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Tesi di laurea inELETTRONICA NELLA STRUMENTAZIONE
I SENSORI AD ONDE ELASTICHE NELLA
DIAGNOSTICA GENOMICA
Laureanda:Michela COLLE
Relatore:Prof. Antonio BOSCOLOCorrelatore:Ing.dott. Erika MENOSSO
anno accademico 2003-2004
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Schema della presentazione
• Introduzione e descrizione del DNA• Biosensori basati su DNA (sensore primario)• Dispositivi acustici come sensori secondari• Caratterizzazione di una QCM e circuito di
condizionamento per la stessa
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OBIETTIVI DELLA TESI
• condurre una prospezione sullo stato dell’arte dei sensori basati su DNA
• presentare una valutazione di un metodo di misura con caratteristiche adatte all’applicazione di interesse
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CONSIDERAZIONI INIZIALI
La presenza di una malattia genetica è dovuta ad una anomalia nella sequenza del DNA.
E’ possibile individuare questa anomalia e quindi determinare se il soggetto è sano o affetto dalla patologia di interesse.
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BIOSENSORI
Un biosensore è un dispositivo in grado di fornire un segnale d’uscita proporzionale alla concentrazione dell’analita utilizzando come materiale attivo un elemento biologico.
Si combina un trasduttore appropriato con la capacità di un elemento biologico nel riconoscere tale sostanza.
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IL DNA
La doppia elica del DNA e l’appaiamento delle basi azotate
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IL DNA: separazione dei filamenti
pH o temperatura
A GC T
singolo filamento
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IL DNA: IBRIDAZIONE
Il riallineamento di singoli filamenti provenienti da fonti diverse è chiamato ibridazione.
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IL DNA: IBRIDAZIONE
A GC T
ACT
A
pH o temperatura
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IL DNA: IBRIDAZIONE e BIOSENSORI
L’ibridazione è la proprietà che viene impiegata nei biosensori basati sul DNA.
Esistono vari fenomeni sonda secondari sfruttati nei biosensori:
• elettrochimici• ottici• ponderali
La nostra scelta si è orientata verso i risonatori acustici al quarzo (QCM).
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QCM COME BIOSENSORI
Esistono varie sperimentazioni documentate che utilizzano le QCM come trasduttori per studi relativi al DNA; il principio di base del loro funzionamento è lo stesso.
Di seguito illustreremo i due esempi più significativi nell’ambito di questa applicazione .
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QCM: DESCRIZIONE
E’ possibile stimare la massa depositata in funzione della variazione della frequenza di oscillazione utilizzando l’equazione di Sauerbrey:
Amf)103.2(f 2
06
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QCM COME BIOSENSORI-1
SEQUENZA (B)SEQUENZA (BSS)SEQUENZA (A)SEQUENZA (Aml)SEQUENZA (Bnc)
3’-dCCTC-CTCT-CTCC-CTCC-CTCT-P(O)2-O-C6H12-SH3’-dCCTC-CTCT-CTCC-CTCC-CTCT-O-P(O)2-O-C6H12-SS-C6H12-OH5’-dGGAG-GAGA-GAGG-GAGG-GAGA-3’5’-dGGAG-GAGA-CAGG-GAGG-GAGA-3’5’-dTCTC-CCTC-CCTC-TCTC-CTCC-3’
TABELLA OLIGONUCLEOTIDI
0 500 1000 1500 2000 TEMPO [s]
0
-50
-100
f[
Hz]
seq. Bnc
seq. Aml
seq. A VARIAZIONE DELLA FREQ. DI OSCILLAZIONE DELLA QCM IN
FUNZIONE DEL TEMPO
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QCM COME BIOSENSORI-2
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QCM: DESCRIZIONE
La frequenza di risonanza di una microbilancia dipende sia dalle caratteristiche fisiche che geometriche del cristallo
nd2
n
d21f
q
q0
oro
quarzo
elettrodo
quarzo
q= modulo di elasticità tangenzialeq=densità del cristallo
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QCM: DESCRIZIONE
Il taglio AT si distingue per una contenuta variazione della frequenza in funzione della temperatura;la curva freq-temp ha andamento del terzo ordine con un flesso tra i +25°c e i +35°C.
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QCM: DESCRIZIONE
Caratteristica frequenza-temperaturaper alcuni tipi di tagli
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QCM: COMPORTAMENTO ELETTRICO
Nel circuito equivalente C’ tiene conto della capacità tra i due elettrodi; il ramo RLC rappresenta le caratteristiche di risonanza meccanica del quarzo.In particolare:
• Lq= inerzia• Cq= elasticità• Rq= viscosità
,
Simbolo cicuitale (a) e circuito equivalente (b) di una QCM
(a) (b)
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QCM: REATTANZA
s frequenza di risonanza serie p frequenza di risonanza parallelo,
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QCM: MISURE
Per studiare il comportamento elettrico della QCM sono state effettuate delle misure con l’analizzatore di impedenza della HP modello 4192A LF (5Hz-13MHz)
,
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QCM: AMMETTENZA
,Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della
frequenza per una QCM non perturbata.
Mag
nitu
de (S
)
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QCM: AMMETTENZA
Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della frequenza per una QCM perturbata.
,
Mag
nitu
de (S
)
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QCM: MISURE
,
Mag
nitu
de (S
)
24
QCM: MISURE
,
Mag
nitu
de (S
)
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QCM: MISURE
Dal grafico e dal calcolo della retta interpolante, si vede che abbiamo una variazione di mezzo Hz per grado della fase.
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QCM: MISURE
Inoltre si è stimato il fattore di merito della QCM da misure di ammettenza e conduttanza. Si sono ottenuti i seguenti risultati:
,
AMMETTENZA
101401fffQ
Hz5982710fHz5982651f
S601,02Y
S850,0YHz5982680f
12
0
2
1
0
106833fffQ
Hz5982711fHz5982655f
S606,02Y
S858,0YHz5982680f
12
0
2
1
0
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OSCILLATORI SINUSOIDALI
io AXX
of XX
sX
,
AmplificatoreA
Rete di reazione
id XX
Le oscillazioni non si sostengono se, alla frequenza del risonatore, il modulo dell’amplificazione di anello è minore di 1; tale condizione è detta criterio di Barkhausen e si traduce in
1A 0)A( e
+
+
A1A
XX
As
of
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OSCILLATORI SINUSOIDALI
Oscillatore di Pierce
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OSCILLATORI SINUSOIDALI
Oscillatore di Meacham
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CIRCUITO SCELTO
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CIRCUITO SCELTO
Si può notare che aven-do circa 2.35 periodi ogni 4s la frequenza di oscil-lazione è 5.9MHz.Inoltre non vi è smorza-mento.
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CIRCUITO SCELTO
Simulazione da 6ms a 8ms
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CONCLUSIONI e SVILUPPI FUTURI
• si è verificato in letteratura che è possibile effettuare la misura di interesse tramite l’utilizzo di QCM
• si è proposto un metodo ponderale il quale risulta economico ed eventualmente portatile.
• il sistema proposto è riutilizzabile e risulta essere estremamente versatile
Funzionalizzando la superficie della QCM con catene di DNA complementari a sequenze mutate caratteristiche di altre patologie genetiche, sarà possibile creare molteplici test di screening specifici.