پروپوزال مهندسی برق الکترونیک طراحی و بهینه­ سازی میکرو بایوسنسور موج آکوستیکی ، برای تشخیص ترکیبات پروتئینی

مشاوره در انجام پایان نامه و پروپوزال ارشد و دکتری، انجام پایان نامه ارشد و دکتری ادیب مشاور، انجام پایان نامه، انجام پایان نامه ارشد، انجام پایان نامه کارشناسی ارشد، انجام رساله دکتری، انجام پایان نامه دکتری

بيان مسأله اساسي تحقيق  :

 

اخیرا توجه شایانی به استفاده از بایوسنسورهای موج حجمی آکوستیکی (FBAR) به منظور تشخیص و بررسی نشان­دهنده­های مختلف بیولوژیکی و محیطی از جمله، ترکیبات شیمیایی آفت­کش­ها، سلول­های سرطانی، پروتئین­ها، می­شود. مهمترین مواد مود استفاده در این سنسرهای مواد پیزوالکتریک­ هستند، که به دلیل حساسیت دوگانه­ ی الکترو-مکانیکی قابلیت خوبی از خود نشان داده­اند. میکرو-بایوسنسورهای FBAR بر پایه تشخیص جرم کارمی­کنند و با توجه به دقت بالا و صحت خوب گزینه بسیار خوبی برای تشخیص ترکیبات شیمیایی مختلف دارند. پایه کاری این رزوناتورها جابه­ جایی فرکانس رزونانسی مودهای ارتعاشی مختلف تحت اثر جرم می­باشد.

به منظور تحریک رزونانسی بایوسنسورهای مدنظر عموما از مودهای ضخامتی برشی و یا از مودهای اتعاشی با ضریب اتلاف پایین استفاده می­شود. از آنجایی که بایوسنسورهای مورد نظر به منظور عملکرد مناسب نیاز به کارکرد در محیط سیال دارند، لذا اتلاف انرژی در این سنسورهای از اهمیت بالایی برخوردار است، به این منظور علاوه بر استفاده از مودهای ارتعاشی با ضریب اتلاف پایین­تر نیاز به طراحی مناسب برای دستیابی به ضریب کیفیت بالا می­باشد. به همین منظور هدف کلی پژوهش پیش­رو بررسی و طراحی بایوسنسور FBAR با ضریب اتلاف پایین و ضریب کیفیت بالا (Q-factor) به منظور بررسی و تشخیص ترکیبات پروتئینی است.

به این منظور در این پایان ­نامه علاوه بر ارائه طرح بایوسنسور جدید به منظور تشخیص بهتر ترکیبات پروتئینی، بهینه­سازی طرح مورد نظر برای دستیابی به ضریب کیفیت بالاتر نیز صورت خواهد شد. لذا ابتدا پس از بررسی چالش­های روبه ­رو جهت تشخیص ترکیبات پروتئینی به بررسی­های مودهای رزونانسی مختلف پرداخته خواهد شد . نهایتا به ارائه طرح کلی بادقت بالا و بهینه­ سازی مدار تهییج و طرح میکروسنسور پرداخته خواهد شد.

 

د - اهمیت و ضرورت انجام تحقيق

 

بایوسنسورها در دهه­ های اخیرشدیدا مورد توجه محققان قرار گرفته ­است. از آنجایی که اکثر باکتری­ها و عامل­های مختلف مورد بررسی در پزشکی، دارای ترکیبات پروتئینی می­باشند، تشخیص ترکیبات پروتئینی می­تواند کمک شایان توجهی به تشخیص و جلوگیری از بیماری­های مهلک کند. پیشگیری از بیماری­های مختلف می­تواند سلامت افراد را به صورت قابل توجهی افزایش دهد. همچنین تشخیص ترکیبات پروتئینی مانند DNA می­تواند علاوه بر کاربرد در پیش­گیری از بیماری در درمان بیماران نیز موثر و کارا باشد.

افزایش بیماری­ها و همچنین پیچیده ­تر شدن پروسه ­ی درمان اهمیت پیشگیری از شیوع بیماری های میکروبی و ویروسی را بیش از پیش برحسته ساخته است. لذا تشخیص به موقع از اهمیت بالایی برخوردار می­باشد. در میان انواع بایوسنسورهای مربوط به تشخیص عوامل بیماری­زا، بایوسنسورهای FBAR  قابلیت خوبی در تشخیص به موقع و دقیق عوامل بیماری توانسته­ اند از خود نشان دهند. اگرچه این سنسورها به دلیل کارکرد در حضور سیال دچار اتلاف بالایی می­باشند و درنتیجه نیاز به کاهش اتلاف انرژی در این سنسورها و همچنین کاهش هزینه ساخت از اهمیت بالایی به منظور دستیابی به بایوسنسور مقرون به صرفه و دقیق برای تشخیص عوامل شیمیایی موثر در بیماری­ها برخوردا هستند.

