模擬 App 探索生物感測器設計

生物感測器是各類從分子層級理解生物系統詳細機制的分析工具的主要部件。這些分析工具可用於各領域的生物分子檢測，比如製藥、醫療和食物行業、農業、環境技術以及針對生物系統的一般性研究。生物感測器演示 App 是一個非常不錯的應用實例，它使得這個領域的人士即使不是模擬專家，也能從精確的多物理場模擬中受益。

從描述型到假設驅動型研究

藉助理論及模擬，再輔以高明的實驗技巧，我們將能從分子層級來更深刻地理解生物系統的機制。這類研究也為我們帶來了多種生物分子檢測方法。生物分子在藥物檢測及定位、微生物及病菌檢測、基因療法及其他生物技術工藝中都扮演著相當重要的角色，各項應用涉及醫療、鮮活農產品和環境技術等領域。

生物感測器是生物分子檢測及測量分析技術的關鍵組件。最新版 COMSOL Multiphysics 中新增生物感測器設計 App，它可以根據分子在酶上的附著情況預測分子濃度（或稱活性）的測量結果。博客將以模擬 App 為例演示如何優化檢測器的設計，以便得到一個明確信號。

作為檢測器的酶

下圖顯示了生物感測器中檢測器微柱的可能排列方式之一，分析物從左向右流過生物感測器。微柱的金色凹面部分覆有一層只會吸附在特定生物分子組的酶。

微流池中安裝了表面覆酶的微柱，設計用於檢測某種生物分子。

生物分子被覆酶微柱吸收，可以通過熒光檢測等方法進行測量。酶是一種很優秀的受體，因為它們僅會附著在一類生物分子或非常特定的生物分子組上。第二個反應會對吸收的生物分子進行淬滅，減弱熒光以及來自檢測器的信號。

流過檢測器表面的溶劑中包含待測量的生物分子 (1)。生物分子附在覆酶表面，產生激勵和熒光 (2)。溶劑中還包含淬滅分子 (3)，可與附著在酶上的生物分子發生反應 (4)。淬滅後的分子不再發光，因此無法被檢測。

生物感測器設計 App 簡介

我們最近引入一個全新的生物感測器設計 App，支持用戶修改以下參數：

• 微柱直徑
• 微柱陣列中的微柱數目
• 流動速度
• 模擬的生物分子濃度
• 模擬時間

下圖為 App 的用戶界面 (UI)，標出了輸入項及結果顯示區：

App 的 UI 簡單易用，包含相關輸入框、命令按鈕以及最重要的結果輸出項。

定義模擬幾乎無任何難度，您不必是模擬專家就能從精確的多物理場模擬中受益，藉此理解並優化您的生物感測器系統。

內嵌模型定義並求解了流體流動方程組、生物分子傳遞及反應方程組，包括表面反應動力學。

對生物分子注入及檢測的模擬

下方的動畫以三維表面的形式繪製了注入分析物後測量生物分子的瞬態濃度場，濃度通過表面高度及顏色表示。

點擊原文觀看視頻。

我們還可以通過微柱表面的濃度觀察由分析物的注入引起的生物分子掃描波動，如下方的 App 截屏所示。藍色實線表示第一排流道中央微柱處的濃度；藍色虛線表示後排流道中央微柱表面的測量濃度。紅色實線表示第一排靠近微流池壁的微柱表面的生物分子濃度；紅色虛線表示後排靠近微流池壁的微柱處的測量濃度。靠近壁處的微柱及微流池後排的微柱都會放大生物感測器的信號。為此，我們可以減少微柱的數量，這雖然會減弱信號，但可以得到一個更明確的信號。

微流池各位置處覆酶微柱表面的測量生物分子濃度。

博客中介紹的 App 只是無數種可能的生物感測器設計中的一種，也許它並不是實現您目標的最優配置，但您可以據此開發帶有類似清晰易用界面的 App，鼓勵用戶去模擬並改進生物感測器的設計。

自己動手開發生物感測器 App

• 下載演示 App： 生物感測器設計
• 如希望了解有關 App 開發的更多信息，您可以閱讀另一篇有關創建喇叭狀天線演示 App 的博客

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Ed Fontes。
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