Sentsore magnetoelastikoak: kanpo-agenteak detektatzeko metodoa

Material magnetoelastikoen propietate elastikoak aldatu egiten dira eremu magnetiko baten pean. Halako materialak, normalean, burdinaz edota kobaltoz osatutako aleazio ferromagnetikoak dira, zinta errektangular itxurakoak. Horrez gain, sistema erresonanteak dira, eremu magnetiko bat aplikatzen zaienean, eta berezko erresonantzia-maiztasun bat dute. Maiztasun hori zenbait parametroren eraginpean aldatzen da, besteak beste, tenperatura, presioa edota masa-aldaketarekin [1]. Azken parametro hori da, hain zuzen, kanpo-agenteak detektatzeko aukera ematen duena. Agente biologiko edo kimikoak material magnetoelastiko baten gainean erantsiz gero, masa gehigarri bat sortuko da, eta masa gehigarri hori detekta daiteke erresonantzia-maiztasunaren txikitze baten bidez, betiere material magnetoelastikoak sentikortasun nahikoa badu. Prozesu hori, noski, ez da sinplea, eta aldez aurretik zinta magnetoelastikoaren gainazala funtzionalizatu behar da.

1. irudia. Kanpo-agenteen detekzio-sistemaren eskema.

Material magnetoelastikoak funtzionalizatzea da material horiei kanpo-agente bat detektatzeko behar duten gaitasuna ematea. Detektatu nahi den kanpo-agentearen arabera funtzionalizazio-metodo bat edo beste erabiltzen da, baina helburua beti da berbera: agente biologiko edo kimikoa “harrapatzea”. Bakterioak detektatu nahi badira, esate baterako, fagoak edota antigorputzak erabiltzen dira, besteak beste. Gasak detektatzeko, ordea, zeolitak edota MOFak (Metal–organic framework ingelesez, egitura metalorganikoak) erabiltzen dira normalean, euren porositatea dela eta gasak xurgatzeko ahalmena baitute.

Sentsorearen formak garrantzia du detekzioaren sentikortasunean

Esan bezala, kanpo-agenteak detektatzeko, oso garrantzitsua da sentikortasun handiko material magnetoelastikoak lortzea, hau da, masa-kantitate bat eranstean erresonantzia-maiztasunean aldaketa nabarmenak izatea. Prozesu hori oinarrituta egon da, orain arte, material magnetoelastikoaren tamaina txikitzean. Orokorrean, zenbat eta txikiagoa izan, orduan eta sentikortasun handiagoko sentsore magnetoelastikoak lortzen dira. Hala ere, material magnetoelastikoen txikitzeak hainbat arazo sor ditzake. Alde batetik, askoz zailagoa da haiek erabiltzea, eta, bestetik, gainazal aktibo gutxiago dago kanpo-agenteak detektatzeko. Beraz, oreka bat lortu behar da erabilgarritasunaren eta tamainaren artean, sentsore egoki bat lortzeko.

2. irudia. Ezkerreko aldean, itxura desberdineko zinta magnetoelastikoak eta erresonantzia-kurben aldaketaren eskema. Eskuineko aldean, sentsore bakoitzaren erresonantzia-maiztasunaren aldaketa (Δf) urrezko geruza desberdinak eranstean (Δm), eta dagokion sentikortasunaren balioa.

Hori dela eta, sentsore magnetoelastikoen sentikortasuna hobetzeko ezinbestekoa da beste aukera batzuk ikertzea. Aukera horietako bat da zinta magnetoelastikoen itxura aldatzea [2]. Jakina, ez da erraza forma desberdinak dituzten magnetoelastikoak fabrikatzea. Zehaztasun handia behar da itxura egokia lortzeko eta lortutako emaitzak fidagarriak izateko. Horretarako, ohiko zinta errektangularretatik abiatuz, laser-sorta pultsatuak aplikatzen dira neurri eta forma aproposeko sentsoreak fabrikatzeko. Izan ere, ikus daiteke, gainazal aktibo bera erabiliz, sentikortasunean hobekuntza nabarmenak sumatzen direla ohiko zinta errektangularrak erabili beharrean laukizuzen estuagoak eta erronbo- edota triangelu-itxurako zinta magnetoelastikoak erabiliz gero.

Zehazki, itxura desberdineko sentsore magnetoelastikoetatik, erronboa da masa-aldaketa batekiko sentikortasun handiena azaltzen duena. Esaterako, 12 mm-ko luzera duten sentsoreetan, urrezko hainbat geruza eranstean, erronbo formako sentsorea gai da 53,4 Hz-eko aldaketa bat detektatzeko mikrogramo bakoitzeko. Horrek esan nahi du ia % 250eko hobekuntza lortzen dela sentikortasunaren balioan, ohiko sentsore errektangularrarekin alderatuz (zeinetan 15,4 Hz-eko aldaketa hautematen baita mikrogramo bakoitzeko). Beraz, sentsore magnetoelastikoen sentikortasuna asko handitu daiteke euren geometria aldatuz. 