 

ه- مرور ادبیات و سوابق مربوطه (بيان مختصر پیشینه تحقيقات انجام شده در داخل و خارج کشور پيرامون موضوع تحقیق و نتايج آنها و مرور ادبیات و چارچوب نظري تحقیق):

 

بایورزوناتورهای موج حجمی FBAR مورد توجه محققان مختلف برای تشخیص ترکیبات شیمیایی مختلف قرار داشته ­است. برای کاربردهای تشخیص بایوشیمی و بایولوژی گابل[1]در سال 2003  []،جابه ­جایی فرکانس ناشی از جرم تشخیص نوکلئیک اسید و پروتئین را بررسی کرد. او یک بایوسنسور BAW  با فرکانس نامی 2.2 گیگاهرتز را به منظور تشخیص الیگومرهای DNA در ترکیب تیوآکیل با استفاده از سطح طلا، طراحی کرد و ساخت. آنها بایوسنسور مربوطه را با استرپتاویدین خوابانده، و فرکانس رزونانس خشک در هر مرحله را مورد بررسی و تحلیل قرار دادند. آنها توانستند که برای هم برای پروتئین و هم برای DNA جابه­جایی فرکانسی 1 الی 3 مگاهرتزی، با حساسیت 1.5-2.5 Hz.cm/pg، را به دست آورند.

در ادامه ی کار آنها وبر و همکارانش []، نشان دادند که حساسیت در سیال با استفاده از مود تشدید ضخامتی-برشی به منظور تشخیص ترکیب آویدین/آنتی-آویدین، مود مناسب­ تری می­باشد. حساسیت 558 Hz.cm2/pg در نتایج آنها گزارش شد که در مقایسه با نتایج قبلی بهبود قابل توجهی از خود نشان داد. در سال 2005، ژانگ و همکارانش [] توانستند با استفاده از رزوناتورهاس 1.2-1.4 گیگا هرتزی برای تشخیص بخار ایزوپروپانول به رزولوشن  1 ng/cm2 را به­دست آورند، که در مقایسه با روش­های مشابه (QCM) بهبود قابل توجهی داشت. آنها همچنین در تحقیقی نشان دادند که این طراحی برای شرایط حضور سیال نیز کارایی خوبی از خود نشان می­دهد. اخیرا ژو و همکارانش [] یک لایه میکروفلویدیک برای محبوس سازی سیال در سطح رزوناتور BAW 1.5 گیگاهرتزی توانستند ارائه دهند. آنها توانستند با استفاده از بایوسنسور ارائه شده حساسیت جرمی 1358 Hz.cm2/ng و مینیمم جرم تشخیصی 1.35 ng/cm2  دست­یابند.

اگرچه همچنان پژوهش­های ارائه شده محدودیت تشخیص برای تشخیص مناسب و دقیق ترکیب­های پروتئینی با جرم پایین را از خود نشان می­دهند.  این محدودیت­ها ناشی از فاکتور کیفیت پایین رزوناتورها در شرایط حضور سیال می­باشد، لذا به منظور بهبود بایوسنسورهای موجود در این پژوهش قصد در بررسی اثار پارامترهای مختلف بر فاکتور کیفیت و نتیجتا دقت بایوسنسور را داریم.

 

و – جنبه جديد بودن و نوآوري در تحقيق:

 

با مطالعه پژوهش­های پیشین صورت پذیرفته در زمینه بایوسنسورهای پایه آکوستیکی مشاهده می­شود که با وجود دقت قابل توجه این بایوسنسورها در مقایسه با بایوسنسورهای روش­های دیگر، همچنان دقت این بایوسنسورها به منظور استفاده در بایوشیمی، مخصوصا در بررسی پروتئین­های با جرم ترکیبی پایین، مناسب نمی­باشد. به این منظور در این پژوهش سعی بر بررسی، شبیه­ سازی و بهینه سازی پارامترهای هندسی و کارکردی سنسور برای دستیابی به میکرورزوناتورهای با ضریب اتلاف پایین می­باشد.

