Имитационная модель кварцевого биосенсора для экологических исследований

Имитационная модель кварцевого биосенсора для экологических исследований

Постоянное возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду, в виде увеличивающихся объёмов и номенклатуры загрязняющих веществ, обуславливает повышение требований, предъявляемых к методам и средствам контроля качества природной среды [1−3]. Очевидно, что измерение показателей состава и свойств воды в системах экологического контроля должно опираться на количественные показатели, являющиеся основанием для определения соответствия качества воды требованиям тех или иных ее «потребителей», включая обитателей водных объектов [4−5].

Для повышения информативности и достоверности аналитического контроля токсичности, как правило, применяется сложное лабораторное оборудование, что приводит к высокой стоимости анализа, требует высококвалифицированного персонала, занимает много времени на проведение эксперимента.

Биосенсоры, представляющие собой комбинацию селективного биохимического элемента с электронным датчиком, обеспечивают селективный анализ в режиме реального времени различных токсикантов и смесей, исключая необходимость сложной пробоподготовки и использование больших количеств дорогостоящих аналитических веществ [6, 7].

Пьезокварцевый биосенсор — это аналитическое устройство, чувствительным элементом которого является пьезокварцевый резонатор с электродами, покрытыми рецепторными молекулами. На сегодняшний день с развитием генной инженерии биологически активные слои становятся более чувствительными к загрязнителям, в свою очередь это ставит необходимость выбора преобразователя с высокой чувствительностью и низкой ценой для создания биосенсора с большим коэффициентом чувствительности. Аналитическим сигналом пьезокварцевого биосенсора является уменьшение частоты колебаний резонатора из-за увеличения массы рецепторного слоя в результате взаимодействия его с определяемым соединением.

Уникальной особенностью пьезокварцевых биосенсоров является сочетание высокой чувствительности, обеспечиваемой использованием в качестве физического преобразователя пьезокварцевого резонатора, и селективности, определяемой природой применяемых рецепторных молекул [8].

В биосенсорах «узнающим» реагентом обычно является макромолекула, иммобилизованная внутри мембраны, либо химически связанная с поверхностью, которая контактирует с раствором определяемого вещества. Между реагентом и определяемым веществом проходит специфическая химическая реакция. Это может быть либо прямое взаимодействие реагента с определяемым веществом, как в случае реакции антиген/антитело, либо каталитическое взаимодействие иммобилизованного фермента с определяемым веществом с образованием легко определяемого продукта. пьезокварцевый биосенсор экологический вода Пьезокварцевые биосенсоры могут применяться для анализа водных растворов в достаточно широком диапазоне концентраций [9].

Построим компьютерную имитационную модель пьезокварцевого биосенсора для определения зависимостей между биологически активным слоем и преобразователем сигнала.

В химически чувствительном слое происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси. Исследуемое вещество сорбируется на рецепторный слой, тем самым изменяя массу пьезоэлемента. Чувствительный слой связан с преобразователем, поскольку аналитический сигнал (?f) рассчитывается как разность частот колебаний сенсора в начале измерения и в момент установления равновесия. За счет того, что пластина вырезана из кристалла кварца под определенным углом, она совершает так называемые сдвиговые колебания. При определенной частоте переменного напряжения в такой колебательной системе наступает резонанс. При осаждении вещества на поверхности этого устройства происходит понижение резонансной частоты пластины. Масса осажденного вещества связана с изменением резонансной частоты соотношением Зауэрбрея [1]:

где A — площадь пластины, с_кв — плотность кварца, м_кв — сдвиговый модуль упругости кварца, f₀ — исходная частота резонанса.

Для того чтобы определить зависимости между преобразователем сигнала и биослоем, необходимо выбрать несколько биологически активных элементов (штаммов) со статистическими значениями к загрязнителям.

Данные по штаммам были взяты из существующих источников [10], они являются статическими и не изменяются в ходе моделирования.

Таблица № 1.

Отклик штаммов (мкг/мл).

Для исследования степени реакции преобразователей сигнала на биологически активные компоненты была построена компьютерная имитационная модель биосенсора. Она позволяет исследовать различные комбинации преобразователей с разной чувствительностью и габаритами, исходя из характеристик штаммов, приведенных в таблице 1.

На основе математической модели строится имитационная модель. Эта модель может быть реализована в различной программной среде. Однако наиболее целесообразно делать это в среде прикладного программного пакета, соответствующего характеру рассматриваемой задачи. В качестве такой программной среды для решения математических задач и построения интерфейса была использована программа Microsoft Visual Studio 2012, т.к. она сочетает в себе простоту работы, широкие возможности программирования, наглядные средства представления результатов. Интерфейс разработки представлен на рис. 1.

Для пьезокварцевого биосенсора построена и программно реализована компьютерная модель. В нее входит расчет отклика сенсора, выраженный коэффициентом чувствительности (мкг/мл) и расчет LC контура необходимого для калибровки нуля.

