Design and characterization of a passive wireless DNA sensor

Abstract

In order to predict and avoid disasters due to gene mutation, reliable DNA information is necessary to be monitored in real time. Existing DNA sensing technologies offer outstanding performance in terms of the resolution and time response. However, these technologies require either physical connection of signal communication, a battery power supply or expensive equipment for acquiring DNA information. The limitations make existing DNA sensing technologies complex and hard to access. The motivation of the proposed research is to develop an innovative DNA sensing platform which exploits a multidisciplinary area synthesizing the conventional DNA capacitive sensing mechanism and surface-based conformational characterization throughout DNA immobilization and hybridization. Compared with previous work [1], in which the capacitance measurement is fully employed, we develop another method – impedance measurement with expected features of high sensitivity, passively and wirelessly integrated. The sensor is activated by electromagnetic waves and the resonant frequency of the sensor is interrogated remotely with a single loop antenna by monitoring the frequency response of the voltage across it. The feasibility of using electrochemical impedance measurements on the proposed planar circuit to detect DNA behavior directly without chemical labels is demonstrated. The resonant frequency shift caused by the change of capacitance throughout DNA immobilization and hybridization occurring on top of a capacitor is monitored by the means of impedance analyzer, with which it is possible to inspect the graph amplitude on the behavior of signal strength and compute the quality factor of the coupling element represented by bandwidth. In order to get a sensor with the best sensitivity, smallest size, longest detection distance and highest quality factor, the design consideration and method for the sensor together with the interdigital capacitor and the planar inductor are indicated in a posterior section. Experiments for measuring the frequency shift due to interface charge transmission were carried out in order to study its DNA sensing mechanism and possibility of DNA sensing enhancement. Finally, 32 samples were measured throughout the experiment and the average capacitance values which represented a variety of surface charge resulting from DNA molecule behavior were obtained. The capacitance changed from 11.58pF to 114.5pF when specific ssDNA was attached to electrodes and then increased to 218.6pF once complementary strand DNA was involved and hybridized with existing DNA chains. In addition, using impedance analyzer measurements, the resonant frequency decreased from 2.01MHz to 1.97MHz in the presence of ssDNA and further down to 0.95MHz since complementary strand DNA was deposited. Consequently an innovative passive wireless DNA sensor has been successfully demonstrated.

Para poder predecir y prevenir desastres causados por mutación genética, información confiable de ADN debe ser monitoreada en tiempo real. La tecnologia existente ofrece una excelente ejecución en términos de resolución y respuesta. Sin embargo, estas tecnologías usualmente requieren conección física para establecer comunicación, una fuente de potencia y equipo adicional costoso para la adquisición de información de ADN. Debido a estas limitaciones las tecnologías de detección de ADN resultan complejas y poco accesibles. La motivación de la investigación aquí propuesta es desarrollar una plataforma de detección de ADN que de forma multidisciplinaria integre el mecanismo convencional de detección de ADN, mediante un elemento capacitivo, y un método de caracterización superficial, basado en la inmovilización e hibridación de ADN. Comparando con el trabajo previo [1], en el cual se emplea la medición de capacitancia, se desarrollo otro método, basado en la medida de impedancia, del cual se espera obtener alta sensitividad, integrado de forma pasiva e inalámbrica. El sensor es activado por ondas electromagnéticas y luego su frequencia de resonancia es obtenida de forma remota utilizando una antena de bobina simple y midiendo la respuesta de frequencia para el voltaje inducido. La viabilidad de implementar la medición de impedancia electroquímica en el circuito planar propuesto para detectar el comportamiento de ADN de forma directa sin realizar una caracterización química es comprobada. El cambio en la frecuencia de resonancia causado por el cambio en la capacitancia debido a la inmovilización e hibridación de ADN en la superficie del capacitor es monitoreado utilizando un analizador de impedancia. De esta forma es possible inspeccionar la gráfica de amplitud y calcular el factor de calidad para el elemento de acoplamiento, el cual es representado por el ancho de banda. El diseño de este sensor junto con el diseño del capacitor interdigital y el inductor planar respectivo, se realizo buscando obtener un sensor con una sensitividad óptima, mínimo tamaño, máximo alcance y con el factor de calidad más alto posible. El método detallado de diseño es explicado en la sección posterior. Experimentos para medir el cambio en frecuencia debido a la transferencia de cargas en la interface, fueron realizados con el propósito de estudiar su mecanismo de detección de ADN y la posibilidad de mejorar los métodos de detección de ADN. Finalmente, 32 muestras fueron obtenidas através del experimento. Analizando estas se obtuvieron los valores promedios de capacitancia, los cuales representan una variedad de cargas superficiales resultants del comportamiento de ADN obtenido en cada caso. La capacitancia vario desde 11.58pF hasta 114.5pF. Al anadir partículas específicas de ffADN la capacitancia incremento a 218.6pF, debido a la integración e hibridación de ADN a las cadenas existentes. En adición, utilizando medidas del analizador de impedancia, la frecuencia de resonancia disminuyó de 2.01MHz a 1.97MHz en la presencia de ffADN y redujo aun mas hasta 0.95MHz al depositar material de ADN complementario. Consecuentemente, la detección de ADN es mejorada mediante el diseño de un sensor inalámbrico pasivo.