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
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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
G
C
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
pH o
temperatura
T
A
A
A
C
G
C
T
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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:
f  (2.3  10 6 )f 02
m
A
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QCM COME BIOSENSORI-1
SEQUENZA
SEQUENZA
SEQUENZA
SEQUENZA
SEQUENZA
(B)
(BSS)
(A)
(Aml)
(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
f[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
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QCM COME BIOSENSORI-2
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QCM: DESCRIZIONE
oro
La frequenza di risonanza di una
microbilancia dipende sia dalle
caratteristiche fisiche che geometriche
del cristallo
quarzo
2d
n 
n
elettrodo
quarzo
q 1
f0 
 q 2d
q= modulo di elasticità tangenziale
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q=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.
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QCM: DESCRIZIONE
Caratteristica
frequenza-temperatura
per 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
(a)
,
(b)
Simbolo cicuitale (a) e circuito equivalente (b) di una QCM
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QCM: REATTANZA
,
ws frequenza di risonanza serie
wp 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)
,
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.
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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
f0  5982680 Hz
f0  5982680 Hz
Y  0 ,850 S
Y
Y  0 ,858 S
Y
 0 ,601 S
2
f1  5982651 Hz
f2  5982710 Hz
Q
f0
 101401
f2  f1
 0 ,606 S
2
f1  5982655 Hz
,
f2  5982711 Hz
Q
f0
 106833
f2  f1
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OSCILLATORI SINUSOIDALI
Xd  Xi
+
Xs
Amplificatore
A
X o  AX i
+
X f  X o
Rete di
reazione 
Xo
A
Af 

X s 1  A
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
,
A  1
e
(A)  0
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s la frequenza di oscillazione è 5.9MHz.
Inoltre non vi è smorzamento.
31
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.
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