Рис. 1 Расчет пьезокварцевого преобразователя

Такой подход позволит с наименьшими затратами не только оценить работу алгоритма, но и проверить достоверность получаемых результатов с математической точки зрения. Работая в среде промежуточной модели, можно на большом количестве реализаций имитировать функционирование программного модуля и собрать необходимую статистику полученных результатов.

Именно на этом этапе целесообразно проверить функционирование модели при граничных и критических значениях переменных, частных случаях функционалов и т. п., что позволит впоследствии учесть необходимые ограничения при построении программного модуля.

Реализация программной модели производится на основе проведенных исследований и состоит из реализации самого вычислительного ядра, а также процедур поддержки соответствующего интерфейса, средств управления коммуникации с пользователем и т. п.

На дальнейшем этапе было проведено сравнение коэффициентов чувствительности преобразователя и штамма. Если таковым окажется значение преобразователя, то это значение заменяет значение штамма.

Такая проверка необходима потому, что даже сверхчувствительный к загрязнителю штамм будет бесполезен, если преобразователь не способен зафиксировать изменение в штамме и его максимальной чувствительности будет недостаточно (таблица 2).

Таблица № 2.

Расчетные значения полученные в ходе проверки преобразователь-штамм.

Были взяты два преобразователя сигнала (трансдьюсера) с различным коэффициентом чувствительности © который определялся соотношением Зауэрбрея (1). Для первого пьезокварцевого биосенсора С=53,293, а для второго С=85. В имитационной модели необходимо учитывать чувствительность штамма к загрязнителю, но так как, ни преобразователь, ни штамм не могут превышать коэффициенты чувствительности друг друга, то необходимо сравнение значений и выбор минимального, иначе модель не будет соответствовать реальному биосенсору с подобными параметрами.

В результате проведенных операций выводим результат на график, полученный при помощи Microsoft Visual Studio 2012.

а б Рис. 2 Графики для экспериментальных значений: а) пьезокварцевый биосенсор 1; б) пьезокварцевый биосенсор 2

Из рис. 2, а видно, что для первого преобразователя (С=53,293) была ограничена чувствительность штамма к загрязнителям. Это на порядок уменьшает эффективность биосенсора и ставит перед необходимостью выбора его новой конфигурации, но для некоторых из штаммов такой преобразователь является достаточным и его замена не требуется. Во втором случае (рис. 2, б) видно, что ни один из штаммов не превысил порог чувствительности преобразователя, а, следовательно, дальнейшее увеличение чувствительности биосенсора в целом может быть достигнуто путем применения катализаторов, ингибиторов, ферментов и т. д.

Дальнейшее исследование зависимостей преобразователь-штамм актуально и уместно, так как это позволит оптимизировать работу биосенсора и использовать все его составляющие рационально, что в совокупности должно повысить отклик к загрязнителям. Примеры использования биосенсоров в мониторинговых системах можно найти в работах.

• 1. Вишневецкий В. Ю., Булавкова Н. Г. Биотестовая система для мониторинга воды в таганрогском заливе [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012. Т. 22. № 4−1. С. 19. Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1138 (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.
• 2. Вишневецкий В. Ю. Проектирование системы мониторинга водных ресурсов [Текст] // Известия ТРТУ. Тематический выпуск Медицинские информационные системы. Таганрог: ТРТУ, 2004. № 6(41). С. 207−209.
• 3. Вишневецкий В. Ю., Ледяева В. С., Старченко И. Б. Принципы построения системы экологического мониторинга водной среды [Текст] // Известия ЮФУ Технические науки. Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012. № 9(134). С. 195−200.
• 4. Вишневецкий В. Ю., Ледяева В. С. Экспериментальные исследования загрязнений тяжелыми металлами в донных отложениях в таганрогском заливе / Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 22. № 4−1. С. 22. Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1140 (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.
• 5. Sшrensen, SJ., Burmшlle, M., Hansen, LH. Making bio-sense of toxicity: new developments in whole-cell biosensors [Текст] // Current Opinion in Biotechnology, 2006. Vol. 17. Pp. 11−16.
• 6. Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R. Electrochemical biosensors for medicine and ecology [Текст] // Biosensors and Bioelectronics, 1996. Vol. 11, Issue 9. Pp. 853−861.
• 7. Krцger S., Law R.J. Biosensors for marine applications: We all need the sea, but does the sea need biosensors? [Текст] // Biosensors and Bioelectronics, 2005. Vol. 20, Issue 10. Pp. 1903;1913.
• 8. Будников Г. К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств [Текст] // Соросовский образовательный журнал, 1996. № 12. С. 26−32.
• 9. Юрченко М. А., Шикульская О. М. Разработка математического и информационно-программного обеспечения для исследования влияния тяжелых металлов на состояние водной экосистемы [Текст] // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии, 2012. № 2(18). С. 85−93.
• 10. Advances in Immunoassay Technology [Текст] // Edited by Norman H. L. Chiu and Theodore K. Christopoulos. InTech: Croatia, 2012. 180 p.