نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر، خمینی‌شهر

3 استادیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر، خمینی‌شهر

10.22041/ijbme.2018.87254.1355

چکیده

در این پژوهش، یک نانو زیست‌‌حسگر سیلیکونی بر پایه‌ی مدل مکانیک محیط‌های پیوسته‌ی اصلاح شده‌ی تیر اویلر-برنولی ارائه شده است. اساس کار این نانوحسگر ارتعاشی یک سر گیردار، محاسبه‌ی تغییر فرکانس تشدید به دلیل جذب سطحی ذرات بسیار کوچک مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها می‌باشد. برای این منظور، سطح نانو زیست‌حسگرها را به یک ماده‌ی بیولوژیک مانند میوسین به عنوان لایه‌ی جاذب آغشته می‌کنند. در بیش‌تر تحقیق‌های انجام شده، از اثرهای جرم و سختی این لایه‌ی جاذب و هم‌چنین اثرهای غیرموضعی، چشم‌پوشی شده است. در حالی که این عوامل نقش زیادی در تغییر فرکانس تشدید و دقت نانو زیست‌حسگرهای مکانیکی در ابعاد نانو دارند. در این پژوهش با محاسبه‌ی تمام اثرهای یاد شده، به بررسی و تحلیل دقیق یک نانو زیست‌حسگر سیلیکونی با پوشش کامل لایه‌ی جاذب میوسین پرداخته شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که محاسبه‌ی اثرهای غیرموضعی باعث کاهش فرکانس ارتعاشی نانوحسگر می‌شود و این اثر در مقیاس نانو قابل چشم‌پوشی نمی‌باشد. هم‌چنین مشاهده ‌گردید که در نظر گرفتن اثرهای جرم و سختی لایه‌ی جاذب، به تنهایی پاسخ دقیقی به همراه ندارد، بلکه برایند هر دو اثر باید لحاظ شود. در واقع در نظر گرفتن هم‌زمان این اثرها، باعث کاهش فرکانس تشدید نانوحسگر می‌گردد که این مساله می‌تواند در طراحی و تحلیل نانو زیست‌حسگرهای سیلیکونی مکانیکی و افزایش دقت تشخیص آن‌ها بسیار مفید باشد. هم‌چنین به منظور اعتبارسنجی پژوهش، نتایج عددی به دست آمده با نتایج پژوهش‌های دیگر در حالت پوشش کامل لایه‌ی جاذب میوسین مقایسه گردید که تطابق کامل با آن را نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis and Investigation of the Effect of Fully Covered Myosin Adsorbate Layer on Vibration of Silicon Nano Bio-Sensors for Detection of Pathogens

نویسندگان [English]

  • Reza Hosseini-Ara 1
  • Amir Hossein Karamrezaei 2
  • Ali Mokhtarian 3

1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran

2 MSc. Student, Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Khomeinishahr Branch, Khomeinishahr, Iran

3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Khomeinishahr Branch, Khomeinishahr, Iran

چکیده [English]

This study presents a Silicon nano bio-sensor based on modified continuum mechanics model of Euler-Bernoulli beam theory. This cantilever resonant nano-sensor works based on the shift of resonant frequency due to the adsorption of very small particles such as viruses and bacteria. To this end, the surface of nano bio-sensor is impregnated into a biologically active substance such as Myosin as an adsorbate layer. However, most conducted studies have ignored the effects of mass and stiffness of this adsorbate layer and nonlocal parameter, whereas these factors play a major role in changing the resonant frequency at nano-scale and the precision of mechanical nano bio-sensors. By calculating and regarding all of the mentioned effects, in this study a Silicon nano bio-sensor with a full coverage of the adsorbate layer is precisely analyzed. The results show that the calculation of nonlocal effect reduces the resonant frequency of the nano sensor, and this effect cannot be ignored in the nano-scale. It is also observed that considering the effects of the mass and stiffness of the adsorbate layer separately, may not lead to the exact answer, but the result of both of these effects should be taken into account. In fact, simultaneously considering these effects, it reduces the resonant frequency of nano sensor, which can be useful in designing and analyzing mechanical Silicon nano bio-sensors and increasing the accuracy of their detection. Finally, for the purpose of verification assessment, the numerical results were compared with the results of other studies in the full coverage of the myosin adsorbate layer, which showed complete agreement with them.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Resonant Nano Bio-Sensor
  • Pathogenic Agents
  • Euler-Bernoulli Beam
  • Myosin Adsorbate Layer
  • Nonlocal Effect

[1]     T. P. Burg, S. R. Manalis, “Suspended micro channel resonators for biomolecular detection”, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, pp. 2698-2700, 2003.

