مدل سازی الکتروشیمی برای مدیریت دیابت
دیابت یک قاتل لاعلاج جهانی است: سازمان بهداشت جهانی 350 میلیون دیابتی را در سراسر جهان تخمین می زند که میانگین میزان مرگ و میر سالانه آنها نزدیک به 1٪ است. خوشبختانه علم پزشکی مدرن به بیماران دیابتی امکان می دهد سطح گلوکز و میزان مصرف خود را مدیریت کنند، بنابراین بسیاری از کشورها خطر ابتلا به این بیماری را به شدت کاهش داده اند. بسیاری از بیماران دیابتی باید سطح گلوکز خود را در طول روز ردیابی کنند و به روشی دقیق برای اندازه گیری غلظت گلوکز در خون نیاز دارند. برای طراحی سنسورهای مدرن، روش انتخاب الکتروشیمی است.
نحوه عملکرد سنجش گلوکز
مدیریت دیابت که شامل خونگیری چندین بار در روز از بیمار می شود، دست کم تهاجمی و ناراحت کننده است. ادامه تحقیقات در الکتروآنالیز به روشهای اندازهگیری غلظت گلوکز اجازه میدهد که نه تنها سریعتر و دقیقتر میشوند، بلکه بر روی حجم بسیار کمتری از خون نیز عمل میکنند. با توسعه این روش ها می توان ناراحتی مدیریت دیابت را به صورتی که امروزه می شناسیم کاهش داد.
“آزمایش گلوکز خون” توسط David-i98 (گفتگو) (آپلودها) – کار شخصی. از طریق ویکی پدیا
روشهای الکتروشیمیایی برای سنجش گلوکز مبتنی بر گلوکز اکسیداز (GOx)، یک آنزیم بیولوژیکی است که مولکول گلوکز را به اسید گلوکونیک اکسید میکند. در طبیعت، اکسیداسیون توسط یک عامل اکسید کننده بیولوژیکی، مانند هم آنزیم FAD + (این هم آنزیم در واقع یک کاتالیزور است، زیرا به نوبه خود توسط اکسیژن محلول به حالت اولیه خود اکسید می شود) به دست می آید.
با این حال، در یک سلول الکتروشیمیایی، این اکسیداسیون میتواند در سطح الکترود انجام شود و الکترونها را در یک مدار الکتریکی آزاد کند که میتواند به عنوان جریان اندازهگیری شود. در یک حسگر خوب، آن جریان متناسب با مقدار گلوکز واکنش داده شده با آنزیم، و بنابراین، با غلظت فعلی گلوکز خواهد بود. این مفهوم از تحقیقات پیشگامانه دانشمند پزشکی آمریکایی للند کلارک سرچشمه می گیرد.
به دلیل ویژگی آنزیم بیولوژیکی GOx، حسگر می تواند غلظت گلوکز را به طور منحصر به فرد اندازه گیری کند، حتی در مخلوطی مانند خون که حاوی تعداد زیادی ترکیبات شیمیایی است. در نهایت، این تکنیک با استفاده از واسطههای ردوکس ایجاد شده است که کارآمدتر از خود اکسیژن واکنش نشان میدهند، بنابراین امکان اندازهگیری دقیقتر و بدون مزاحمت را فراهم میکنند.
چرا سنجش گلوکز را با نرم افزار شبیه سازی مدل کنیم؟
بسیاری از شرکتها در سراسر جهان حسگرهای گلوکز را برای استفاده بیماران تولید میکنند. توسعه محصول در حال حاضر از مرحله اثبات مفهوم فراتر رفته و به سمت تلاش برای ایجاد یک محصول پیشرفته حرکت کرده است: حسگر گلوکز بهینه، در چارچوب محدودیت های هزینه و ساخت.
اگرچه اصل پشت سنسور گلوکز الکتروشیمیایی ساده است، اجرای آن می تواند پیچیده باشد. از آنجایی که سنسور باید تحت طیف وسیعی از شرایط کار کند، طراحی هوشمندانه مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که جریان اندازهگیری شده همچنان میتواند مستقیماً با غلظت گلوکز در نمونه مرتبط باشد. مشکلات عملی ممکن است شامل تغییر غلظت اکسیژن در خون، وجود گونههای شیمیایی دیگر در خون باشد که واکنش مشابهی به گلوکز نشان میدهند، و تغییر دمای حسگر به دلیل خونی که در دمای بدن تامین میشود. همه اینها می توانند بر جریان الکتریکی اندازه گیری شده در یک سنسور تأثیر بگذارند.
COMSOL Multiphysics یک ابزار ایده آل برای مسائل دو بعدی و سه بعدی دنیای واقعی در تحلیل الکترونی است. چرا؟ زیرا به راحتی می توان الکتروشیمی را با مدل های دیگر اثرات فیزیکی مانند انتقال گرما و جرم جفت کرد. علاوه بر این، توانایی اضافه کردن متغیرها و معادلات تعریف شده توسط کاربر به این معنی است که می توان توصیف دقیق پدیده های غیر استاندارد یا پیچیده، مانند سینتیک آنزیم را در مدل گنجاند. اغلب، مدل نظری با تأیید تجربی رفتار سیستم الکتروشیمیایی توسعه مییابد. بنابراین، رویکرد مدلسازی عددی باید انعطافپذیر باقی بماند.
نمونه ای از سنسور گلوکز
می توانید یک مدل ساده از یک حسگر گلوکز را در کتابخانه مدل Multiphysics COMSOL پیدا کنید . این مدل خاص از سنسوری است که از یک “الکترود بین رقمی” استفاده می کند، که در آن آند و کاتد سلول حسگر به تعداد زیادی “انگشت” که به موازات یکدیگر قرار دارند، تقسیم می شود و چگالی جریان و حساسیت سیستم را به حداکثر می رساند. از آنجا که “اعداد” معمولاً بسیار طولانی تر از عرض آنها هستند، طول آنها را می توان نادیده گرفت و مشکل را می توان به یک سلول واحد دو بعدی ساده کرد.
این مدل شامل انتقال انبوه گلوکز و واسطههای ردوکس توسط انتشار و شار این گونهها به داخل و خارج از سیستم است. علاوه بر این، واکنش کاتالیز شده توسط آنزیم بین واسطههای ردوکس و گلوکز با استفاده از قانون نرخ جنبشی Michaelis-Menten تعریف شده توسط کاربر در مدل گنجانده شده است (همکار من Eyal Spier این را در پست وبلاگ قبلی خود توضیح میدهد: آنزیم سینتیک، مکانیسم Michaelis-Menten . “).
شکل زیر غلظت گونه های واسطه ردوکس فروسیانید را هنگامی که یک جریان حالت پایدار در حسگر کشیده می شود نشان می دهد.
در آند (الکترود کار) در مرکز پایین، این گونه برای کاهش سایر گونههای اکسیداسیون و کاهش، یعنی فریسیانید، اکسید میشود، بنابراین غلظت در اینجا کاهش مییابد. در کاتد (الکترود ضد) در گوشههای سمت چپ و راست پایین سلول واحد، فروسیانید بازسازی میشود و در یک “چرخه ردوکس” به سمت الکترود کار پخش میشود که چگالی جریان بالایی را ارائه میکند.
در نمودار بعدی، جریان در برابر غلظت گلوکز را برای یک سنسور کار ( خط آبی ) مشاهده میکنید که نشان میدهد پاسخ سنسور ایدهآل در محدوده مورد مطالعه غلظت گلوکز خطی است.
با این حال، شکستن سنسور (خط سبز ) کار سختی نیست . این کار با تصور اینکه آنزیم ضریب 10 کندتر در اکسیداسیون خود گلوکز است، با کاهش میزان گلوکز انجام می شود.ضریب سینتیک آنزیم سپس، پاسخ خطی در همان محدوده غلظت با شکست مواجه می شود. این نشان دهنده اهمیت طراحی دقیق برای اطمینان از اینکه جریان اندازه گیری شده در حسگر گلوکز واقعاً غلظت موجود را منعکس می کند، نشان می دهد. ممکن است بخواهید تغییرات خود را در مدل امتحان کنید تا تأثیر سایر اثرات را ببینید.
نکته: مدل سنسور گلوکز را در گالری مدل بررسی کنید .
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید