Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 3, стр. 94-100

ВВЕДЕНИЕ

Магнитный пинцет – устройство, которое создает сильно неоднородное магнитное поле, способное к захвату ферромагнитных частиц и магнитомеченных клеток. Магнитное управление положением магнитомеченных частиц позволяет избежать интенсивного облучения и механического воздействия, которое неизбежно приводило бы к деградации биологических объектов [1]. Поэтому разработка магнитных пинцетов необходима в медицинской спинтронике для контроля, отслеживания и перемещения магнитомеченных клеток [1–3], выпрямления молекул ДНК и РНК [4, 5], торсионной деформации длинных биологических молекул [6]. Стратегия создания магнитного пинцета включает в себя: подбор магнитного материала, который бы создавал необходимое магнитное поле и характеризовался биосовместимостью; дизайн формы микропровода для максимизации магнитной силы [7, 8]; разработку процесса прикрепления/отсоединения ферромагнитных объектов [9, 10].

Проблему регулируемого открепления частиц обычно решают с помощью электромагнитных микрокатушек [9–11], которые управляют величиной намагниченности микропровода [12, 13]. С использованием микроэлектромагнитной матрицы возможна манипуляция не только наночастицами, но и биологическими клетками [14, 15]. Однако катушки имеют ограничения по току и создаваемому им магнитному полю. Это заметно усложняет конструкцию и увеличивает стоимость магнитного пинцета. Недостатком использования магнитных пинцетов на основе однофазных микропроводов Fe, покрытых стеклянной оболочкой, является плохо контролируемая намагниченность. Изготовление микропроводов из сплавов на основе переходных (TM) и редкоземельных (RE) элементов методом экстракции висящей капли расплава открывает возможность контроля намагниченности вследствие расслоения фазы RE–TM–B на аморфную редкоземельную часть с низкой коэрцитивной силой и микрокристаллическую часть, состоящую из переходных металлов [16]. Наиболее серьезной проблемой является дизайн формы магнитных полюсов микропроводов, которые должны быть расположены в непосредственной близости к образцу [1] и способны к перемещению микрообъектов. В [17] был разработан двухзондовый манипулятор на базе атомно-силового микроскопа (АСМ), где в качестве зонда выступают заостренные вольфрамовые микропровода с диаметром острого конца ~250 нм. С помощью такого манипулятора удалось реализовать механическое позиционирование пучка нанопроволок InAs, лежащего на подложке SiO₂, в плоскости XY с субмикронной точностью. В качестве зондов манипулятора, способного перемещать субмикронные объекты без механических воздействий, исключительно с помощью магнитного поля, могут выступать разработанные в [16, 18] двухфазные микропровода с ферромагнитным ядром α-Fe и ферримагнитной оболочкой DyPrFeCoB. Микропровода α-Fe/DyPrFeCoB обладают высокой намагниченностью насыщения M_s, что увеличивает силу, действующую на микрочастицу. Дизайн формы таких микропроводов для максимизации магнитной силы возможен путем адресного химического травления оболочки и ядра, состоящих из разных материалов.

Поэтому целью настоящей работы был химический дизайн конца α-Fe/DyPrFeCoB микропровода для концентрации магнитного потока и усиления силы притяжения частиц и/или магнитомеченных биологических микрообъектов, а также применение двухкомпонентной структуры микропровода для переключения его намагниченности с помощью однородного магнитного поля.

МЕТОДИКА И ОБРАЗЦЫ

Микропровода были получены методом экстракции висящей капли расплава PrDyFeCoB, нагретой электронным пучком [18]. Капля сплава PrDyFeCoB охлаждалась с высокой скоростью ~10⁶ К/с, достаточной для формирования аморфной фазы PrDyFeCoB на поверхности микрокристаллического ядра α-Fe. Структурный и химический состав полученных микропроводов, включая ядро α-Fe и оболочку PrDyFeCoB, определяли методами энергодисперсионного и рентгенофазового анализа. В энергодисперсионном спектре присутствуют пики основных элементов микропровода: Pr, Dy, Fe, Co, B (рис. 1а). Методом рентгенофазового анализа было установлено примерно одинаковое (50 : 50) процентное содержание доли кристаллических включений Fe и доли аморфной оболочки PrDyFeCoB [18]. Для получения изображений микропроводов использовали оптический микроскоп AxioImager.A1 (Zeiss) и растровый автоэмиссионный электронный микроскоп (РЭМ) SUPRA25 (Zeiss). Микропровода, используемые во всех экспериментах, имели длину ~15 мм и радиус 10–25 мкм.

