Ašeris, Vytautas ; Baronas, Romas „Kompiuterinis daugiasluoksnio biojutiklio veikimo modeliavimas: trūkių koncentracijų taikymas ir derinimas su eksperimento rezultatais“ (VU)

KOMPIUTERINIS DAUGIASLUOKSNIO

BIOJUTIKLIO VEIKIMO MODELIAVIMAS:

TRŪKIŲ KONCENTRACIJŲ TAIKYMAS IR

DERINIMAS SU EKSPERIMENTO REZULTATAIS

/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIAI

Biojutiklis - matavimo įrenginys, skirtas tirpalo cheminėms savybėms tirti, dažniausiai konkrečios medžiagos koncentracijai nustatyti.

Sudarytas iš:

biologiškai aktyvios medžiagos,

dažniausiai - fermentas;

biocheminio detektoriaus;

signalus perduodančio siųstuvo.

Panaudojimo sritys:

aplinkosauga, medicina, maisto pramonė ir kitos.

Veikimas:

analizuojamoji medžiaga, substratas, kuri biocheminės reakcijos paverčiama produktu;

biojutiklio atsakas dažniausiai yra proporcingas susidariusiai reakcijos produkto koncentracijai.

2013-09-21 KOMPIUTERINIS DAUGIASLUOKSNIO BIOJUTIKLIO VEIKIMO MODELIAVIMAS:

TRŪKIŲ KONCENTRACIJŲ TAIKYMAS IR DERINIMAS SU EKSPERIMENTO REZULTATAIS 2

/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIŲ MODELIAVIMAS

Biojutiklis su lygiagrečiu substratų virsmu:

Du substratai (vandenilio peroksidas ir paracetamolis).

Du fermentai (katalazė ir peroksidazė).

Du reakcijos produktai, bet vienas atsakas.

Biojutiklio veikimas aprašomas netiesinėmis reakcijos-difuzijos tipo diferencialinėmis lygtimis, dalinėmis išvestinėmis.

Tikslūs sprendiniai egzistuoja tik konrečioms parametrų reikšmėms.

Kompiuterinis modeliavimas yra vienintelis žinomas būdas spręsti tokiai lygčių sistemai bendruoju atveju.

Biojutiklio veikimo savybių suvokimas yra svarbiausias dalykas, kuriant naujus ir tobulinant esamus biojutiklius.

Šio darbo tikslas:

kompiuterinio modeliavimo pagalba ištirti lygiagrečiu substratų virsmu paremto katalazės-peroksidazės biojutiklio savybes pritaikant trūkias koncentracijas sluoksnių sandūroje.

2013-09-21 3 KOMPIUTERINIS DAUGIASLUOKSNIO BIOJUTIKLIO VEIKIMO MODELIAVIMAS:

TRŪKIŲ KONCENTRACIJŲ TAIKYMAS IR DERINIMAS SU EKSPERIMENTO REZULTATAIS

/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIŲ MODELIAVIMAS



1 2

3 4 5

/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

MATEMATINIS MODELIS



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

PAGRINDINĖS LYGTYS



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

KITOS LYGTYS



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIO ATSAKAS

2013-09-21

8 KOMPIUTERINIS DAUGIASLUOKSNIO BIOJUTIKLIO VEIKIMO MODELIAVIMAS:


/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

SKAITINIS MODELIAVIMAS

Uždavinys spręstas naudojant skaitinius metodus. Tolydus laiko ir erdvės

kryptimis tinklas aproksimuoja tolydų diferencialinį uždavinį baigtinių

skirtumų schema, kuri buvo spręsta Cranko-Nicololsono metodu.

Biojutiklio atsakas vandenilio peroksidui buvo palygintas su eksperimentu:

1 pav. Biojutiklio atsakas esant skirtingoms pirmo substrato koncentracijoms.



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIO VEIKIMAS

2013-09-21

Pirmo substrato koncentracija: Antro substrato koncentracija:

Produkto koncentracija:

Atsakas:

10 KOMPIUTERINIS DAUGIASLUOKSNIO BIOJUTIKLIO VEIKIMO MODELIAVIMAS:


/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIO ATSAKAS (S1)

Normuoti koncentracijų profiliai ir biojutiklio atsakai laike, kai

antrojo substrato tirpale nėra:

2 pav. Normuoti koncentracijų profiliai ir atsakai.



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIO ATSAKAS (S1)

Keičiant pasiskirstymo koeficientus fermentų ir dializės

sluoksniuose, atsakas keičiasi 5 kartus:

3 pav. Biojutiklio atsako priklausomybė nuo pasiskirstymo koeficientų santykio.



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

BIOJUTIKLIO ATSAKAS (S1+S2)



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka


Biojutiklio atsakai pritaikius pasiskirtymo koeficientą paracetamoliui:

h1 = 1,5; h2= 2,0; h3 = 1,0.

5 pav. Biojutiklio atsakas esant skirtingiems pasiskirstymo koeficientams.



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka




/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka




/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

IŠVADOS

Pristatytas amperometrinio biojutiklio su lygiagrečiu substratų virsmu

modelis gali būti sėkmingai naudojamas biojutiklių savybėms tirti.

Pasiskirstymo reikšmingai nulemia biojutiklio atsaką. Fermentinio

sluoksnio distribucijos koeficientas turi didžiausią įtaką biojutiklio

veikimui.

Pasiskirstymo koeficientas sumažina santykinį atsaką ir padidina

biojutiklio jautrį. Tai labiausiai pastebima mažoms paracetamolio

koncentracijoms, ir mažam fermentų koncentracijų santykiui.

Nors pasiskirstymo koeficientas įtakoja absoliutines vertes, esminių

priklausomybių jis nepakeičia:

Geriausia biojutiklio konfigūracija pasiekiama mažoms pirmo fermento

(katalazės) ir didelėms antro fermento (peroksidazės) koncentracijoms.

Norinti tiksliai nustatyti paracetamolio koncentraciją, vandenilio peroksido

koncentracija turi būti santykinai didelė.



/18

Modeliavimas

Matemat. modelis

Modeliavimas

Išvados

Biojutikliai

Pagr. lygtys

Kitos lygtys

Atsakas

Atsakas (S1)

Atsakas (S1, S2)

Veikimas

Padėka

PADĖKA

Autorius dėkoja VU MIF tyrimų grupei „Biomoda“ už itin

naudingas mokslines diskusijas.

Mokslinis tyrimas finasuojamas Europos socialinio

fondo lėšomis pagal visuotinės dotacijos priemonę.

Projektas"Kompiuterinių metodų, algoritmų ir įrankių efektyviam

sudėtingos geometrijos biojutiklių modeliavimui ir optimizavimui

sukūrimas".



Technology

Ašeris, Vytautas ; Baronas, Romas „Kompiuterinis daugiasluoksnio biojutiklio veikimo modeliavimas: trūkių koncentracijų taikymas ir derinimas su eksperimento rezultatais“ (VU)