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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 BOSCOLO Correlatore Ing.d
ott. 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 dellarte
  dei sensori basati su DNA
• presentare una valutazione di un metodo di misura
  con caratteristiche adatte allapplicazione 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 duscita proporzionale alla
  concentrazione dellanalita 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 lappaiamento delle
basi azotate
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IL DNA separazione dei filamenti
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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
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IL DNA IBRIDAZIONE e BIOSENSORI

• Libridazione 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 nellambito di questa applicazione
  .

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QCM DESCRIZIONE

• E possibile stimare la massa depositata in
  funzione della variazione della frequenza di
  oscillazione utilizzando lequazione di Sauerbrey

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QCM COME BIOSENSORI-1
TABELLA OLIGONUCLEOTIDI
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

oro
quarzo
elettrodo
quarzo
mq modulo di elasticità tangenziale rqdensità
del cristallo
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QCM DESCRIZIONE
Il taglio AT si distingue per una contenuta
variazione della frequenza in funzione della
temperaturala curva freq-temp ha andamento del
terzo ordine con un flesso tra i 25c e i 35C.
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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
  lanalizzatore di impedenza della HP modello
  4192A LF (5Hz-13MHz)

,
21
QCM AMMETTENZA
Magnitude (S)
,
Andamento di modulo e fase dellammettenza in
funzione della frequenza per una QCM non
perturbata.
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QCM AMMETTENZA
Magnitude (S)
Andamento di modulo e fase dellammettenza 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.
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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
,
27
OSCILLATORI SINUSOIDALI

Amplificatore A

Rete di reazione b
Le oscillazioni non si sostengono se, alla
frequenza del risonatore, il modulo
dellamplificazione di anello è minore di 1 tale
condizione è detta criterio di Barkhausen e si
traduce in
,
e
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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
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CONCLUSIONI e SVILUPPI FUTURI

• si è verificato in letteratura che è possibile
  effettuare la misura di interesse tramite
  lutilizzo 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.