Для химического дизайна микроигл использовали кислоты HNO₃, HCl, H₂SO₄, H₃PO₄, а также смеси кислот HNO₃ + HCl (1 : 3), H₂SO₄ + HNO₃ (1 : 1). В ходе эксперимента одиночный микропровод одним концом погружали в химический растворитель с температурой 60°С на 5 с. Далее микропровод подвергался промывке в дистиллированной воде и сушке при комнатной температуре.

Распределение намагниченности вблизи конца микропровода получено методом магнитооптических индикаторных пленок (МОИП), основанном на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптически прозрачной гранатовой пленке, которая была помещена на микропровод. Особенности и преимущества исследования локальной намагниченности в тонких пленках и микрообъектах метода МОИП описаны в [19]. Конец микропровода был покрыт магнитоиндикаторной пленкой железоиттриевого граната, легированного висмутом, на одну сторону которой был нанесен тонкий слой оксида алюминия. Эти слои позволяли визуализировать отраженный линейно поляризованный свет, сфокусированный в поляризационном микроскопе. В отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность индикаторной пленки лежит в ее плоскости. Поскольку микропровод обладает собственным полем, в гранатовой пленке возникает отклонение намагниченности от ее ориентации в плоскости. Таким образом, результирующий МОИП-сигнал был прямо пропорционален перпендикулярной составляющей намагниченности микропровода.

Локальный гистерезис намагниченности поверхности микропровода был получен при помощи микроскопа Durham Nano-MOKE3, в основе работы которого лежит магнитооптический эффект Керра. Поперечную составляющую намагниченности сканировали вдоль оси микропровода в меридиональной геометрии. Магнитное поле было направлено вдоль оси микропровода, лазерный луч и ось микропровода лежали в одной плоскости. Диаметр сфокусированного лазерного пятна (длина волны 660 нм) составлял 6 мкм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для концентрации магнитного потока и усиления локального магнитного поля из цилиндрического микропровода α-Fe/DyPrFeCoB был получен микропровод с острым концом (рис. 1б, 1в). При использовании смеси кислот HNO₃ + HCl (1 : 3) (рис. 1), H₂SO₄ + HNO₃ (1 : 1) (рис. 2а), а также кислоты HNO₃ (рис. 2б) были получены микропровода с вершиной, близкой к параболической форме. Растворение в кислотах HCl (рис. 2в), H₂SO₄ (рис. 2г), H₃PO₄ (рис. 2д) не позволило достичь конусообразной геометрии. Поскольку растворимость аморфной оболочки PrDyFeCoB была выше, чем растворимость кристаллического ядра α-Fe в кислотных смесях HNO₃ + HCl (1 : 3), H₂SO₄ + HNO₃ (1 : 1), HNO₃, селективное травление привело к истончению конца микропровода до радиуса ~1, 1.8 и 0.75 мкм соответственно. Микронное значение радиуса является оптимальным для использования микропроводов α-Fe/DyPrFeCoB в качестве магнитных пинцетов, работающих с биологическими объектами [20]. Вероятнее всего, железное ядро микропровода пассивируют группы ОН в концентрированных кислотах HNO₃ и H₂SO₄, что способствует образованию параболической вершины. Можно предположить, что ядро микропровода растворяется быстрее оболочки в результате следующих химических реакций:

