Natural Bio Products Journal
Natural Bio Products Journal

Stepwise Multiphysics Modeling of Bacterial Transport, Surface Interaction, and Electric Field Concentration in a Graphene–Gold Microfluidic Sensor Structure

Articles in Press

Document Type : Original Research Article

Author

Alireza Ahmadi

Department of Biomedical Sciences, Alzahra University, Tehran, Iran

Abstract
Background and objective: Bacterial infections and antimicrobial resistance have increased the need for developing rapid methods for identifying infectious agents. In this study, the hydrodynamic behavior, bacterial transport, surface interaction, and electric field in a graphene–gold microfluidic sensor structure were investigated using Multiphysics modeling.
Methods: A two-dimensional model was developed in COMSOL software that included laminar flow, diluted species transport, reversible surface interaction, frequency-domain electric current, and qualitative particle tracing. The flow under steady-state conditions, the electric field at a frequency of 1 kHz, and species transport and particle tracing in a time-dependent study were investigated.
Findings: The simulation showed a local increase in flow velocity to approximately 1.8 × 10⁻² m/s and pressure in the range of 0.09 to 8.81 Pa. The highest potential gradient occurred in the 50-µm gap between the electrodes, and the electric field strength reached approximately 360 V/m. A decrease in bacterial concentration near the sensor surface was also observed. The surface interaction variable had a negative value, and the variable related to surface conductivity was not used in the electric current model.
Conclusion: The two-dimensional model described the basic patterns of flow, bacterial transport, surface interaction, and electric field in the graphene–gold microfluidic structure. However, the available results do not demonstrate bacterial detection or a change in the electrical signal resulting from bacterial binding.

Keywords

Keywords Bacterial biosensor, microfluidics, graphene&‌‌ndash
gold, Multiphysics modeling, COMSOL Multiphysics, bacterial transport, electric field

Article Title Persian

مدل‌سازی چندفیزیکی مرحله‌ای انتقال باکتری، برهم‌کنش سطحی و تمرکز میدان الکتریکی در ساختار حسگر میکروسیالی گرافن–طلا

Author Persian

علیرضا احمدی
گروه علوم زیست پزشکی، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران
Abstract Persian

زمینه و هدف: عفونت‌های باکتریایی و مقاومت ضدمیکروبی، ضرورت توسعه روش‌های سریع شناسایی عوامل عفونی را افزایش داده‌اند. در این پژوهش، رفتار هیدرودینامیکی، انتقال باکتری، برهم‌کنش سطحی و میدان الکتریکی در یک ساختار حسگر میکروسیالی گرافن–طلا با استفاده از مدل‌سازی چندفیزیکی بررسی شد.
روش­ ها: یک مدل دوبعدی در نرم‌افزار COMSOL توسعه یافت که شامل جریان آرام، انتقال گونه رقیق، برهم‌کنش سطحی برگشت‌پذیر، جریان الکتریکی در حوزه فرکانس و ردیابی کیفی ذره بود. جریان در شرایط پایا، میدان الکتریکی در فرکانس 1 کیلوهرتز و انتقال گونه و ردیابی ذره در مطالعه وابسته به زمان بررسی شدند.
یافته ­ها: شبیه‌سازی افزایش موضعی سرعت جریان تا حدود 1/8×10⁻² متر بر ثانیه و فشار در محدوده 0/09 تا 8/81 پاسکال را نشان داد. بیشترین گرادیان پتانسیل در شکاف 50 میکرومتری الکترودها ایجاد شد و شدت میدان الکتریکی به حدود 360 ولت بر متر رسید. همچنین، کاهش غلظت باکتری در نزدیکی سطح حسگر مشاهده شد. متغیر برهم‌کنش سطحی مقدار منفی داشت و متغیر مربوط به رسانندگی سطحی در مدل جریان الکتریکی مورد استفاده قرار نگرفت.
نتیجه­ گیری: مدل دوبعدی، الگوهای پایه جریان، انتقال باکتری، برهم‌کنش سطحی و میدان الکتریکی را در ساختار میکروسیالی گرافن–طلا توصیف کرد. بااین‌حال، نتایج موجود تشخیص باکتری یا تغییر سیگنال الکتریکی ناشی از اتصال باکتری را نشان نمی‌دهد.

Keywords Persian

کلید واژه ­ها: حسگر زیستی باکتریایی
میکروسیال
گرافن–طلا
مدل‌سازی چندفیزیکی
COMSOL Multiphysics
انتقال باکتری
میدان الکتریکی
Natural Bio Products Journal

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 22 September 2026