Kanpo-agenteen detekzioa

Badakigu, beraz, erronbo-formako material magnetoelastikoak direla kanpo-agenteak detektatzeko sentsorerik onenak. Hala izanda, kanpo-agenteen aurrean izaten duten erantzuna aztertu behar da zer eraginkortasun duten jakiteko. Horretarako, bi esperimentu egin dira isopropanol-gasa detektatzeko: gainazal aktibo bera duten erronbo-itxurako sentsore bat eta forma errektangularra duen beste sentsore bat erabiliz. Esperimentu horietan, MOFak erabili dira zinta magnetoelastikoak funtzionalizatzeko, gaitasun handia baitaukate isopropanol-gasa xurgatzeko.

3. irudia. Material magnetoelastikoak erabiliz gasak detektatzeko muntatutako sistema esperimentala.

Prozesu hori gauzatzeko, gas-sistema bat muntatu dugu gure laborategian. Sistema horrek nitrogenoz betetako botila bat du, eta balbula-sistema batzuen bidez, gas-fluxuak kontrolatzen dira: nitrogeno-fluxua, alde batetik, eta isopropanola, bestetik, sentsore magnetoelastikoa kokatuta dagoen espaziotik pasarazten dira, sentsorea eremu magnetiko baten pean dagoelarik. Kontuan izan behar da sentsorean erabilitako MOFek ez dutela nitrogenoa xurgatzen.

4. irudia. Erresonantzia-maiztasunaren aldaketaren bidez isopropanol-gasa detektatzea. Isopropanol-gasa sentsoretik pasaraztean, ikusten da erresonantzia-maiztasunean aldaketa gertatzen dela. Nitrogenoa berriz sartzean, ordea, hasierako erresonantzia-maiztasuna berreskuratzen da.

Beraz, zinta errektangularra eta erronbikoa erabiliz neurtu da isopropanol-kontzentrazioaren arabera denborarekin nola aldatu diren 15 Oe-ko eremu magnetikoaren mende dauden bi sentsoreen erresonantzia-maiztasunak. Lortutako emaitzek argi uzten dute material magnetoelastikoak gai direla isopropanol-gasa detektatzeko. Izan ere, aztertutako bi kasuetan, gutxienez 500 Hz-eko diferentzia neurtu da erresonantzia-maiztasunean isopropanol-gasa sentsoreetatik pasarazi denean.

Horrez gain, isopropanolaren kontzentrazioa aldatzean (5.128 ppm-tik 9.176 ppm-ra), erresonantzia-maiztasunean ere aldaketak gertatzen direla ikusten da. Hau da, sentsore magnetoelastikoak gai dira fluxuaren aldaketa txikiak ere detektatzeko. Material magnetoelastikoen formari dagokionez, lortutako emaitzek erakusten dute erronbo-itxurako sentsoreak gaitasun handiagoa duela isopropanola detektatzeko laukizuzen-itxurakoak baino. Izan ere, isopropanolaren kontzentrazio guztietan, erronbo-formako sentsorean neurtutako erresonantzia-maiztasunaren aldaketa laukizuzen-formakoan baino % 33 handiagoa da.

Hortaz, agerian geratzen da sentsore magnetoelastikoak kanpo-agenteak detektatzeko erabil daitezkeela. Gainera, ondorioztatu da sentsore magnetoelastikoaren forma ere erabakigarria dela. Osasun publikoaren arloan, argi dago ezinbestekoa dela kanpo-agenteak detektatzeko metodo berriak, zehatzak eta merkeak garatzea, eta, ibilbide horretan, material magnetoelastikoak aukera berri gisa aurkeztea da gure helburua.

Bibliografia

[1] R. Banu Priya,  T. Venkatesan,  G. Pandiyarajan,  Haresh M.Pandya. 2015. “A Short Review of SAW Sensors”. Journal of Environmental Nanotechnology, 4, 15–22.

[2]P. G.Saiz, D. Gandia, A. Lasheras, A. Sagasti, I. Quintana, M.L. Fdez-Gubieda, J. Gutiérrez, M.I. Arriortua, A.C. Lopes. 2019. “Enhanced mass sensitivity in novel magnetoelastic resonators geometries for advanced detection systems”, Sensors and Actuators B: Chemical,  296 ,126612.