Петля гистерезиса, записанная в центре микропровода с помощью магнитооптического эффекта Керра (рис. 3), характеризуется четырьмя уровнями магнитного момента (М1–М4 на рис. 3), соответствующими разным взаимным ориентациям намагниченности ядра и оболочки. Уровень М1 отвечает состоянию, когда векторы намагниченности в ядре и оболочке направлены в одну сторону вдоль магнитного поля. Уровни М2 и М3 соответствуют состоянию, в котором векторы намагниченности ядра и оболочки ориентированы антипараллельно, при этом на уровне М2 внешнее магнитное поле сонаправлено с намагниченностью в оболочке, а на уровне М3 оно сонаправлено с намагниченностью в ядре. На уровне М4 намагниченность и ядра, и оболочки направлена против внешнего поля. Таким образом, каждый уровень соответствует одной из четырех взаимных ориентаций магнитных моментов PrDyFeCoB оболочки и α-Fe ядра. Поскольку глубина проникновения света не превышала ~20–30 нм, метод, основанный на магнитооптическом эффекте Керра, позволяет определить намагниченность тонкого поверхностного слоя микропровода, которая зависит от магнитного поля рассеяния ядра α-Fe и внешнего магнитного поля. Наличие обменной связи между ферромагнитным ядром α-Fe и ферримагнитной оболочкой PrDyFeCoB приводит к смещению петли гистерезиса на величину Н_В ~ 1.2 кА/м. Ориентация спинов ферромагнитного α-Fe ядра вблизи границы раздела зафиксирована по распределению спинов в антиферромагнитной (ферримагнитной) оболочке, благодаря чему в них формируется однонаправленная (обменная) анизотропия. Величина поля обменного смещения Н_В обусловлена переориентацией спинов в антиферромагнитной оболочке вблизи границы раздела [21]. Наличие обменного смещения необходимо для стабилизации начального состояния намагничивания магнитного пинцета или датчика на основе микропровода.

На рис. 4а представлена ферромагнитная микрочастица DyPrFeCoB диаметром ~1 мкм и весом ~200 пН, захваченная концом микропровода, заранее намагниченным в поле 7.96 кА/м. На рис. 4б визуализировано распределение поперечной составляющей намагниченности параболического конца микропровода α-Fe/DyPrFeCoB, полученное методом МОИП. Из рисунка видно, что намагниченность микропровода сконцентрирована в остром конце микропровода в соответствии с расчетом магнитного потока в магните параболической формы [20], наиболее близкой к форме конца в наших экспериментах. Таким образом, эффективный концентратор магнитного поля может быть создан путем химического заострения микропровода. Большой градиент магнитного поля вблизи кончика микропровода является необходимым условием захвата магнитных микрочастиц и магнитомеченных биологических объектов.

Максимальная сила, удерживающая магнитные частицы, зависит от максимально достижимого градиента поля вблизи конца микропровода. В [20] для параболической формы магнита предложен способ вычисления оптимального расстояния от наконечника до частицы, при котором существует достаточно сильный градиент. В экспериментах получена близкая к параболической форма наконечника микропровода, что позволило оценить градиент поля магнитного потока ∇B и его зависимость от расстояния на параболической оси r по формуле [20]:

