借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学

2015年 5月 12日

生物传感器是各类从分子层级理解生物系统详细机制的分析工具的主要部件。这些分析工具可用于各领域的生物分子检测,比如制药、医疗和食物行业、农业、环境技术以及针对生物系统的一般性研究。生物传感器演示 App 是一个非常不错的应用实例,它使得这个领域的人士即使不是仿真专家,也能从精确的多物理场仿真中受益。

从描述型到假设驱动型研究

借助理论及仿真,再辅以高明的实验技巧,我们将能从分子层级来更深刻地理解生物系统的机制。这类研究也为我们带来了多种生物分子检测方法。生物分子在药物检测及定位、微生物及病菌检测、基因疗法及其他生物技术工艺中都扮演着相当重要的角色,各项应用涉及医疗、鲜活农产品和环境技术等领域。

生物传感器是生物分子检测及测量分析技术的关键组件。最新版 COMSOL Multiphysics 中新增生物传感器设计 App,它可以根据分子在酶上的附着情况预测分子浓度(或称活性)的测量结果。博客将以仿真 App 为例演示如何优化检测器的设计,以便得到一个明确信号。

作为检测器的酶

下图显示了生物传感器中检测器微柱的可能排列方式之一,分析物从左向右流过生物传感器。微柱的金色凹面部分覆有一层只会吸附在特定生物分子组的酶。

安装在微流池中的微柱,表面覆有酶。
微流池中安装了表面覆酶的微柱,设计用于检测某种生物分子。

生物分子被覆酶微柱吸收,可以通过荧光检测等方法进行测量。酶是一种很优秀的受体,因为它们仅会附着在一类生物分子或非常特定的生物分子组上。第二个反应会对吸收的生物分子进行淬灭,减弱荧光以及来自检测器的信号。

生物分子与酶发生相互作用的四部曲。
流过检测器表面的溶剂中包含待测量的生物分子 (1)。生物分子附在覆酶表面,产生激励和荧光 (2)。溶剂中还包含淬灭分子 (3),可与附着在酶上的生物分子发生反应 (4)。淬灭后的分子不再发光,因此无法被检测。

生物传感器设计 App 简介

我们最近引入一个全新的生物传感器设计 App,支持用户修改以下参数:

  • 微柱直径
  • 微柱阵列中的微柱数目
  • 流动速度
  • 模拟的生物分子浓度
  • 仿真时间

下图为 App 的用户界面 (UI),标出了输入项及结果显示区:

生物传感器 App 的用户界面。
App 的 UI 简单易用,包含相关输入框、命令按钮以及最重要的结果输出项。

定义仿真几乎无任何难度,您不必是仿真专家就能从精确的多物理场模拟中受益,借此理解并优化您的生物传感器系统。

内嵌模型定义并求解了流体流动方程组、生物分子传递及反应方程组,包括表面反应动力学。

对生物分子注入及检测的仿真

下方的动画以三维表面的形式绘制了注入分析物后测量生物分子的瞬态浓度场,浓度通过表面高度及颜色表示。

 


分析物像波浪一样扫过微柱,动画显示了生物分子的浓度场。 波浪的颜色图例及高度代表浓度 (mol/m3)。

我们还可以通过微柱表面的浓度观察由分析物的注入引起的生物分子扫描波动,如下方的 App 截屏所示。蓝色实线表示第一排流道中央微柱处的浓度;蓝色虚线表示后排流道中央微柱表面的测量浓度。红色实线表示第一排靠近微流池壁的微柱表面的生物分子浓度;红色虚线表示后排靠近微流池壁的微柱处的测量浓度。靠近壁处的微柱及微流池后排的微柱都会放大生物传感器的信号。为此,我们可以减少微柱的数量,这虽然会减弱信号,但可以得到一个更明确的信号。

测量生物分子浓度在微流池内不同位置的变化。
微流池各位置处覆酶微柱表面的测量生物分子浓度。

博客中介绍的 App 只是无数种可能的生物传感器设计中的一种,也许它并不是实现您目标的最优配置,但您可以据此开发带有类似清晰易用界面的 App,鼓励用户去模拟并改进生物传感器的设计。

自己动手开发生物传感器 App


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