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1 Tesi di laurea in ELETTRONICA NELLA STRUMENTAZIONE I SENSORI AD ONDE ELASTICHE NELLA DIAGNOSTICA GENOMICA Laureanda: Michela COLLE Relatore: Prof. Antonio.

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1 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

2 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 3 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

4 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 5 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.

6 6 IL DNA La doppia elica del DNA e lappaiamento delle basi azotate

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

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

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

10 10 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).

11 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 nellambito di questa applicazione.

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

13 13 QCM COME BIOSENSORI-1 SEQUENZA (B) SEQUENZA (BSS) SEQUENZA (A) SEQUENZA (Aml) SEQUENZA (Bnc) 3-dCCTC-CTCT-CTCC-CTCC-CTCT-P(O) 2 -O-C 6 H 12 -SH 3-dCCTC-CTCT-CTCC-CTCC-CTCT-O-P(O) 2 -O-C 6 H 12 -SS-C 6 H 12 -OH 5-dGGAG-GAGA-GAGG-GAGG-GAGA-3 5-dGGAG-GAGA-CAGG-GAGG-GAGA-3 5-dTCTC-CCTC-CCTC-TCTC-CTCC-3 TABELLA OLIGONUCLEOTIDI TEMPO [s] f[Hz] seq. Bnc seq. Aml seq. A VARIAZIONE DELLA FREQ. DI OSCILLAZIONE DELLA QCM IN FUNZIONE DEL TEMPO

14 14 QCM COME BIOSENSORI-2

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

16 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 17 QCM: DESCRIZIONE Caratteristica frequenza-temperatura per alcuni tipi di tagli

18 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: L q = inerzia C q = elasticità R q = viscosità, Simbolo cicuitale (a) e circuito equivalente (b) di una QCM (a)(b)

19 19 QCM: REATTANZA s frequenza di risonanza serie p frequenza di risonanza parallelo,

20 20 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 21 QCM: AMMETTENZA, Andamento di modulo e fase dellammettenza in funzione della frequenza per una QCM non perturbata. Magnitude (S)

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

23 23 QCM: MISURE, Magnitude (S)

24 24 QCM: MISURE, Magnitude (S)

25 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 26 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 27 OSCILLATORI SINUSOIDALI, Amplificatore A Rete di reazione 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 + +

28 28 OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Pierce

29 29 OSCILLATORI SINUSOIDALI Oscillatore di Meacham

30 30 CIRCUITO SCELTO

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

32 32 CIRCUITO SCELTO Simulazione da 6ms a 8ms

33 33 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.


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