The objectives of this efforts was to develop spectroscopic ellipsometry method for investigation of optical properties: (i) of multi-layered nanostructures used for Bovine leukaemia virus glycoprotein gp51 recognition, (ii) nanostructures consisting of monomeric (mGCSF) and dimeric (dGCSF) granulocyte colony stimulating factor and its receptor (GCSF-R) and (iii) Al2O3/ZnO nanolaminates designed by atomic layer deposition method. In particular, focusing on the investigation of: • biological recognition layers of immunosensors by means of comparison of analytical sensitivities of ellipsometric parameters Δ and Ψ in order to estimate differences in orientation of immobilized intact- and fragmented-antibodies against bovine leukemia virus antigen gp51; • the kinetics of biosensing layer formation, which was based on the immobilization of fragmented and intact antibodies, kinetics of antigen interaction with the immobilized antibodies and interactions of monomeric (mGCSF) and dimeric (dGCSF) granulocyte colony stimulating factor and its receptor (GCSF-R) immobilized on a thin gold layer; • kinetic coefficients of monomolecular biological layer formation process using model which takes into consideration partial reversibility (residence time) effect; • optical constants of Al2O3 and ZnO monolayer as well as Al2O3/ZnO nanolaminates prepared by atomic layer deposition method in order to investigate possibilities to apply these nanolaminates for optical biosensors. / Spektroskopinės elipsometrijos metodas išvystytas ir pritaikytas (i) daugiasluoksnių nanostruktūrų, skirtų galvijų leukemijos viruso (GLV) antigeno gp51 aptikimui, (ii) nanostruktūrų, sudarytų iš monomerinio ir dimerinio granuliocitų kolonijas stimuliuojančio faktoriaus bei jų receptoriaus ir (iii) Al2O3/ZnO nanolaminatų, pagamintų atominių sluoksnių nusodinimo metodu, optinių savybių tyrimams • Tiriant elipsometrinių parametrų Δ ir Ψ jautrumą biojutikliuose, sudarytuose iš biologiškai aktyvių sluoksnių, nustatyti biomolekulių orientacijos skirtumai tarp sluoksnių, sudarytų iš imobilizuotų skaldytų ir neskaldytų antikūnų prieš GLV antigeną. • Ištirti biologiškai aktyvūs sluoksniai, sudaryti iš imobilizuotų skaldytų ir neskaldytų antikūnų prieš GLV antigeną sąveikos su antigenu gp51 ir granuliocitų kolonijas stimuliuojančio faktoriaus (GCSF) receptoriaus imobilizuoto ant aukso paviršiaus, sąveikos su GCSF monomeru ir dimeru formavimosi kinetikos. • Pritaikant modelį, įskaitantį negrįžtamos imobilizacijos reiškinį, nustatytos monomolekulinių biologinių sluoksnių iš antikūnų prieš GLV ir antigeno gp51 bei GCSF ir jo receptoriaus formavimosi kinetinės konstantos. • Nustatytos Al2O3 ir ZnO sluoksnių bei Al2O3/ZnO nanolaminatų, suformuotų naudojant atominių sluoksnių nusodinimo metodą, optines konstantos ir ištirtos galimybes šias struktūras panaudoti biojutikliuose.

