1. Принцип вимірювання рівня глюкози
2. Навіщо моделювати вимір рівня глюкози програмними засобами?
3. Приклад датчика, що вимірює рівень глюкози

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Діабет у всьому світі є невиліковним смертельно небезпечним захворюванням - згідно з оцінками Всесвітньої організації охорони здоров'я, в світі налічується 350 мільйонів хворих на діабет з річною летальністю в середньому близько 1%. На щастя, досягнення сучасної медицини дозволяють діабетикам контролювати рівень глюкози і її надходження, що значно знизило небезпеку захворювання у багатьох країнах. Більшість хворих на діабет повинні контролювати рівень цукру в протягом дня, і для цього необхідний точний метод вимірювання концентрації глюкози в крові. У конструкції сучасних датчиків використовується електрохімічний метод вимірювання.

Принцип вимірювання рівня глюкози

Контроль діабету, що полягає у взятті проб крові пацієнта кілька разів на день, м'яко кажучи, є інвазивним і незручним. Тривалі дослідження в області електрохімії дозволяють створювати все більш швидкі і точні методики вимірювання рівня глюкози, які до того ж вимагають збору набагато меншої кількості крові. Крім того, за допомогою електрохімічних методів можна значно знизити існуючі незручності, пов'язані з контролем діабету.

«Перевірка рівня глюкози» (David-i98) - власна робота. з Вікіпедії .

Електрохімічні методи визначення рівня глюкози засновані на виявленні оксидаз глюкози (GOx), які є біологічними ферментами, окислюючими молекули глюкози до глюконової кислоти. У природі окислення досягається за рахунок біологічного окислювача, наприклад, коферменту FAD + (цей кофермент фактично є каталізатором, оскільки він може окислюватися назад до вихідного стану за участю розчиненого кисню).

В електрохімічної осередку такий процес окислення може протікати на поверхні електрода, при цьому електрони потрапляють в електричний ланцюг і створюють в ній струм, величина якого може бути виміряна. У добре спроектованому датчику сила струму буде пропорційна кількості глюкози, яка набрала в реакцію з ферментом, а значить, і поточної концентрації глюкози. Дана концепція випливає з новаторських досліджень американського вченого-медика Леланда Кларка (Leland Clark).

Завдяки специфічності біологічного ферменту GOx датчик дозволяє однозначно визначати рівень глюкози навіть в такій суміші, як кров, що містить велику кількість хімічних сполук. Нарешті, зазначена методика була доповнена використанням окисно-відновних медіаторів, які є більш ефективними реагентами, ніж кисень, що сприяє більш точним вимірам без впливу зовнішніх впливів.

Навіщо моделювати вимір рівня глюкози програмними засобами?

Багато компаній в світі виробляють датчики глюкози для використання пацієнтами. В даний час процес розробки минув стадію перевірки концепції. Оптимальні датчики глюкози, що випускаються в даний час, повинні відповідати новітнім технологічним вимогам з урахуванням економічних і виробничих обмежень.

Хоча принцип роботи електрохімічного датчика рівня глюкози вельми простий, його реалізація може виявитися складним. Оскільки датчик повинен працювати в різних умовах, необхідно продумане рішення, що забезпечує пряму кореляцію вимірюваного струму і концентрації глюкози в зразку. На практиці труднощі можуть полягати у зміні концентрації кисню в крові, а також в присутності інших хімічних речовин, які вступають в аналогічні реакції з глюкозою. Крім цього, можлива зміна температури датчика під впливом крові, що має температуру тіла. Всі перераховані вище фактори можуть впливати на вимірюваний електричний струм в датчику.

Програмне середовище COMSOL Multiphysics є ідеальним засобом для вирішення прикладних двовимірних і тривимірних задач електроаналіза. Чому? У цьому середовищі можна з легкістю об'єднати моделювання електрохімічних процесів з іншими фізичними явищами, наприклад, ТЕПЛОМАСООБМІННИХ. Більш того, можливість додавати визначені користувачем змінні і рівняння дозволяє включати в модель нестандартні або складні явища типу ферментативної кінетики . Нерідко теоретична модель розробляється на основі експериментальних даних про поведінку електрохімічної системи. Тому від методів чисельного моделювання потрібна висока гнучкість.

Приклад датчика, що вимірює рівень глюкози

Просту модель датчика рівня глюкози можна знайти в Бібліотеці моделей COMSOL Multiphysics . Датчик в цьому моделі використовує «зустрічно-штирьовий електрод», в якому анод і катод осередки датчика розділені на велику кількість «штирьків», розташованих паралельно один одному, що дозволяє досягти максимальної щільності струму і чутливості системи. Оскільки довжина «штирьків» зазвичай значно перевищує їх ширину, нею можна знехтувати і спростити завдання до двомірної елементарної комірки.

Модель враховує массообмен глюкози і окислювально-відновних медіаторів за рахунок дифузії і потоків даних речовин в систему і з неї. Крім того, катализируемая ферментом реакція між окисно-відновними медіаторами і глюкозою вводиться в модель за допомогою заданого користувачем закону Міхаеліса-Ментен для швидкості кінетичної реакції (він докладно описаний в попередній замітці мого колеги Еяла Спіра (Eyal Spier) Enzyme Kinetics, Michaelis-Menten Mechanism (Ферментативна кінетика, механізм Міхаеліса - Ментен)).

На нижньому малюнку наведено концентрацію ферроціанідного окислювально-відновного медіатора при протіканні сталого струму в датчику.

На аноді (робочому електроді) знизу в центрі дана речовина окислюється з відновленням іншого окислювально-відновного з'єднання, феррицианида, що призводить до зменшення концентрації. На катоді (протилежний електрод) в нижніх лівому і правому кутах елементарної комірки ферроцианид регенерується і дифундує назад до робочого електроду в «окислювально-відновному циклі», що забезпечує високу щільність струму.

На наступній діаграмі показана залежність сили струму від концентрації глюкози для робочого датчика (синя лінія), на якій видно, що відгук ідеалізованого датчика є лінійним в досліджуваному діапазоні концентрацій глюкози.

Проте, порушити роботу датчика неважко (зелена лінія). Для цього представимо, що швидкість окислення ферментом самої глюкози в 10 разів нижче. Цю умову можна задати, зменшивши коефіцієнт ферментативної кінетики v_ \ mathrm {max}. В цьому випадку лінійність відгуку при тих же концентраціях не забезпечується. Це показує, що для того, щоб вимірюваний струм в датчику глюкози дійсно відбивав рівень її концентрації, необхідно ретельне проектування. Ви можете спробувати самостійно варіювати параметри моделі, щоб з'ясувати вплив інших ефектів.

Порада: ознайомтеся з моделлю Glucose Sensor (Датчик глюкози) в Галереї моделей.