Modeling and simulation of field-effect biosensors

Die dieser Arbeit zugrunde liegende Motivation ist die Notwendigkeit des theoretischen Verstehens der Arbeitsweise von Feld-Effekt Biosensoren oder BioFETs (Feld-Effekt Transistoren). Der Feld-Effekt Biosensor ist ein komplexes "Multi-skalen" System. Der Halbleiter ist hierbei an die biologisch-empfindliche Schicht (bestehend aus Rezeptoren/Proben) gekoppelt, welche die zu erfassenden Analytmoleküle (Targets), wie etwa DNS, in einer Elektrolytlösung detektiert. Das Grundprinzip von BioFETs ist im Folgenden kurz erläutert: Wenn sich Analyt-Biomoleküle an Oberflächenrezeptoren binden, ändert sich die Ladungsverteilung nahe der Oberfläche. Dies führt zu einer messbaren Änderung von elektrostatischem Potenzial und Leitwert im Halbleiter. Neben zahlreicher anderer Faktoren muss die Modellierung von BioFET Sensoren auch die Elektrostatik und Geometrie von Flüssigkeitsbestandteilen und Biomolekülen, die Bindungseffizienz ebendieser Probe- und Targetmoleküle auf der Grenzschicht, die Elektrostatik und Leitfähigkeit des Halbleitertransducers sowie die Sensorgeometrie berücksichtigen. Hierbei ist zu beachten, dass die bio-physikalischen und nano-elektronischen Bestandteile des Sensors von stark unterschiedlichem Längenmaßstab sind und somit getrennt betrachtet werden müssen und dann auf selbst-konsistente Art und Weise verbunden werden. Diese Dissertation gibt ein allgemeines mathematisches Konzept für Transistoren, deren Grenzschicht zwischen Isolator und Elektrolytlösung mit DNA modifiziert wurde. Dafür beschreiben wir die Arbeitsweise des Systems als Ganzes und schlagen eine Segmentierung in Einzelmodelle vor, ebenso wie eine Methode zur späteren Zusammenführung der einzelnen Modellbestandteile. Neben einer mathematischen Analysis von partiellen Diffentialgleichungen des Modells ist die Hauptaufmerksamkeit hierbei auf die Modellierung und Simulation von Prozessen gerichtet, die in der bio-physikalische Bestandteilen des Sensors auftreten. Die Simulation von bio-funktionalisierten Oberflächen stellen bestimmte Anforderungen an die Simulation, welche mit einem Monte Carlo Algorithmus verwirklichen werden. Das konstantgehaltene Potenzial ermöglicht hierbei die Berücksichtigung der zugehörigen präzisen Randbedingungen: DNS-Stränge können an der Oberfläche rotiert werden und mehrere Moleküle können sich in einem Simulationsteilgebiet aufhalten. Letztere Bedingung ist notwendig um eine gute Statistik im Fall niedriger Ionenkonzentration zu erhalten. Die Simulationsergebnisse repräsentieren Oberflächen die mit PNS (Peptid-Nukleinsäure) und mit einzel und doppelsträngigen DNS-Molekülen (Desoxyribonukleinsäure) funktionalisiert sind und sich in einer Natriumchloridflüssigkeit befinden. Diese quantitativen Ergebnisse ermöglichen ein Screening der Biomolekülladungen, bedingt durch die Anwesenheit von Gegenionen in der Nähe von Biomolekülen und elektrischen Doppelschicht. Die Simulationsergebnissen zeigen drei-schichtige Strukturen ebenso wie eine nicht triviale Wechselwirkung zwischen der elektrischen Doppelschicht und den Gegenionen. Wir bestimmen ebenso die Bindungseffizienz zwischen Rezeptoren und DNS-Molekülen. Dafür erforschen wir den diffusiven Transport der geladenen Biomoleküle ebenso wie die beiden möglichen Arten von chemischen Reaktionen in der Nähe der funktionalisierten Oberfläche, genauer gesagt die spezifische und nicht spezifische Bindung. Dieses wohldefinierte Problem wurde mathematisch formuliert, diskretisiert und numerisch gelöst. Darüber hinaus präsentieren wir Simulationsergebnisse zu den untersuchten Diffusions- und Reaktionsprozessen, ebenso wie ihre wechselseitige Beeinflussung. Außerdem wurde ein Verfahren zur Charakterisierung von Biosensoren entwickelt, welches das biologische Rauschen des Systems ermitteln kann. Wir konzentrieren uns hierbei auf stochastische Prozesse, die in der Nähe der funktionalisierten Oberfläche auftreten. Die chemische Langevin Gleichung wurde zur Beschreibung von Assoziations- und Dissoziationsprozessen an der Oberfläche hergeleitet. Die Bindungseffizienz der Biomoleküle, das Signal und das biologische Rauschen des Sensors wurden spezifiziert und kalkuliert. Die Simulationsergebnisse zu Bindungseffizienz und Signal-to-Noise Ratio wurden dargestellt, und bezüglich Antwortzeit verglichen und analysiert. Unser mathematisches Modell leistet somit einen maßgeblichen Beitrag zum qualitativen Verständnis der wichtigen Eigenschaften von BioFET Sensoren und liefert einen Hochleistungsalgorithmus zur Vorhersage verschiedenster Vorgänge im Sensor.This work is motivated by the need for a theoretical understanding of the functioning of field-effect biosensors or BioFETs (Field-Effect Transistors).The field-effect biosensor is a complex multi-scale system where a semiconductor device is coupled to a biologically sensitive layer (receptors or probes) that detects analyte biomolecules (targets), for instance DNA, in an electrolyte. The principle of BioFETs is the following: when the analyte biomolecules bind to the surface receptors, the charge distribution at the surface changes; that modulates the electrostatic potential in the semiconductor and, thus, its conductance, which can be measured. The modeling of such BioFET sensors must take into account the electrostatics and the geometry of the liquid, of the probe and the target molecules in the boundary layer, the binding efficiency of the probes and targets, the electrostatics and the conductance of the semiconducting transducer and the device geometry. Note that the bio-physical and the nano-electronic parts define very different length scales, and therefore, they have to be considered separately and then coupled in a self-consistent manner. In this thesis we provide a general mathematical concept to deal with transistors with DNA-modified insulator-electrolyte interface. For that we describe the functioning of the system as a whole and suggest corresponding segmentation for further treatment as well as the compilation procedures for previously segmented model. Besides a mathematical analysis of partial differential equations occurring in the model the main focus of the work is the modeling and simulation of the processes that occur in the bio-physical part of the sensors. The simulation of the bio-functionalized surfaces poses special requirements on the Monte-Carlo simulations and these are addressed by the algorithm. The constant-voltage ensemble enables us to include the correct boundary conditions; the DNA (deoxyribonucleic acid) strands can be rotated with respect to the surface; and several molecules can be placed into a single simulation box in order to achieve good statistics in the case of low ionic concentrations, i.e. under conditions that are typically observed in experiments. Simulation results are presented for the leading example of surfaces functionalized with PNA (peptide nucleic acid) and with single- and double-stranded DNA in a sodium-chloride electrolyte. These quantitative results make it possible to quantify the screening of the biomolecule charge due to the counter-ions around the biomolecules and the electrical double layer. The resulting concentration profiles show a three-layer structure and non-trivial interactions between the electric double layer and the counter-ions. We also identify the binding efficiency of the receptors to the DNAs of interest. For that we investigate the diffusive transport of the charged biomolecules and the two types of the chemical reactions near the functionalized surface, i.e. specific and non-specific binding. The well-posed problem is formulated, discretized and solved. We also present a simulation results and examine the diffusion and reaction processes as well as their interaction. Furthermore, an approach is developed for device characterization that allows to determine the biological noise of the system and to identify the signal-to-noise ratio. We focus on the stochastic processes that occur at the functionalized surface. The chemical Langevin equation for a binding (i.e. association and dissociation) processes occurring at the functionalized surface is obtained. The binding efficiency of the biomolecules, the signal and the biological noise of the device are specified and calculated. The simulation results for binding efficiency and for signal-to-noise ratio are presented, compared and analyzed with respect to the response time. Our mathematical modeling yields qualitative understanding of important properties of BioFETs and helps to provide high performance algorithms for predictive simulations

