Date of Award

4-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Engineering Management

First Advisor

Falah Awwad

Second Advisor

Naser Naim Qamhieh

Abstract

DNA (Deoxyribonucleic Acid) is the blueprint of life as it encodes all genetic information. In genetic disorder such as gene fusion, Copy Number Variation (CNV), and single nucleotide polymorphism, Nucleic acids such as DNA bases detection and analysis is used as the gold standard for successful diagnosis. Researchers have been conducting rigorous studies to achieve genome sequences at low cost while maintaining high accuracy and high throughput. A quick, accurate, and low-cost DNA detection approach would revolutionize medicine. Genome sequence helps to enhance people’s perception of inheritance, disease, and individuality. This research aims to improve DNA bases detection accuracy, and efficiency, and reduce the production cost, thus novel based sensors were developed to detect and identify the DNA bases. This work aims at first to develop specialized field effect transistors which will acquire real-time detection for different concentrations of DNA. The sensor was developed with a channel of graphite oxide between gold electrodes on a substrate of a silicon wafer using Quantumwise Atomistix Toolkit (ATK) and its graphical user interfaces Virtual Nanolab (VNL). The channel was decorated with trimetallic nanoclusters that include gold, silver, and platinum which have high affinity to DNA. The developed sensor was investigated by both simulation and experiment. The second aim of this research was to analyze the tissue transcriptome through DNA bases detection, thus novel graphene-based sensors with a nanopore were designed and developed to detect the different DNA nucleobases (Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G), Thymine (T)). This research focuses on the simulation of charge transport properties for the developed sensors. This work includes experimental fabrication and software simulation studies of the electronic properties and structural characteristics of the developed sensors. Novel sensors were modeled using Quantumwise Atomistix Toolkit (ATK) and its graphical user Interface Virtual Nanolab (VNL) where several electronic properties were studied including transmission spectrum and electrical current of DNA bases inside the sensor’s nanopore. The simulation study resulted in a unique current for each of the DNA bases within the nanopore. This work suggests that the developed sensors could achieve DNA sequencing with high accuracy. The practical implementation of this work represents the ability to predict and cure diseases from the genetic makeup perspective.

Arabic Abstract

الحمض النووي (DNA) هو مخطط الحياة لأنه يشفر جميع المعلومات الجينية مثل الاضطرابات الوراثية كما أنه يتم استخدام تسلسل الحمض النووي كمعيار ذهبي للتشخيص الناجح. أجرى الباحثون دراسات عديدة لتحقيق تسلسل الحمض النووي بتكلفة منخفضة مع الحفاظ على الدقة العالية والإنتاجية العالية حيث تم تصنيع أجهزة التسلسل التي أدت إلى تطور هذه التكنولوجيا. إن تسلسل الحمض النووي السريع والدقيق والمنخفض التكلفة من شأنه أن يحدث ثورة في الطب حيث أنه سيوفر ثروة من المعلومات الطبية لكل فرد. يهدف هذا البحث إلى تطوير وتصنيع جهاز لإيجاد تسلسل الحمض النووي بدقة وبسعر مناسب. سيتم تصنيع نوعين من المستشعرات (Sensors) في هذا المشروع حيث سيتكون الجهاز الأول من أقطاب كهربائية ذهبية وقناة من أكسيد الحرافيت (Graphite Oxide) على شريحة من السيليكون للكشف عن التراكير المحتلفة من الحمض النووي، كما سيتم إضافة جسيمات ثانوية (nanoclusters) معدنية للجهاز ودراسة تأثيرها. بينما سيتكون الجهاز الثاني من الجرافين (Graphene) على شريحة وسيتم أحداث ثقب بحجم النانو (nanopore) في منتصف طبقة الجرافين. وسيتم تمرير الحمض النووي بهذا الثقب وتمرير تيار كهربائي في الجهاز ودراسة للخصائص الكهربائية أثناء مرور الحمض النووي. وقد تمت ملاحظة أن قواعد الحمض النووي الأربعة (الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين) ستؤثر على التيار الكهربائي بطريقة فريدة. وبالتالي فإن القراءات الناتجة عن مرور الحمض النووي أمكنت الباحثين من تمييز القواعد الأربعة وقراءة تسلسل الحمض النووي بدقة. يشير هذا العمل إلى أن المستشعرات المطورة يمكنها تحقيق تسلسل الحمض النووي

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS