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QCMagic: Microbilancia a Cristalli di Quarzo

QCMagic EpsilonPI appartiene alla classe degli strumenti basati su un trasduttore al quarzo (Quartz Crystal Microbalance-based, QCM), un sottile disco in quarzo con due elettrodi deposti sulle due facce. Tipicamente, per questa tipologia di applicazione, il cristallo è spesso pochi decimi di millimetri ed è di taglio AT.
Gli elettrodi possono essere di diversi metalli ma tra i più usati ci sono oro e platino, connessi attraverso dei contatti ad un circuito oscillatore, tarato sulla frequenza fondamentale del cristallo stesso che dipende dal suo spessore, dalla sua natura chimica, dalla sua forma e dalla sua massa.

Il meccanismo di trasduzione di un quarzo risiede nella sua capacità piezoelettrica, scoperta dai fratelli Curie nel 1880. E’ un elemento in cui le onde acustiche si propagano in una direzione perpendicolare alla superficie del cristallo.
La frequenza di oscillazione è influenzata dallo spessore, dalla densità e dal tipo di taglio del quarzo e dalle proprietà fisiche del mezzo con cui il quarzo è posto in contatto, come ad esempio la densità e la viscosità.
Proprio sfruttando questa caratteristica, nel 1959 Saurbrey ha dimostrato che la variazione della frequenza di oscillazione di un quarzo è collegata ad una massa solidamente adesa alla sua superficie dalla relazione: dove Δf é la variazione di frequenza, Δm è la variazione di massa (per unità di area) adesa alla superficie, n è l’overtone number del quarzo, f0 è la sua frequenza di oscillazione fondamentale e nq e pq sono rispettivamente la densità e la viscosità del quarzo stesso. Per un quarzo di taglio AT, Δf = - 2.26 x10-6 f0 2 Δm

Questa relazione di proporzionalità inversa tra Δf e Δm vale per in fase gassosa e per una massa rigidamente adesa alla superficie del quarzo.
In una fase liquida, il quarzo non è più solo un sensore di massa ma è influenzato anche e soprattutto dai parametri chimico-fisici della soluzione con cui è in contatto; la relazione che lega la sua variazione di frequenza diventa quindi (Nomura et al, 1982): dove f0 è la frequenza di oscillazione fondamentale e nq e pq sono la densità e la viscosità del quarzo stesso e n e p sono la densità e la viscosità della soluzione.
Per un quarzo di taglio AT, che oscilla ad una frequenza fondamentale di 10MHz, con una faccia esposta ad una soluzione diluita, vicino alla temperatura ambiente, Δ

Vantaggi della tecnica

I vantaggi della tecnica descritta sono essenzialmente la capacità di quantificare la variazione di massa legata alla superficie del quarzo e la possibilità di caratterizzarla dal punto di vista visco-elastico.
Ci sono altre peculiarità che danno complessivamente un’idea dell’efficacia dell’utilizzo della tecnologia QCM:

  • la tecnica è label-free, quindi non necessita della presenza di alcun marcatore per rilevare l’avvenuto riconoscimento tra una specie adesa sulla superficie del quarzo ed una in soluzione o in fase gassosa;
  • la trasduzione del segnale attraverso il quarzo e quindi attraverso un principio piezoelettrico permette di lavorare con soluzioni complesse e spesso otticamente opache;
  • la tecnica è in grado di rivelare “piccoli” cambiamenti all’interfaccia soluzione-superficie del quarzo che possono essere dovuti a variazioni di massa adesa (dell’ordine delle frazioni di nanogrammo), a cambiamenti di viscosità-densità nella soluzione e a cambiamenti viscoelastici nello strato di legame tra soluzione e superficie del quarzo drettamente in real-time e in situ;
  • la tecnica è relativamente semplice da usare e la strumentazione di base per utilizzarla è non troppo costosa.

Sebbene la tecnica non permetta l’equivalente di un “high throughput array” per lo screening di farmaci o biomateriali, può essere utilizzata come “low throughput array”, utile ad esempio in casi in cui si necessiti di uno screening secondario. In questa situazione, la tecnologia QCM è interessante per caratterizzare la massa e le proprietà viscoelastiche di sottili strati biopolimerici che incorporano sistemi biomolecolari, sia durante la loro formazione che una volta formatisi e in condizioni ambientali reali.

Applicazioni

La tecnologia QCM è applicabile allo sviluppo di biosensori per gas e per liquido, allo studio di polimeri e biopolimeri, allo studio e alla caratterizzazione di biomateriali, allo studio e allo sviluppo di nuovi farmaci e, in generale, alla caratterizzazione “di quello che succede” tra uno strato adeso sulla superficie di un quarzo e di una specie con cui viene a contatto.

Analisi di gas

L’utilizzo di trasduttori al quarzo la cui superficie è stata resa chimicamente sensibile con dei chemorecettori per sostanze volatili ha permesso lo sviluppo di analizzatori di odori e di vapori, fino alla progettazione e alla realizzazione di veri e propri “nasi artificiali”.tto.

