Sensors magnetoelásticos: mètode de detecció d'agents externs

2020/05/14 Andoni Lasheras Aransay - Euskal Herriko Unibertsitateko irakasle atxikia Fisika Aplikatua I Sailean | Paula Gonzalez Saiz - BCMaterials Ikerketa Zentroko Ikertzailea | Ana Catarina Teixeira Lopes - CIC Energiguneko Ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

Les conclusions mundials del COVID-19 han posat de manifest la importància de la detecció senzilla i ràpida d'agents externs. En aquest procés, els materials magneto-elàstics han fet passos importants. En aquests materials, quan s'afegeix una quantitat de massa a la superfície del material, es produeix una variació de la freqüència de ressonància que permet detectar agents externs.

Les propietats elàstiques dels materials magnetoelásticos varien sota un camp magnètic. Aquests materials són generalment aliatges ferromagnètics formats per ferro i/o cobalt, en forma de cinta rectangular. A més, són sistemes ressonants quan se'ls aplica un camp magnètic i tenen una freqüència de ressonància pròpia. Aquesta freqüència varia sota la influència de paràmetres com la temperatura, la pressió o el canvi de massa [1]. Aquest últim paràmetre és el que permet detectar agents externs. L'addició d'agents biològics o químics sobre un material magnetoelástico generarà una massa addicional que pot ser detectada mitjançant una disminució de la freqüència de ressonància sempre que el material magnetoelástico present una sensibilitat suficient. Aquest procés, lògicament, no és simple i requereix la prèvia funcionalización de la superfície de la cinta magnetoelástica.

Figura . Esquema del sistema de detecció d'agents externs.

La funcionalización de materials magnetoelásticos consisteix a dotar a aquests materials de la capacitat necessària per a detectar un agent extern. Depenent de l'agent extern que es vulgui detectar s'utilitza l'un o l'altre mètode de funcionalización, però l'objectiu sempre és el mateix: “atrapar” a l'agent biològic o químic. Si es volen detectar bacteris, per exemple, s'utilitzen fagos o anticossos, entre altres. La detecció de gasos es realitza normalment a través de zeolites o MOF (Metall–organic framework en anglès, estructures metalorgánicas) que per la seva porositat tenen la capacitat d'absorció de gasos.

La forma del sensor té importància en la sensibilitat de la detecció

Com ja s'ha indicat, per a la detecció d'agents externs és molt important l'obtenció de materials magnetoelásticos d'alta sensibilitat, és a dir, que en afegir una quantitat de massa es produeixin canvis significatius en la freqüència de ressonància. Aquest procés ha estat basat fins ara en la reducció de la grandària del material magnetoelástico. En general, com més petit és, més sensibilitat s'aconsegueix mitjançant sensors magnetoelásticos. No obstant això, la reducció de materials magnetoelásticos pot ocasionar problemes. D'una banda, són molt més difícils d'utilitzar i, per un altre, hi ha menys superfícies actives per a detectar agents externs. Per tant, és necessari aconseguir un equilibri entre la usabilitat i la grandària per a aconseguir un sensor adequat.

Figura . En la part esquerra, un esquema de les cintes magnetoelásticas de diferent forma i la variació de les corbes de ressonància. En la part dreta, la variació de la freqüència de ressonància (?f) de cada sensor en afegir diferents capes d'or (?m) i el valor de la sensibilitat corresponent.

Per això, per a millorar la sensibilitat dels sensors magnetoelásticos és imprescindible investigar altres alternatives. Una d'aquestes opcions és canviar l'aspecte de les cintes magnetoelásticas [2]. Per descomptat, no és fàcil fabricar magnetoelásticos amb formes diferents. Es requereix molta precisió per a aconseguir una aparença adequada i que els resultats obtinguts siguin fiables. Per a això, a partir de cintes rectangulars convencionals, s'apliquen feixos de làser premuts per a la fabricació de sensors de dimensions i formes adequades. De fet, es pot observar que, utilitzant la mateixa superfície activa, s'observen importants millores en la sensibilitat en utilitzar cintes rectangulars més estretes que les convencionals i cintes magnetoelásticas en forma de rombe o triangle.

Concretament, des de sensors magnetoelásticos de diferents formes, el rombe és el que presenta la major sensibilitat a un canvi de massa. Per exemple, en sensors de 12 mm de longitud, en afegir diverses capes d'or, el sensor en forma de rombe és capaç de detectar un canvi de 53,4 Hz per cada microgram. Això suposa una millora de gairebé un 250% en el valor de la sensibilitat respecte al sensor rectangular convencional, en el qual s'aprecia una variació de 15,4 Hz per microgram. Per tant, la sensibilitat dels sensors magnetoelásticos pot augmentar considerablement canviant la seva geometria.

Detecció d'agents externs

Sabem, per tant, que els millors sensors per a la detecció d'agents externs són els materials magnetoelásticos en forma de rombe. En aquest sentit, és necessari analitzar la seva resposta davant agents externs per a conèixer la seva eficàcia. Per a això s'han realitzat dos experiments per a la detecció del gas isopropanol mitjançant un sensor en forma de rombe amb la mateixa superfície activa i un altre sensor de forma rectangular. En aquests experiments s'han emprat MOF per a la funcionalización de cintes magnetoelásticas, que tenen una gran capacitat d'absorció de gas isopropanol.

Figura . Sistema experimental muntat per a la detecció de gasos mitjançant materials magnetoelásticos.

Per a dur a terme aquest procés hem muntat un sistema de gas en el nostre laboratori. Aquest sistema consta d'una ampolla plena de nitrogen i mitjançant uns sistemes de vàlvules es controlen els fluxos de gasos: el flux de nitrogen d'una banda i l'isopropanol per un altre, es fa passar per l'espai en el qual se situa el sensor magnetoelástico, sota un camp magnètic. Cal tenir en compte que els MOF utilitzats en el sensor no absorbeixen nitrogen.

Figura . Detecció de gas isopropanol per variació de la freqüència de ressonància. En fer passar el gas d'isopropanol pel sensor s'observa un canvi en la freqüència de ressonància. No obstant això, en reintroduir el nitrogen es recupera la freqüència inicial de ressonància.

Per tant, s'ha mesurat amb cinta rectangular i ròmbica la variació amb el temps de les freqüències de ressonància dels dos sensors dependents del camp magnètic de 15 Oe en funció de la concentració d'isopropanol. Els resultats obtinguts demostren que els materials magnetoelásticos són capaços de detectar el gas isopropanol. De fet, en els dos casos analitzats s'ha mesurat una diferència d'almenys 500 Hz quan el gas isopropanol ha estat sotmès a sensors a una freqüència de ressonància.

A més, en variar la concentració d'isopropanol (de 5.128 ppm a 9.176 ppm) s'observen canvis en la freqüència de ressonància. És a dir, els sensors magnetoelásticos són capaços de detectar també petites variacions de flux. Quant a la forma dels materials magnetoelásticos, els resultats obtinguts demostren que el sensor en forma de rombe és més capaç de detectar isopropanol que el de forma rectangular. De fet, en totes les concentracions d'isopropanol, la variació de la freqüència de ressonància mesurada en el sensor en forma de rombe és un 33% superior a la de forma rectangular.

Per tant, queda patent que els sensors magnetoelásticos poden ser utilitzats per a detectar agents externs. A més, s'ha conclòs que la forma del sensor magnetoelástico també és determinant. En l'àmbit de la salut pública, és clar que és necessari desenvolupar mètodes nous, precisos i barats de detecció d'agents externs, i el nostre objectiu és presentar els materials magnetoelásticos com una nova oportunitat en aquest recorregut.

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