Analysis of Field-Effect Biosensors using Self-Consistent 3D Drift-Diffusion and Monte-Carlo Simulations

AbstractField-effect biosensors based on nanowires enjoy considerable popularity due to their high sensitivity and direct electrical readout [1]. However, crucial issues such as the influence of the biomolecules on the charge-carrier transport or the binding of molecules to the surface have not been described satisfactorily yet in a quantitative manner. In order to analyze these effects, we present simulation results based on a 3D macroscopic transport model coupled with Monte-Carlo simulations for the bio-functionalized surface layer. Excellent agreement with measurement data has been found, while detailed study of the influence of the most prominent biomolecules, namely double-stranded DNA and single-stranded DNA, on the current through the semiconductor transducer has been carried out

Сучасна економіка : проблеми та перспективи : поточний інформаційний список, квітень 2019 р.

Поточний інформаційний список містить перелік статей з періодичних видань, які надійшли до бібліотеки за квітень, щодо основних питань економіки

Нові надходження літератури : поточний інформаційний список, квітень-червень 2018 р.

Поточний інформаційний список містить перелік видань з різних галузей знань, які надійшли до бібліотеки за квітень-червень 2018 р

Dynamics of morphofunctional indicators of physical development of students in the age of 17–21 depending on the level of physical load and education profile