[2]     R. G. Knobel, “Weighing single atoms with a nanotube”, Nat. Nanotechnol., Vol. 3, pp. 525-526, 2008.

[3]     T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, S. R. Manalis, “Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid”, Nature, Vol. 446, pp. 1066-1069, 2007.

[4]     W. H. Grover, A. K. Bryaan, M. Diez-Silva, S. Suresh, J. M. Higgins, S. R. Manalis, “Measuring single-cell density”, Proc. Natl. Acad. Sci., Vol. 108, pp. 10992-10996, 2011.

[5]     A. Gupta, D. Akin, R. Bashir, “Single virus particle mass detection using micro resonator with nanoscale thickness”, Appl. Phys. Lett., Vol. 84, pp. 1976-1978, 2004.

[6]     J. Chaste, A. Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R. Rurali, A. Bachtold, “A nano mechanical mass sensor with yoctogram resolution”, Nat. Nanotechnol., Vol. 7, pp. 301-304, 2012.

[7]     K. Jensen, K. Kim, A. Zettl, “An atomic-resolution nanomechanical mass sensor”, Nat. Nanotechnol., Vol. 3, pp. 533-537, 2008.

[8]     N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, P. G. Datskos, “Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors”, Rev. Sci. Instrum., Vol. 75, pp. 2229-2253, 2004.

[9]     S. Cherian, T. Thundat, “Determination of adsorption-induced variation in the spring constant of a micro cantilever”, Appl. Phys. Lett., Vol. 80, pp. 2219–2221, 2002.

[10] J. Fritz, M. K. Baller, H. P. Lang, H. Rothuizen, P. Vettiger, E. Meyer, H. J. Gütherodt, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, “Translating biomolecular recognition into Nano mechanics”, Science, Vol. 288, pp. 36-318, 2000.

[11] J. Tamayo, D. Ramos, J. Mertens, M. Calleja, “Effect of the adsorbate stiffness on the resonance of microcantilever sensors”, Appl. Phys. Lett., Vol. 89, pp. 104-107, 2006.

[12] D. Ramos, J. Tamayo, J. Mertens, M. Calleja, A. Zaballos, “Origin of the response of nanomechanical resonators to bacteria adsorption”, Appl. Phys. Lett., Vol. 100,  pp. 106-105, 2006.

[13] Y. Zhang, L. Zhuo, H. Zhao, “Determining the effects of surface elasticity and surface stress by measuring the shifts of resonant frequencies”, Proc. R. Soc. Lond. A, Vol. 469, pp. 449-469, 2013.

[14] Y. Zhang, “Detecting the stiffness and mass of biochemical adsorbates by a resonator sensor”, Sens. Actuators B, Vol. 202, pp. 286-293, 2014.

[15] F. M. Battiston, J. P. Ramseyer, H. P. Lang, M. K. Baller, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, E. Meyer, H. J. Gütherodt, “A chemical sensor based on a microfabricated cantilever array with simultaneous resonance-frequency and bending readout”, Sens. Actuators B, Vol. 77,  pp. 122-131, 2001.

[16] S. Hosseini-Hashemi, M. Fakher, R. Nazemnezhad, “Surface effects on free vibration analysis of nanobeams using nonlocal elasticity: a comparison between Euler-Bernoulli and Timoshenko”, J. Solid Mech., Vol. 5, pp. 290-304, 2013.

[17] R. Zhu, E. Pan, P. W. Chung, X. Cai, K. M. Liew, A. Buldum, “Atomistic calculation of elastic moduli in strained silicon”, Semicond. Sci. Technol., Vol. 21, 7, 906, 2006.