهسازی
شبیه سازی بیوسنسور میکروکانالی مرتعش >9@ با×استفاده از مدل تیر گسسته صورت گرفت. بیوسنسور شامل میکروتیر یک-سرگیرداری به طول، عرض ضخامت L، wb و tb است - شکل. - 3 میکروکانال U شکل با عمق tc درون میکروتیر حفر شده است که دارای عرض wb1 در بخش ورودی و خروجی و عرض wb2 در انتهاء است. طول بخش نازکتر میکروکانال برابر L1 و فاصله انتهای آن از ابتدای میکروتیر معادل L2 میباشد. عرض شیار درون میکروکانال نیز معادل wb3 است و بیوسنسور از جنس سیلیکون تک کریستال می باشد و تحریک و سنجش آن بترتیب از روش الکترواستاتیکی و لیزری صورت میگیرد.
2.1 مدل تیر گسسته
در مدل تیر گسسته، تیریکسرگیردار اویلر-برنولی دارای N بخش غیریکنواخت در راستای طولی می باشد. شرایط مرزی در انتهای بخش n ام معادل شرایط مرزی ابتدای بخش n+1 ام قرار می گیرد. همچنین شرایط مرزی در ابتدای قسمت اول و انتهای قسمت آخر همانند شرایط مرزی ابتدا و انتهاء تیریکسرگیردار است.