Matematinis ir skaitinis biojutiklių modeliavimas yra svarbus uždavinys, kuriant naujus ir tobulinant esamus biojutiklius. Disertacijos tyrimo objektas – matematiniai bei skaitiniai modeliai, aprašantys naujoviškų lipazės aktyvumo nustatymo biojutiklių bei teorinio biojutiklio, padengto valdoma membrana, veikimą. Tyrimo tikslai – nustatyti, kokie matematiniai ir skaitiniai modeliai geriausiai tinka lipazės aktyvumo nustatymo biojutikliams aprašyti, taip pat nustatyti, kokiais parametrais pasižymėtų biojutiklis, turintis valdomą membraną, kokiomis sąlygomis išryškėtų jo privalumai ir trūkumai. Nustatyta, kad lipazės aktyvumo matavimo biojutiklio modeliavimui klasikinį modelį reikia papildyti netiesiniu nariu. Biojutiklis su valdoma membrana pasiteisintų, jei fiziškai neištraukiant jutiklio iš darbinės aplinkos, reikėtų perjunginėti jo darbo režimą iš difuzinio į kinetinį ir atvirkščiai. / Biosensor mathematical and computer modeling is an important task for the development of new biosensors and for the improvement of the existing ones. Objects of this study are mathematical and numerical models which describe operation of novel lipase activity assessment biosensors and theoretical biosensor with controllable permeability membrane. Specific aims of this thesis are to identify what mathematical and numerical models are best suited for modeling specific lipase activity assessment biosensors and to identify what parameters of operation are specific for biosensor with controllable membrane. Also to identify the conditions which would reveal the positive and negative features of controllable membrane. It was discovered that in the case of lipase activity assessment biosensor the classic mathematical model should be extended with a non-linear term (in respect to substrate). Also, it was discovered that biosensor with controllable membrane would be useful in cases when biosensor cannot be physically removed from the operating environment, but still needs to be reconfigured for operation in the kinetic or diffusion mode.

Biosensor mathematical and computer modeling is an important task for the development of new biosensors and for the improvement of the existing ones. Objects of this study are mathematical and numerical models which describe operation of novel lipase activity assessment biosensors and theoretical biosensor with controllable permeability membrane. Specific aims of this thesis are to identify what mathematical and numerical models are best suited for modeling specific lipase activity assessment biosensors and to identify what parameters of operation are specific for biosensor with controllable membrane. Also to identify the conditions which would reveal the positive and negative features of controllable membrane. It was discovered that in the case of lipase activity assessment biosensor the classic mathematical model should be extended with a non-linear term (in respect to substrate). Also, it was discovered that biosensor with controllable membrane would be useful in cases when biosensor cannot be physically removed from the operating environment, but still needs to be reconfigured for operation in the kinetic or diffusion mode. / Matematinis ir skaitinis biojutiklių modeliavimas yra svarbus uždavinys, kuriant naujus ir tobulinant esamus biojutiklius. Disertacijos tyrimo objektas – matematiniai bei skaitiniai modeliai, aprašantys naujoviškų lipazės aktyvumo nustatymo biojutiklių bei teorinio biojutiklio, padengto valdoma membrana, veikimą. Tyrimo tikslai – nustatyti, kokie matematiniai ir skaitiniai modeliai geriausiai tinka lipazės aktyvumo nustatymo biojutikliams aprašyti, taip pat nustatyti, kokiais parametrais pasižymėtų biojutiklis, turintis valdomą membraną, kokiomis sąlygomis išryškėtų jo privalumai ir trūkumai. Nustatyta, kad lipazės aktyvumo matavimo biojutiklio modeliavimui klasikinį modelį reikia papildyti netiesiniu nariu. Biojutiklis su valdoma membrana pasiteisintų, jei fiziškai neištraukiant jutiklio iš darbinės aplinkos, reikėtų perjunginėti jo darbo režimą iš difuzinio į kinetinį ir atvirkščiai.