به این منظور پس از بررسی دثت و کیفیت رزونانس میکروسنسور مربوطه و بهینه سازی رفتاری و عملکردی آن به ارائه طرح جدید با استفاده از مطالعات صورت پذیرفته پرداخته خواهد شد. لذا ابتدا با استفاده از نرم­افزار شبیه ­سازی موجود به بررسی رفتار فرکانسی میکرو رزوناتورها در مودهای ارتعاشی مختلف پرداخته خواهد شد. علاوه بر اینکه تا کنون بهینه ­سازی رفتار رزونانسی این میکروسنسورها مورد بررسی قرار نگرفته و این پژوهش برای اولین قصد در بررسی پارامتریک آنها را دارد، در این پژوهش برای بررسی و بهینه­سازی از روش­های المان محدود مولتی­ فیزیک به منظور مدلسازی رفتاری میکرورزوناتور استفاده خواهد شد که جای خالی این نوع تحلیل­ها نیز در مطلاعات موجود احساس می­شود.

 

ز- اهداف مشخص تحقيق (شامل اهداف آرماني، کلی، اهداف ويژه و كاربردي):

 

هدف کلی این پژوهش بررسی و مدلسازی بایوسنسورهای FBAR و ارائه طراحی بهینه برای کاهش ضریب اتلاف در این سنسورها است. برای این منظور علاوه بر بررسی پارامترهای هندسی موجود، به بررسی مودهای رزونانسی و پارامترهای ساختاری موجود، نیز پرداخته خواهد شد. به منظور دستیابی به دید مناسب نسبت به پارامترهای موثر در دقت رفتاری بایوسنسورهای FBAR، ابتدا رفتار فیزیکی آن مدلسازی و سپس به بررسی و ارائه راهکار مناسب جهت کاهش ضریب اتلاف و نتیجتا افزایش دقت کارکردی بایوسنسور پرداخته خواهد شد. بررسی­های ابعادی، مود رزونانسی و ساختاری مورد نظر می­تواند کمک شایانی در درک فیزیک حاکمه داشته باشد و بتواند راهکارهای مناسب جهت طراحی بهینه را ارائه دهد.

 

ح – در صورت داشتن هدف كاربردي، نام بهره ‏وران (سازمان‏ها، صنايع و يا گروه ذينفعان) ذكر شود (به عبارت دیگر محل اجرای مطالعه موردی):

 

پژوهش پیش­رو می­تواند در طراحی و ساخت میکرو-بایوسنسورهای قوی­تر به منظور استفاده در مراکز خدمات درمانی و بایوشیمی مورد استفاده قرار گیرد. و لذا علاوه بر امکان بهبود شرایط تشخیص و درمان می­تواند در کاربردهای محیط زیستی، کاربردهای تحقیقاتی و .... نیز موثر باشد.

 

ط-  سؤالات تحقیق:

 

  • ضریب کیفیت رزوناتورهای مورد استفاده در میکروسنسورهای FBAR چگونه قابل بهبود می­باشند؟
  • پارامترهای موثر در دقت و صحت کاری میکرو رزوناتورهای BAW چیستند؟
  • میزان اثر سیال در دقت و کیفیت میکروسنسورهای FBAR چیست و چگونه می­توان اثر منفی آنها را کاهش داد؟

 

ی-  فرضيه‏ هاي تحقیق:

 

  • عدم تاثیر رفتار غیرخطی در مواد پیزوالکتریک مورد استفاده در مدل­سازی و شبیه ­سازی­های صورت پذیرفته
  • عدم تاثیر پارامترهای محیطی مانند، دما، در رفتار رزونانسی میکروسنسور

 

ک- تعريف واژه‏ ها و اصطلاحات فني و تخصصی (به صورت مفهومی و عملیاتی):

پیزوالکتریسیته: خاصیت مواد فروالکتریک که، با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این مواد تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود.

بایو سنسور FBAR: (Film Bulk Acoustic Resonators) بایو سنسورهایی که بر پایه فرکانس تشدید در لایه مواد با انتشار موج حجمی ساخته و طراحی می­شوند.

 

5-روش شناسی تحقیق:

 

الف- شرح كامل روش تحقیق بر حسب هدف، نوع داده ها و نحوه اجراء (شامل مواد، تجهيزات و استانداردهاي مورد استفاده در قالب مراحل اجرايي تحقيق به تفكيك):

تذكر: درخصوص تفكيك مراحل اجرايي تحقيق و توضيح آن، از به كار بردن عناوين كلي نظير، «گردآوري اطلاعات اوليه»، «تهيه نمونه‏ هاي آزمون»، «انجام آزمايش‏ها» و غيره خودداري شده و لازم است در هر مورد توضيحات كامل در رابطه با منابع و مراكز تهيه داده ‏ها و ملزومات، نوع فعاليت، مواد، روش‏ها، استانداردها، تجهيزات و مشخصات هر يك ارائه گردد.

