Tesi di laurea in ELETTRONICA NELLA STRUMENTAZIONE I SENSORI AD ONDE ELASTICHE NELLA

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

2. 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

3. 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

4. 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.

5. 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.

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

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

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

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

10. 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).

11. 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 .

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

13. 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’ 0 seq. Bnc -50 seq. Aml Df[Hz] seq. A -100 0 500 1000 1500 2000 TEMPO [s] QCM COME BIOSENSORI-1 TABELLA OLIGONUCLEOTIDI VARIAZIONE DELLA FREQ. DI OSCILLAZIONE DELLA QCM IN FUNZIONE DEL TEMPO

14. QCM COME BIOSENSORI-2

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

16. 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.

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

18. 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

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

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

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

23. QCM: MISURE Magnitude (S) ,

24. QCM: MISURE Magnitude (S) ,

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

26. QCM: MISURE AMMETTENZA • Inoltre si è stimato il fattore di merito della QCM da misure di ammettenza e conduttanza. Si sono ottenuti i seguenti risultati: ,

27. 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

28. OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Pierce

29. OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Meacham

30. CIRCUITO SCELTO

31. CIRCUITO SCELTO Si può notare che aven- do circa 2.35 periodi ogni 4ms la frequenza di oscil- lazione è 5.9MHz. Inoltre non vi è smorza- mento.

32. CIRCUITO SCELTO Simulazione da 6ms a 8ms

33. 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.