Biosensors are analytical devices made up of a combination of a biological entity, usually an enzyme, that recognizes a specific analyte (substrate) and the transducer that translates the biorecognition event into a signal. In order to create new types of biosensors the corresponding experimental studies are necessary. Computational experiments could very well replace very expensive physical ones. However, the multi-step character of a chemical reaction scheme must be considered and modeled accordingly. In this thesis such reaction schemes were studied in great details. Original mathematical models were developed for optical peroxidase-based and amperometric laccase-based biosensors. The deterministic nature of model construction allows the automated models to be built. Based on this assumption flexible model for computational modeling of different practical multistep biosensors was developed. In order to optimize the numerical solution of the reaction-diffusion type equations common finite difference schemes were compared. The comparison shows that the fastest schemes to achieve the required relative error are implicit and Hopscotch schemes. For the problems where accuracy is not a significant factor but the speed is, the simplest explicit scheme should be used. Applying the new flexible model a computational modeling of the multi-step biosensors were produced. The modeling of laccase biosensor explained and confirmed the synergistic effect. The computational modeling of the... [to full text] / Biojutikliai yra analitiniai įtaisai sudaryti iš biologiškai aktyvios bei selektyviai atpažįstančios substratą medžiagos, dažniausiai fermento, ir keitiklio formuojančio makroskopinį fizinį signalą. Naujų įtaisų kūrimui būtini lygiagretūs eksperimentiniai tyrimai. Skaitiniai eksperimentai gali patikimai pakeisti fizinius. Modeliuojant tokius biojutiklius, būtina atsižvelgti į juose vykstančių procesų daugiapakopį pobūdį. Šiame darbe nuodugniai ištirtos tokių reakcijų schemų savybės. Sudaryti originalūs matematiniai modeliai optiniam peroksidaziniam bei amperometriniam lakaziniam daugiapakopiams biojutikliams. Deterministinė modelių sudarymo proceso prigimtis leidžia jį automatizuoti. Remiantis šiuo principu sukurtas bendras įrankis kompiuteriniam daugiapakopių biojutiklių modeliavimui. Siekiant optimizuoti skaitinį sprendimą palygintos dažniausiai naudojamos baigtinių skirtumų skaitinio sprendimo schemos sprendžiant reakcijos - difuzijos lygtis. Pastarasis palyginimas parodė, kad greičiausiai reikiamas sprendinio tikslumas pasiekiamas taikant neišreikštinę bei Hopscotch schemas. Uždaviniams, kuriems sparta svarbesnė už tikslumą, turėtų būti taikoma išreikštinė schema. Taikant naują įrankį atliktas kompiuterinis daugiapakopių biojutiklių modeliavimas. Kompiuterinis lakazinio biojutiklio modeliavimas teoriškai paaiškino eksperimentiškai stebėtą sinergetinę mediatoriaus įtaką biojutiklio atsakui. Peroksidazinio biojutiklio kompiuterinio modeliavimo rezultatai parodė, kad plataus... [toliau žr. visą tekstą]

Biojutikliai yra analitiniai įtaisai sudaryti iš biologiškai aktyvios bei selektyviai atpažįstančios substratą medžiagos, dažniausiai fermento, ir keitiklio formuojančio makroskopinį fizinį signalą. Naujų įtaisų kūrimui būtini lygiagretūs eksperimentiniai tyrimai. Skaitiniai eksperimentai gali patikimai pakeisti fizinius. Modeliuojant tokius biojutiklius, būtina atsižvelgti į juose vykstančių procesų daugiapakopį pobūdį. Šiame darbe nuodugniai ištirtos tokių reakcijų schemų savybės. Sudaryti originalūs matematiniai modeliai optiniam peroksidaziniam bei amperometriniam lakaziniam daugiapakopiams biojutikliams. Deterministinė modelių sudarymo proceso prigimtis leidžia jį automatizuoti. Remiantis šiuo principu sukurtas bendras įrankis kompiuteriniam daugiapakopių biojutiklių modeliavimui. Siekiant optimizuoti skaitinį sprendimą palygintos dažniausiai naudojamos baigtinių skirtumų skaitinio sprendimo schemos sprendžiant reakcijos - difuzijos lygtis. Pastarasis palyginimas parodė, kad greičiausiai reikiamas sprendinio tikslumas pasiekiamas taikant neišreikštinę bei Hopscotch schemas. Uždaviniams, kuriems sparta svarbesnė už tikslumą, turėtų būti taikoma išreikštinė schema. Taikant naują įrankį atliktas kompiuterinis daugiapakopių biojutiklių modeliavimas. Kompiuterinis lakazinio biojutiklio modeliavimas teoriškai paaiškino eksperimentiškai