 

به منظور بهینه ­سازی رفتار و ساختار میکروسنسور، ابتدا به بررسی رفتار فیزیکی حاکم بر سنسور، از جمله اثر پیزوالکتریک و رفتار ارتعاشی، پرداخته خواهد شد. به منظور ایجاد مدل دقیق، با استفاده از نرم­افزار­های تجاری موجود، ابتدا باید عوامل موثر در ضریب کیفیت و ضریب اتلاف میکرورزوناتورهای مورد بررسی و همچنین شناخت کافی از رفتار فیزیکی حاکم در مسئله بدست آید. پس از بررسی و تحلیل رفتار میکرورزوناتورهای BAW، سعی در مدلسازی و شبیه ­سازی میکروسنسور با طراحی ساده خواهد شد. پس از ایجاد مدل مناسب و راستی­آزمایی مدل مربوطه با نتایج موجود، به بررسی اثر پارامترهای مختلف از جمله، نوع میکروسنسور، ماده پیزوالکتریک مورد استفاده، پارامترهای هندسی دخیل و ... پرداخته خواهد شد. در این قسمت بیشتر سعی در دستیابی به ضریب اتلاف کمتر در شرایط حضور سیال خواهد بود.

پس از بررسی عوامل موثر ذکر شده در رفتار رزونانسی میکرو رزوناتور مربوطه سعی در اراوه طرح جدید با دقت کارکردی بالاتر، ضریب اتلاف پایین­تر و فرآید ساخت ساده­تر خواهیم کرد. و نهایتا به بررسی عملکرد بایوسنسور ارائه شده و بررسی رفتار آن تحت شرایط کاری (فشار، جرم نشانگر پروتئینی) مختلف خواهیم پرداخت.

 

ب-  متغيرهاي مورد بررسي در قالب یک مدل مفهومی و شرح چگونگی بررسی و اندازه گیری متغیرها:

 

از آنجایی که میزان دقت کاری میکرو سنسورهای FBAR، وابسته به ضریب کیفیت آنها می­باشد، در این پژوهش اثر پارامترهای ابعادی هندسی، پارامترهای مربوط به شرایط کاری بایوسنسور، از جمله اثر ولتاژ کاری، فشار سیال در مقدار ضریب کیفیت پرداخته خواهد شد. و همچنین به بررسی مودهای ارتعاشی مختلف کاری و ساختار کلی میکرو سنسور پرداخته خواهد شد.

 

هـ - روش‌ها و ابزار تجزيه و تحليل داده ‏ها:

استفاده از نرم ­افزارهای مولتی فیزیک موجود به منظور شبیه ­سازی (COMSOL یا HSS)

 

مشاوره تخصصی انجام پایان نامه ارشد

یکی از مهمترین وظایف دانشجویان در مقاطع تحصیلات تکمیلی (کارشناسی ارشد و دکتری) انجام پایان نامه می باشد. فقر اساتید خبره در زمینه های مختلف علمی تحقیقاتی در برخی دانشگاه های داخلی و خارجی موجب سردرگمی دانشجویان عزیز گردیده است، موسسه ادیب مشاور مفتخر است که در پاسخ به این نیاز طی ده سال فعالیت به تعداد بیشماری از دانشجویان ارشد و دکتری خدمات مشاوره تخصصی ارايه داده است.

به طور کلی انجام پایان نامه کاری زمان بر است که دانش و تجربه زیادی نیازمند است. موسسه ادیب مشاور با چندین سال تجربه در عرصه مشاوره و با در اختیار داشتن متخصصین و اساتیدی با تجربه آماده مشاوره و آموزش پایان نامه در کلیه رشته های دانشگاهی می باشد.

علاوه بر این موسسه ادیب مشاور، در زمینه شبیه سازی مقالات، پایان نامه ها و انجام پروژه ها با برنامه نویسی نیز به دانشجویان کشور عزیزمان خدمات لازم را ارائه می کند. این خدمات شامل تحلیل آماری، پیاده سازی با انواع نرم افزارهای مهندسی، برنامه نویسی با انواع زبان های برنامه نویسی و تهیه پرسش نامه می شود.

به طور کلی سر فصل های خدمات موسسه ادیب مشاور عبارتند از:

مشاوره پروپوزال در رشته مدیریت، حسابداری، مهندسی برق قدرت، مهندسی برق الکترونیک، مهندسی کامپیوتر و روانشناسی و دیگر رشته ها

مشاوره پایان نامه در رشته مدیریت، حسابداری، مهندسی برق قدرت، مهندسی برق الکترونیک، مهندسی کامپیوتر و روانشناسی و دیگر رشته ها

استخراج مقاله از پایان نامه در رشته مدیریت، حسابداری، مهندسی برق قدرت، مهندسی برق الکترونیک، مهندسی کامپیوتر و روانشناسی و دیگر رشته ها

انجام پایان نامه کامپیوتر، پروپوزال مهندسی کامپیوتر