The article considers the features of variability of morphofunctional status of students throughout the period of study depending on the features of professional orientation. The study is based on the results of morphofunctional indicators of physical development of students of Polesye State University at the age of 17 to 21 years. The dynamic study was conducted among 260 students of the faculty of physical culture and sports profile (125 girls and 135 boys) and 210 students of the faculty of economic profile with physical load of 4–6 hours per week. The analysis of the research data showed that in the specified age period the processes of growth of the students' organism continue, statistically significant growth of a number of morphometric indices was revealed in boys and girls. The favorable dynamics of formation of adaptation formation of the organism of students of two groups to the performed physical load from I to III year of study was revealed. In the IV year there is a decrease in the level of indicators of the functional state of the examined students.В статье рассматриваются особенности изменчивости морфофункционального статуса студентов на протяжении всего периода обучения в зависимости от особенностей профессиональной ориентации. В основу исследования легли результаты изучения морфофункциональных показателей физического развития студентов Полесского государственного университета в возрасте от 17 до 21 года. Динамическое исследование проведено среди 260 студентов факультета физкультурно-спортивного профиля (125 девушек и 135 юношей) и 210 студентов факультета экономического профиля с физической нагрузкой 4–6 часов в неделю. Анализ данных исследования показал, что в указанный возрастной период продолжаются процессы роста организма студентов, у юношей и девушек выявлен статистически значимый прирост ряда морфометрических показателей. Выявлена благоприятная динамика формирования адаптации организма студентов двух групп к выполняемой физической нагрузке с I по III курс обучения. На IV курсе отмечается снижение уровня показателей функционального состояния обследованных

Automated assessment of the physical condition and health of students

The article describes a computer program for assessing the physical condition and health of university students. The developed computer program allows you to enter and automatically evaluate the indicators of a comprehensive examination of students (anthropometric, morphofunctional indicators, stigmas of dysembriogenesis, indicators of physical fitness, data from the WHO short questionnaire). The functional characteristics of the software allow: enter the data of the results of the examination of students into the database of the program; automatically calculate indices, assess the level of physical health and physical fitness, analyze the severity of connective tissue dysplasia; assess the level of physical, mental and social well-being; automatically form a conclusion (protocol) based on the results of the data analysis; export the conclusion and all indicators of the examined in Exel. The developed software makes it possible to optimize the process of diagnosing the physical condition and health of students, as well as to conduct timely prenosological diagnostics.В статье представлено описание компьютерной программы оценки физического состояния и здоровья студентов вуза. Разработанная компьютерная программа позволяет автоматически оценивать показатели комплексного обследования студентов (антропометрические, морфофункциональные показатели, стигмы дизэмбриогенеза, показатели физической подготовленности, данные краткого опросника ВОЗ). Функциональные характеристики программного обеспечения позволяют: вводить результаты обследования студентов в базу данных программы; автоматически осуществлять расчет индексов, проводить оценку уровня физического здоровья и физической подготовленности, анализировать степень выраженности дисплазии соединительной ткани; оценивать уровень физического, психического и социального благополучия; автоматически формировать заключение (протокол) по результатам проведенного анализа данных; осуществлять экспорт заключения и всех показателей обследованного в Exel. Программное обеспечение позволяет оптимизировать процесс диагностики физического состояния и здоровья студентов, а также проводить своевременную донозологическую диагностику различных патологических состояний и формировать программу профилактических мероприятий в организации образа жизни

Наука України: поточний інформаційний список, ІV квартал 2019 р.

Поточний інформаційний список містить перелік статей з періодичних видань, які надійшли до бібліотеки у період з жовтня по грудень, щодо проблем та основних питань науки

Сучасна економіка: проблеми та перспективи: поточний інформаційний список, березень 2020 р.

Поточний інформаційний список містить перелік статей з періодичних видань, які надійшли до бібліотеки за березень, щодо основних питань економіки

Analysis of the occurrence of disembryogenesis stigmas and changesin morphofunctional indicators of students in the longitudinal period

The article analyzes the frequency of occurrence of disembryogenesis stigmas in 544 people at the age of 17–21, reveals the high spread of systematic injuries of connective tissues. The analysis of changes in morphofunctional indicators in longitudinal period as well as the analysis of these people with phenotypical signs of disembryogenesis have revealed a high percentage of students with low functional reserves and adaptation abilities of the organism (according to the Ruffier index, Robinson index, adaptation potential by R. Bayevsky). The analysis data indicate that the students with phenotypical signs of disembryogenesis, with the physical strain not adequate to the organism state, are prone to more expressed risk regarding development of associated pathological states. The obtained research data can be used for the further analysis of students’ physical development with the account of interrelation of morphofunctional state indicators with phenotypical signs of connective tissues dysplasia.В работе проанализирована частота встречаемости стигм дизэмбриогенеза у 544 лиц в возрасте 17–21 лет, выявлена высокая распространенность системных поражений соединительной ткани. Анализ изменений морфофункциональных показателей в лонгитудинальном периоде, а также анализ данных лиц с фенотипическими признаками дизэмбриогенеза выявили большой процент студентов с низкими функциональными резервами и адаптационными возможностями организма (по данным показателей индекса Руфье, индекса Робинсона, адаптационного потенциала (по Р. М. Баевскому)). Данные анализа указывают на то, что студенты с фенотипическими признаками дизэмбриогенеза, при неадекватной состоянию организма физической нагрузке, подвержены более выраженному риску в отношении развития ассоциированных патологических состояний. Полученные данные исследования могут быть использованы для дальнейшего анализа физического развития студентов с учетом взаимосвязи показателей морфофункционального состояния с фенотипическими признаками дисплазии соединительной ткани