Σχεδίαση συστήματος επεξεργασίας σημάτων αισθητήρων – ανάλυση φαινομένων διαταραχών

• Main Author: Καρανικόλας, Βασίλειος Γεώργιος
• Other Authors: Μπίρμπας, Αλέξιος
• Language: gr
• Published: 2015
• Subjects: Βιοαισθητήρες; Διαταραχές; Θόρυβος; 621.381; Biosensors; Fluctuations; Noise; BioFET; RTS; 1/f
• Online Access: http://hdl.handle.net/10889/8236

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή πληροφορίας για τη βιοχημική αντίδραση που συμβαίνει στην επιφάνεια ενός βιοαισθητήρα μέσω της ανάλυσης του φάσματος της ηλεκτρικής ποσότητας εξόδου. Αυτό γίνεται με τη διάσπαση του τελευταίου στα βασικά του συστατικά, ήτοι τη ΦΠΙ (Φασματική Πυκνότητα Ισχύος) της στοχαστικής διαδικασίας που λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια –και την οποία θα αντιμετωπίσουμε ως διαταραχή- και τον ενδογενή θόρυβο της συσκευής. Αρχικά γίνεται μια παρουσίαση της βασικής αρχής λειτουργίας των βιοαισθητήρων και διαμορφώνεται ένα μοντέλο που συνδέει την αντίδραση με το ρεύμα εξόδου του αισθητήρα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο βασικά είδη διαταραχών (RTS και 1/f θόρυβος), η σύνδεσή τους με την περίπτωσή μας καθώς και προκύπτοντα πρακτικά ζητήματα. Έπειτα παρουσιάζεται ένα μακροσκοπικό μοντέλο της αντίδρασης από τη βιοχημεία και διαμορφώνεται ένα μικροσκοπικό μοντέλο από τη σκοπιά της στοχαστικής διαδικασίας μέσω του οποίου εξάγεται και η ΦΠΙ των βιοχημικών διαταραχών. Η τελευταία συγκρίνεται με την παρατηρούμενη στη βιβλιογραφία και με τη χρήση εργαλείων που ερμηνεύουν διαταραχές γίνεται μια προσπάθεια ερμηνείας . Τέλος, υλοποιούμε, προσομοιώνουμε και αξιολογούμε έναν εκτιμητή που ανιχνεύει είδη και ποσότητες αναλυτών αναλύοντας την απόκριση του αισθητήρα και εκμεταλλευόμενος το μοντέλο που έχει παρουσιαστεί. === The goal of this diploma thesis is to infer data about the biochemical reaction taking place on the surface of a biosensor through analyzing the spectrum of the electrical output quantity. This is achieved through decomposing the aforementioned spectrum to its constituents, namely the PSD (Power Spectral Density) of the stochastic process that takes place on the sensor surface (treated as a fluctuation) and the inherent device noise. We initially describe the basic principles by which biosensors operate and we formulate a model that relates reaction quantities to the sensor output current. Two basic kinds of fluctuations (namely RTS and 1/f noise) are then presented and related to our case. Some practical aspects are addressed as well. A macroscopic model of the reaction which is commonly used in biochemistry is then described. Moreover, we describe a microscopic model of the reaction treating it as a stochastic process and we subsequently obtain the PSD of the biochemical fluctuations. The aforementioned PSD is then compared to PSDs extracted from experimental data and an attempt is made to interpret the latter using fluctuation analysis concepts. Finally, we develop, simulate and evaluate an estimator which detects analyte species as well as analyte concentrations through processing of the biosensor response and making use of our model.