stebėtą sinergetinę mediatoriaus įtaką biojutiklio atsakui. Peroksidazinio biojutiklio kompiuterinio modeliavimo rezultatai parodė, kad plataus... [toliau žr. visą tekstą] / Biosensors are analytical devices made up of a combination of a biological entity, usually an enzyme, that recognizes a specific analyte (substrate) and the transducer that translates the biorecognition event into a signal. In order to create new types of biosensors the corresponding experimental studies are necessary. Computational experiments could very well replace very expensive physical ones. However, the multi-step character of a chemical reaction scheme must be considered and modeled accordingly. In this thesis such reaction schemes were studied in great details. Original mathematical models were developed for optical peroxidase-based and amperometric laccase-based biosensors. The deterministic nature of model construction allows the automated models to be built. Based on this assumption flexible model for computational modeling of different practical multistep biosensors was developed. In order to optimize the numerical solution of the reaction-diffusion type equations common finite difference schemes were compared. The comparison shows that the fastest schemes to achieve the required relative error are implicit and Hopscotch schemes. For the problems where accuracy is not a significant factor but the speed is, the simplest explicit scheme should be used. Applying the new flexible model a computational modeling of the multi-step biosensors were produced. The modeling of laccase biosensor explained and confirmed the synergistic effect. The computational modeling of the... [to full text]

Magistrinio darbo tikslas yra sukurti kompiuterinį amperometrinio biojutiklio su chemiškai modifikuotu elektrodu modelį ir ištirti jo savybes. Modelis papildo egzistuojančius modelius mediatoriaus sluoksniu. Mediatoriaus koncentracija sluoksnyje nėra konstanta, tirpsta biojutiklio veikimo eigoje. Darbe apžvelgiama medžiaga apie amperometrinius biojutiklius, biojutiklio modeliavimo aspektus, mediatoriaus tirpimo priežastis ir veikimo principus. Vėliau suformuluojamas pasirinkto biojutiklio matematinis modelis. Matematiniame modelyje pateikiamos diferencialinės lygtys su dalinėmis išvestinėmis, aprašančios biojutiklyje vykstančias reakcijas ir difuzijas. Pagal matematinį modelį yra sudaromas skaitinis modelis. Pagal žinomus analizinius sprendimus modelis yra ratifikuojamas. Remiantis skaitiniu modeliu buvo sukurta programinė įranga įgyvendinanti diferencialinių lygčių su dalinėmis išvestinėmis sprendimo metodą (išreikštinę baigtinių skirtumų schemą) ir simuliuojanti biojutiklio veikimą. Programinė įranga yra karkasas, leidžiantis nagrinėti sumodeliuoto biojutiklio savybes bei charakteristikas. Buvo ištirtos substrato ir mediatoriaus koncentracijų, mediatoriaus, fermento, difuzijos sluoksnių, bei mediatoriaus sluoksnio difuzijos koeficiento įtakos biojutiklio generuojamos srovės tankiui. Be to gauti dviejų modelių palyginimo rezultatai parodė sumodeliuoto biojutiklio modelio skirtumus ir panaudojimo prasmingumą. / The aim of master thesis is to model amperometric biosensor with chemically modified electrode, introducing into existing model one more additional mediator layer. Mediator concentration inside the layer is changing during the biosensor action. Master thesis content consists of: enzyme kinetics introduction, biosensor modeling peculiarities exploration, chemically modified electrode information, biosensor action aspects description. Following chapter concentrates on mathematical modeling of particular biosensor type. Mathematical model represents differential equations with partial derivatives describing the reactions and diffusion inside biosensor. Next, numerical model is formulated. The explicit method technique was used. Based on numerical model software was made and validated. Using software the biosensor action was simulated in order to investigate biosensor properties and characteristics. In this work several properties were analyzed: impact of substrate and mediator concentrations, size of mediator, enzyme and diffusion layers, mediator layer diffusion coefficient on biosensor response. This model was compared with previous introduced model and it was shown that there is some difference between them and there is a reason to use new model.