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Tesi di laurea in

ELETTRONICA 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 G

C 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:

A

mf)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-SH

3’-dCCTC-CTCT-CTCC-CTCC-CTCT-O-P(O)2-O-C6H12-SS-C6H12-OH

5’-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[H

z]

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

n

d2n

d2

1f

q

q

0

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)

,

21

QCM: AMMETTENZA

,Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della

frequenza per una QCM non perturbata.

Mag

nit

ud

e (

S)

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QCM: AMMETTENZA

Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della frequenza per una QCM perturbata.

,

Mag

nit

ud

e (

S)

23

QCM: MISURE

,

Mag

nit

ud

e (

S)

24

QCM: MISURE

,

Mag

nit

ud

e (

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

101401ff

fQ

Hz5982710f

Hz5982651f

S601,02

Y

S850,0Y

Hz5982680f

12

0

2

1

0

106833ff

fQ

Hz5982711f

Hz5982655f

S606,02

Y

S858,0Y

Hz5982680f

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

+

+

A1

A

X

XA

s

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.