Tesi di laurea in ELETTRONICA NELLA STRUMENTAZIONE I

Tesi di laurea in ELETTRONICA NELLA STRUMENTAZIONE I SENSORI AD ONDE ELASTICHE NELLA DIAGNOSTICA GENOMICA Laureanda: Michela COLLE anno accademico 2003 -2004 Relatore: Prof. Antonio BOSCOLO Correlatore: Ing. dott. Erika MENOSSO 1

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 2

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 3

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. 4

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. 5

IL DNA La doppia elica del DNA e l’appaiamento delle basi azotate 6

IL DNA: separazione dei filamenti p. H o temperatura A G C T singolo filamento 7

IL DNA: IBRIDAZIONE Il riallineamento di singoli filamenti provenienti da fonti diverse è chiamato ibridazione. 8

IL DNA: IBRIDAZIONE p. H o temperatura T C A A A G C T 9

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). 10

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. 11

QCM: DESCRIZIONE E’ possibile stimare la massa depositata in funzione della variazione della frequenza di oscillazione utilizzando l’equazione di Sauerbrey: 12

QCM COME BIOSENSORI-1 SEQUENZA SEQUENZA (B) (BSS) (Aml) (Bnc) 3’-d. CCTC-CTCT-CTCC-CTCT-P(O)2 -O-C 6 H 12 -SH 3’-d. CCTC-CTCT-CTCC-CTCT-O-P(O)2 -O-C 6 H 12 -SS-C 6 H 12 -OH 5’-d. GGAG-GAGA-GAGG-GAGA-3’ 5’-d. GGAG-GAGA-CAGG-GAGA-3’ 5’-d. TCTC-CCTC-TCTC-CTCC-3’ TABELLA OLIGONUCLEOTIDI 0 Df[Hz] seq. Bnc -50 seq. Aml seq. A -100 0 500 1000 1500 TEMPO [s] VARIAZIONE DELLA FREQ. DI OSCILLAZIONE DELLA QCM IN FUNZIONE DEL TEMPO 2000 13

QCM COME BIOSENSORI-2 14

QCM: DESCRIZIONE oro La frequenza di risonanza di una microbilancia dipende sia dalle caratteristiche fisiche geometriche del cristallo quarzo elettrodo quarzo mq= modulo di elasticità tangenziale 15 rq=densità del cristallo

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. 16

QCM: DESCRIZIONE Caratteristica frequenza-temperatura per alcuni tipi di tagli 17

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 (a) , (b) Simbolo cicuitale (a) e circuito equivalente (b) di una QCM 18

QCM: REATTANZA , ws frequenza di risonanza serie wp frequenza di risonanza parallelo 19

QCM: MISURE Per studiare il comportamento elettrico della QCM sono state effettuate delle misure con l’analizzatore di impedenza della HP modello 4192 A LF (5 Hz-13 MHz) , 20

Magnitude (S) QCM: AMMETTENZA , Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della frequenza per una QCM non perturbata. 21

Magnitude (S) QCM: AMMETTENZA , Andamento di modulo e fase dell’ammettenza in funzione della frequenza per una QCM perturbata. 22

Magnitude (S) QCM: MISURE , 23

Magnitude (S) QCM: MISURE , 24

QCM: MISURE Dal grafico e dal calcolo della retta interpolante, si vede che abbiamo una variazione di mezzo Hz per grado della fase. 25

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 , 26

OSCILLATORI SINUSOIDALI + Amplificatore A + Rete di reazione b 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 , e 27

OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Pierce 28

OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Meacham 29

CIRCUITO SCELTO 30

CIRCUITO SCELTO Si può notare che avendo circa 2. 35 periodi ogni 4 ms la frequenza di oscillazione è 5. 9 MHz. Inoltre non vi è smorzamento. 31

CIRCUITO SCELTO Simulazione da 6 ms a 8 ms 32

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. 33