где M_s = 6.3 × 10⁵ A/м – намагниченность насыщения, определенная в [20], β ~ 10⁶ м^–1 – постоянный коэффициент в уравнении параболы y(R) = βR ², μ₀ = 4π × 10^–7 Тл · м · А^–1 – магнитная проницаемость вакуума. Выражение (3) действительно для однородно намагниченного материала. Будем пренебрегать неоднородной намагниченностью, соответствующей намагниченностям ядра и оболочки. Согласно [20] максимальный градиент для параболического магнита может быть достигнут при R = 1/4β = 0.25 мкм. Выражение (3) приводит к ∇B = μ₀M_s/(4βR²) = (0.61 × 10⁵)– (3.52 × 10⁵) Тл/м (табл. 1). Градиент магнитного потока на конце микропровода заметно выше градиента в [20] из-за повышенной намагниченности насыщения в редкоземельных микропроводах. Градиент магнитного поля до ~3.25 × 10⁵ Тл/м, обнаруженный возле конца одиночного микропровода, очень близок к максимальным градиентам ~10⁶ Тл/м, достигнутым в массивах микропроводов [15, 16, 20]. Этого градиента достаточно даже для воздействия на биологические процессы внутри клеток, а также на группы клеток без магнитных маркеров. Поскольку клетка диамагнитна, ее можно рассматривать как каплю диамагнитной жидкости, которая, будучи помещенная в неоднородное поле, разделяется на несколько меньших капель для удовлетворения минимума полной энергии системы. Таким образом, после достижения достаточного магнитного градиента могут быть возможны значительные изменения функций, формы и пространственной организации клетки [22]. Пороговое значение градиента магнитного потока $\nabla B$ составляет: для позиционирования и магнитно-ассистированной миграции мезенхимальных стволовых клеток – 10⁵–10⁶ Тл/м, для включения/выключения канала в клетках с механочувствительными ионными каналами – 10³ Тл/м, для фиксации опухоли из обогащенных железом раковых клеток – 10⁴–10⁵ Тл/м, для магнитно-вспомогательного деления раковых клеток с низким натяжением мембран – 10³–10⁵ Тл/м, для изменения пути дифференцировки и экспрессии генов мезенхимальных стволовых клеток – 10² Тл/м, для эндоцитоза с магнитной поддержкой клеток РС-3 и фибропластов – 10²–10³ Тл/м, для набухания клеток моноцитарной лейкемии ТНЗ-1 – 10³ Тл/м [22]. Химическое заострение конца микропровода приводит к возрастанию магнитного потока на три порядка (таблица). Сравнительные характеристики микропроводов α-Fe/DyPrFeCoB и их магнитная сила F после травления кислотами HNO₃ + HCl (1 : 3), H₂SO₄ + HNO₃ (1 : 1), HNO₃ приведены в табл. 1. Соответствующая магнитная сила микропровода 3F = m∇B = 152.5–880 пН (здесь m – намагниченность частицы), действующая на микрочастицу из того же материала радиусом ~1 мкм (рис. 4), очень близка к ультравысокому градиенту ~10⁶ Тл/м, экспериментально обнаруженному вблизи наконечников редкоземельных микропинцетов, изготовленных дорогим литографическим методом [20, 23]. Максимальное расстояние r₁ = 3.99, r₂ = 12.98, r₃ = 2.25 мкм для микропроводов 1–3 (табл. 1), ограничивающее способность пинцета удерживать частицу весом 200 пН, было получено при учете обратно пропорциональной зависимости магнитной силы от расстояния между частицей и пинцетом F = mμ₀M_s/r. Эта оценка была проверена экспериментально следующим образом. Одиночная микрочастица, удаленная на 5 мкм от наконечника микропровода, представлена на рис. 5. Таким образом, верхняя граница активной зоны пинцета составляет ~5 мкм. Когда поле насыщения 7.96 кА/м предварительно приложено вдоль ядра микропровода, намагниченный микропровод захватывает частицу (рис. 1в, 4), в то время как в отсутствие магнитного поля наблюдается открепление частицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Химическое растворение конца микропровода α-Fe/DyPrFeCoB кислотой HNO₃, а также смесями кислот HNO₃ + HCl (1 : 3) и H₂SO₄ + HNO₃ (1 : 1) позволяет получить практически идеальную параболическую форму конца микропровода с радиусом магнитного полюса до ~1.5 мкм, что позволяет использовать такой микропровод в качестве магнитного пинцета.

Градиент поля магнитного потока на конце одиночного микропровода имеет довольно высокое значение – до ~3.52 × 10⁵ Тл/м, достаточное для воздействия на биологические процессы внутри клеток в отсутствие ферромагнитных маркеров. Сила магнитного притяжения до ~880 пН, контролирующая микрочастицу DyPrFeCoB размером 1 мкм в широкой области длиной ~5 мкм, является достаточной для биологических и медицинских применений.

Наличие ферромагнитного ядра α-Fe и ферромагнитной аморфной оболочки DyPrFeCoB позволяет использовать четыре магнитных состояния, переключаемых внешним однородным магнитным полем, для контролируемого прикрепления–открепления микрочастиц.