Studi antigene-anticorpo con riconoscimento specifico e a-specifico

Un quarzo è stato silanizzato e ricoperto con BSA (Bovine Serum Albumine) e la soluzione con cui viene messo in contatto contiene anticorpi specifici per BSA (1 mg/ml) Lo stesso quarzo è stato messo in contatto con una soluzione NON contenente anticorpi specifici

Studi di costanti di associazione, di dissociazione e di affinità

Si può modellare matematicamente l’andamento delle curve di variazione della frequenza nel tempo e ricavare le costanti cinetiche di legame tra una specie adesa su un quarzo ed una fatta fluire in soluzione.

Studi di variazione di soluzioni a diversa densità e viscosità

Si può modellare matematicamente l’andamento delle curve di variazione della frequenza nel tempo e ricavare le costanti cinetiche di legame tra una specie adesa su un quarzo ed una fatta fluire in soluzione.

Analisi di biopolimeri e macromolecole:

A. buffer di ibridazione ; B. target (10 min) ; C. buffer di ibridazione ; D. soluzione rigenerante HCl 1mM Dato analitico: FC - FA

tratto da: The 6th Workshop on Biosensors and BioAnalytical-Techniques in Environmental and Clinical Analysis October 8-12, 2004, ENEA,S. Maria di Galeria, Rome, Italy
Poster section DNA08: A NOVEL PIEZOELECTRIC BIOSENSOR FORMAT FOR THE DETECTION OF CLINICALLY RELEVANT TP53 GENE MUTATION M.Minunni 1, M.Adami 2, D.Dell’Atti 1, S.Tombelli 1, M.M.Spiriti 1, M.Mascini 1
1. Polo Scientifico, Via della Lastruccia 3, 50019 Sesto Fiorentino, Firenze (Italy)
2. ElbaTech s.r.l., Via Roma 1, 57030 Marciana (LI) (Italy)

Lo strumento QCMagic EpsilonPi

QCMagic è uno strumento di tipo Quartz Crystal Microbalance basato sull'innovativa piattaforma hardware EpsilonPi (www.epsilonpi.eu) che permette di:

  • usare il dispositivo sia in modalità stand-alone, sia tramite software di pilotaggio
  • controllare l'esperimento da remoto, via rete
  • garantire alta velocità di acquisizione unitamente ad alta precisione delle misure
  • QCMagic integra un preciso oscillatore per quarzi e una sofisticata elettronica di misura della frequenza di oscillazione e del fattore di qualità del cristallo.
  • Opera sia in ambiente gassoso che in liquido mediante una cella di misura in Plexiglass o Teflon, che permette di effettuare sia misurazioni statiche che a flusso.
  • QCMagic visualizza in tempo reale su un display a cristalli liquidi i dati acquisiti e contemporaneamente li invia in rete con un robusto protocollo di comunicazione. Il software di visualizzazione e salvataggio dei dati è multi-piattaforma (può quindi essere installato su sistemi operativi Windows, Linux, MacOs, etc.) ed essendo basato su Ethernet permette di controllare lo strumento contemporaneamente da più postazioni.
  • Il dispositivo dispone inoltre di due uscite opzionali (BNC su pannello posteriore) che riportano valori di tensione rispettivamente proporzionali alla frequenza e al fattore di qualità del cristallo. Questa opzione permette di utilizzare QCMagic come add-on di complemento per misure potenziometriche con apparecchiature di terzi.

Brochure QCMagic



INFORMAZIONI COMMERCIALI:

Dr Paolo Antonucci
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References

M. Adami, M. Sartore, C. Nicolini, Potentiometric and nanogravimetric biosensors for drug screening and pollutants detection", Food Technology and Biotechnology , Vol. 34 (4), pp. 125-130, 1996.

M. Sartore, V.I. Troitsky, T.S. Berzina, D. Nardelli, Instrument for Depositing Alternating LB Films Using a Protective Layer", Review Scientific Instruments, Vol. 67(12), pp. 4216-4223, 1996.

Development of combined DNA-based piezoelectric biosensors for the simultaneous detection and genotyping of high risk Human Papilloma Virus strains Daniela Dell’Atti a, Michele Zavaglia a, Sara Tombelli a, Gloria Bertacca b, Andrea O. Cavazzana b, Generoso Bevilacqua b, Maria Minunni a,?, Marco Mascini a a Department of Chemistry, University of Florence, Via della Lastruccia 3, 50019, Sesto Fiorentino, Italy b Division of Surgical, Molecular and Ultrastructural Pathology, University of Pisa and Pisa University Hospital, Via Roma 47, 5600 Pisa, Italy, Clinica Chimica Acta 2007.

S. Scarano, M.M. Spiriti, G.Tigli, P. Bogani, M. Buiatti, M. Mascini and M. Minunni, Affinity Sensing for transgenes detection in anti-doping control, Analytical Chemsitry, 2009, 81 (23), 9571-9577; (IF 2010 5.712, IF 2009: 5.712; this work has been mentioned in the News of Bioanalysis, number of January 2010 and reviewed on Chemistry World by RCS, Februar 2010.

M.Sartore: Elbatech QCMagic, multichannel nanogravimetric system, invited speaker at AISEM XVI Conf. Nazionale Sensori e Microsistemi, 07 February 2011.

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