1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 7, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 993-995

Детектирование совокупных полей рассеяния наночастиц феррогелей с помощью прототипа магнитоимпедансного датчика: модельные представления и эксперимент

А. А. Членова 1, *, Н. А. Бузников 2, А. П. Сафронов 1, 3, Е. В. Голубева 1, В. Н. Лепаловский 1, Г. Ю. Мельников 1, Г. В. Курляндская 1

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина”
Екатеринбург, Россия

2 Общество с ограниченной ответственностью “Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ”
Развилка, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук”
Екатеринбург, Россия

* E-mail: Anna.Chlenova@urfu.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработан прототип биосенсора, работающего на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта (ГМИ) с [Cu/FeNi]5/Cu/[FeNi/Cu]5 многослойным чувствительным элементом, адаптированным для исследований феррогелей. Измерения ГМИ в исходном состоянии и в присутствии феррогелей с различными концентрациями суперпарамагнитных наночастиц позволили характеризовать поля рассеяния ансамбля магнитных наночастиц в феррогелях. Описание с помощью предложенной электродинамической модели удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными ГМИ пленочного элемента, покрытого феррогелем.

Создание чувствительного элемента для определения концентрации магнитных наночастиц, используемых в качестве магнитных биомаркеров или внедренных в живые ткани, – важная задача биоприложений [1, 2]. Принцип работы такого компактного аналитического устройства основан на измерении суммарных полей рассеяния наночастиц. Эффект гигантского магнитного импеданса (ГМИ) является перспективным кандидатом для создания ГМИ-биосенсора благодаря рекордной чувствительности ГМИ детекторов слабых магнитных полей [3]. Явление ГМИ заключается в значительном изменении импеданса ферромагнитного проводника при протекании по нему переменного тока в условиях приложения постоянного внешнего магнитного поля [4]. Исследования биологических объектов имеют определенные ограничения для их тестирования физическими методами, связанные с разнообразием взаимосвязанных сложных процессов, которые существуют в живом организме. Чтобы свести к минимуму эту неопределенность, в биофизических исследованиях часто разрабатывают математические и физические модели, которые воспроизводят выбранные функции и свойства живой системы. В частности, синтетические гидрогели могут быть использованы в качестве физической модели структурной организации клеток и тканей [5]. Использование синтетических модельных образцов позволяет не только улучшить статистику эксперимента, но и провести сравнение экспериментальных результатов и модельных представлений для случая детектирования суммарных полей рассеяния магнитных наночастиц, внедренных в живые ткани и расположенных на различных расстояниях от поверхности компактного аналитического устройства.

Данная работа является одним из этапов разработки ГМИ-биосенсора для определения концентрации магнитных наночастиц в живых тканях. Вместо биологических образцов нами были использованы синтетические феррогели – сшитые гидрогели с включенными в их матрицу магнитными наночастицами. Для синтеза феррогелей применялись магнитные наночастицы оксида железа, полученные методом лазерного испарения мишени из магнетита [5]. Их химический состав был определен окислительно-восстановительным титрованием и анализом межплоскостных расстояний. Феррогели были синтезированы путем сшивания полиакриламида, полученного методом радикальной полимеризации акриламида в водном растворе наночастиц. В качестве сшивающего агента был использован N,N'-метилен-диакриламид. Средний размер наночастиц γ-Fe2O3 составлял около 20 ± 3 нм. Концентрация магнитных наночастиц в феррогелях варьировалась следующим образом: G1 – 0.00 вес. %; FG1 – 0.43, FG2 – 0.94, FG3 – 1.45, FG4 – 1.90 вес. %. Внешний вид образцов геля (G1) и феррогеля (FG4) представлен на рис. 1, их линейные размеры: 9 × 4 × 1 мм, масса около 30 ± 0.5 мг.

Рис. 1.

Экспериментальная зависимость относительного изменения ГМИ отношения [Cu/FeNi]5/Cu/[FeNi/Cu]5 многослойного элемента от внешнего поля на частоте 150 МГц без покрытия или со слоем феррогеля с различной концентрацией магнитных наночастиц. Пунктирной линией показаны интервалы магнитных полей для эффективного детектирования феррогелевых покрытий: I – H = 8, II – H = 13 Э. На вставке – зависимость относительного изменения ГМИ от концентрации магнитных наночастиц в феррогелях при напряженности внешнего магнитного поля 13 Э. На фотографии показан внешний вид геля и феррогеля.

