三维多层石墨烯生物传感器的设计模拟

Bridget Cunningham 2016年 5月 2日

在整个科学界,石墨烯都可以说是一种有极强关注度和影响力的材料。石墨烯有许多用途,研究人员正尝试将其作为一种非常具有潜能的材料解决方案,用于医学和生物传感器应用设计。今天,我们将探讨仿真在分析和优化三维多层石墨烯生物传感器中是如何运用的。

石墨烯为生活带来技术创新

减少海洋污染的纳米机器人,在雨中工作的太阳能电池,能将传输无线数据速度提高倍的设备,这些开发技术有什么共性?除了创新特质外,还有一个特点将它们紧密联系在一起,即它们都运用了一种革命性的材料。这种材料一直是 COMSOL 博客中反复讨论的主题。猜到它的名字了吗?它就是石墨烯。

在认识到这种坚固而轻质材料的种种优点后,越来越多的行业开始尝试将石墨烯运用于各类应用领域。以生物传感器为例。由于石墨烯导电性好、表面积大,因此对于传感器设备,石墨烯是一种最佳的材料。这可以归因于这样一个事实:电子运动得越快,生物分子检测的准确性和选择性就越高。

葡萄糖监测系统的图片。
葡萄糖监测是生物传感器的一个应用。图片由 David-i98 (talk) (Uploads) — Own work. 提供。在 CC BY-CA 3.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 共享。

为使生物传感器在各类治疗方案和个性化医疗应用中更精密且可靠,罗马尼亚布加勒斯特理工大学的一个研究团队利用 COMSOL Multiphysics 设计了一个三维多层石墨烯生物传感器并进行分析。在 2015 年 COMSOL 年会法国格勒诺布尔站上,该团队展示了他们的研究结果,下面我们就来了解这个传感器。

利用 COMSOL Multiphysics 设计三维多层石墨烯生物传感器

如上所述,这里展示的研究是一个多层生物传感器设计。众所周知,单层石墨烯的活性比多层石墨烯结构的活性大得多,因此材料的边缘比表面活性大。要让石墨烯稳定一些,多层石墨烯结构是用于生物传感器的一个理想选择。

除了考虑生物传感器本身的设计外,传感器接触物体的接触面也是要考虑的重要一点。因为这里研究的是生物传感器,因此接触面就是人的皮肤。皮肤是人体的一部分,具有最大的表面积,而且皮肤对内外界刺激的反应各不相同,因此人的皮肤是一个收集物理和化学数据的良好环境。

在设计生物传感器模型之前,该团队考虑了以下接触面:

  • 人体皮肤与聚乙烯醇水凝胶
  • 聚乙烯醇水凝胶与基于石墨烯的结构
  • 基于石墨烯的结构与电极
  • 石墨烯/电极与硅衬底

基于这几种接触面,该团队设计出了两种生物传感器设备模型,描述了过程变量以及环境刺激的影响。第一种模型是含两个电极的单层石墨烯/氧化石墨烯传感器设备。第二种模型是含四个电极的多层传感器设备。对于第二种模型,研究人员分别研究了包含石墨烯复合结构的情况以及不包含该复合结构的情况,以进一步区分石墨烯的反应。

多层石墨烯生物传感器设备示意图。
多层石墨烯生物传感器设备。图像由 E. Lacatus、G.C. Alecu 和 A. Tudor 提供,并摘自其论文 “Models for Simulation Based Selection of 3D Multilayered Graphene Biosensors“。

这两种模型设计完成后,研究人员在 COMSOL Multiphysics 中运行了一系列仿真,分析这两种模型结构的生物传感能力。这些分析包括测量设备接触面上的温度分布以及电势(参见以下各组图)。研究结果显示,无论是哪种设计,基于石墨烯的结构都具有传感能力。

含两个电极的生物传感器设备温度分布图。

含四个电极的石墨烯生物传感器温度分布图。

含两个电极的设备接触面处的温度分布(左图)和含四个电极的设备接触面处的温度分布(右图)。图像由 E. Lacatus、G.C. Alecu 和 A. Tudor 提供,并摘自其论文 “Models for Simulation Based Selection of 3D Multilayered Graphene Biosensors“。

含两个电极和四个电极的石墨烯生物传感器电势对比图。
含两个电极的设备接触面处的电势(左图)和含四个电极的设备接触面处的电势(右图)。图像由 E. Lacatus、G.C. Alecu 和 A. Tudor 提供,并摘自其论文 “Models for Simulation Based Selection of 3D Multilayered Graphene Biosensors“。

确定这些传感器结构具有传感能力后,该团队又测试了大量其他的生物传感器结构,以此确定,石墨烯片层上的聚乙烯醇水凝胶的最佳反应方式,以及石墨烯生物传感器中蛋白质功能反应的最佳反应方式。测试结果证明,仿真是分析这类属性的一个非常有用的工具。仿真结果如下所示,其中高亮显示了石墨烯生物传感器中能量通量的空间分布,以及含四个电极的设备接触面上的电荷分布。

COMSOL Multiphysics 中能量通量和接触面电荷分布对比图。
石墨烯生物传感器上能量通量的空间分布仿真(左图)以及含四个电极的设备接触面上电荷分布仿真(右图)图像由 E. Lacatus、G.C. Alecu 和 A. Tudor 提供,并摘自其论文 “Models for Simulation Based Selection of 3D Multilayered Graphene Biosensors“。

研究人员进一步的分析研究旨在揭示,不同的环境刺激施加到生物传感器的活性表面后是如何影响生物传感器的。例如,研究人员使用声学模块能定义接触面对不同声压的反应。下图给出的结果演示了声刺激对含四个电极的设备中石墨烯传感结构的影响。

含四个电极的石墨烯生物传感器上声刺激的效果图。
分析声刺激对含四个电极设备的影响。图像由 E. Lacatus、G.C. Alecu 和 A. Tudor 提供,并摘自其论文 “Models for Simulation Based Selection of 3D Multilayered Graphene Biosensors“。

利用 COMSOL Multiphysics,研究人员能成功地识别出,当生物传感器与复杂的人体皮肤接触时,石墨烯传感结构相关的属性。这项仿真研究以及模型本身,为基于石墨烯的生物传感器的开发提供了有价值的设计解决方案。

对石墨烯和生物传感器建模的其他资源


博客标签

石墨烯

评论

  1. 飞天 李 2018-03-27   11:42 am

    为什么没有相关的模型呢?

  2. 宇航 秦 2018-03-30   9:21 am

    李飞天,您好!

    感谢您的评论,模型相关的问题,请您联系我们的技术支持团队:
    在线支持中心:https://www.comsol.com/support
    Email: support@comsol.com
    谢谢!

正在加载评论...

博客分类


博客标签