Чувствительный элемент прототипа ГМИ-биосенсора представлял собой тонкопленочную структуру [Cu(3 нм)/FeNi(100 нм)]5/Cu(500 нм)/ [FeNi(100 нм)/Cu(3 нм)]5, полученную методом магнетронного распыления на стеклянную подложку (прямоугольник 1 × 10 мм). Измерения ГМИ были проведены с помощью автоматизированного комплекса магнитоимпедансной спектроскопии, основу которого составлял анализатор импеданса Agilent E4991A [6], в диапазоне частот тока возбуждения 1–400 МГц. Относительное изменение ГМИ (полного импеданса) во внешнем поле H определялось следующим образом: ΔZ/Z = = 100% × (Z(H) – Z(Hmax))/Z(Hmax), где Hmax = 100 Э – максимальное поле.

Несмотря на то, что максимальная чувствительность ГМИ многослойного элемента без покрытия феррогелем (d(ΔZ/Z)/dH)max к внешнему магнитному полю наблюдалась при частоте тока возбуждения 80 ± 10 МГц, процесс детектирования суммарных полей рассеяния магнитных наночастиц при частоте 150 МГц можно характеризовать как устойчивый. Результаты измерений ГМИ откликов с использованием феррогелей различной концентрации представлены на рис. 1. Можно заметить, что зависимость ГМИ от концентрации магнитных наночастиц при фиксированном значении напряженности внешнего поля линейна. При частоте 150 МГц и напряженности внешнего магнитного поля 8 Э чувствительность прототипа датчика к изменению концентрации наночастиц составляет около 8.2% относительного изменения полного импеданса на весовой процент наночастиц, а при напряженности внешнего магнитного поля 13 Э чувствительность составляет около 6.2% относительного изменения полного импеданса на весовой процент наночастиц. Таким образом, датчик ГМИ с пленочным элементом позволяет детектировать даже очень малое количество магнитных наночастиц в биомиметике или живой ткани.

Для описания экспериментальных результатов предложена аналитическая модель отклика ГМИ многослойной пленки со слоем феррогеля. Так как длина и ширина пленки существенно больше ее толщины, можно считать, что электромагнитные поля зависят только от одной координаты. Распределение полей в пленке найдено из решения уравнений Максвелла с соответствующими условиями непрерывности полей на границах слоев пермаллоя и меди. Предполагалось, что слой феррогеля создает пространственно однородное поле рассеяния Hp. Величина поля Hp пропорциональна концентрации магнитных наночастиц в феррогеле, так как намагниченность насыщения феррогеля линейно возрастает с увеличением концентрации магнитных наночастиц [7]. Поле рассеяния изменяет распределение намагниченности в слоях пермаллоя и влияет на магнитную проницаемость пленки, что приводит к изменению ГМИ образца в присутствии слоя феррогеля. Зависимости ΔZ/Z от внешнего поля, рассчитанные для пленки без слоя феррогеля, с гелем без магнитных наночастиц (Hp = 0) и для феррогеля при различных значениях Hp, представлены на рис. 2. Результаты расчетов качественно описывают наблюдавшиеся в эксперименте зависимости ГМИ от поля при изменении концентрации магнитных наночастиц в феррогеле.

Рис. 2.

Рассчитанная зависимость относительного изменения ГМИ от внешнего поля при частоте 150 МГц и различных значениях эффективного поля рассеяния Hp: 1 – пленка без феррогелевого покрытия; 2 – Hp = 0; 3 – Hp = 0.25; 4 – Hp = 0.5; 5 – Hp = 1 Э.

В данном исследовании был предложен и исследован прототип ГМИ-биосенсора с [Cu/FeNi]5/Cu/[FeNi/Cu]5 многослойным чувствительным элементом, адаптированным для исследований феррогелей. Измерения ГМИ в исходном состоянии и в присутствии феррогеля с различными концентрациями магнитных наночастиц позволили характеризовать поля рассеяния этих наночастиц в матрице феррогеля. Описание с помощью предложенной электродинамической модели удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными, полученными для ГМИ многослойного элемента со слоем феррогеля.

Работа была поддержана Российским научным фондом (проект № 18-19-00090).

Список литературы

  1. Baselt D.R., Lee G.U., Natesan M. et al. // Biosens. Bioelectron. 1998. V. 13. P. 731.

  2. Besse P.A., Boero G., Demierre M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 80. P. 4199.

  3. Makhotkin V.E., Shurukhin B.P., Lopatin et al. // Sens. Actuators A. 1991. V. 21. P. 759.

  4. Beach R.S, Berkowitz A.E. // J. Appl. Phys. 1994. V. 76. P. 6209.

  5. Blyakhman F.A., Safronov A.P., Zubarev A.Yu. et al. // Results Phys. 2017. V. 7. P. 3624.

  6. Kurlyandskaya G.V., de Cos D., Volchkov S.O. // Russ. J. Nondestr. Test. 2009. V. 45. P. 377.

  7. Blyakhman F.A., Buznikov N.A., Sklyar T.F. et al. // Sensors. 2018. V. 18. P. 872.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал