Sensores magnetoelásticos: método de detección de agentes externos

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

Las conclusiones mundiales del COVID-19 han puesto de manifiesto la importancia de la detección sencilla y rápida de agentes externos. En este proceso, los materiales magneto-elásticos han dado pasos importantes. En estos materiales, cuando se añade una cantidad de masa a la superficie del material, se produce una variación de la frecuencia de resonancia que permite detectar agentes externos.

Las propiedades elásticas de los materiales magnetoelásticos varían bajo un campo magnético. Estos materiales son generalmente aleaciones ferromagnéticas formadas por hierro y/o cobalto, en forma de cinta rectangular. Además, son sistemas resonantes cuando se les aplica un campo magnético y tienen una frecuencia de resonancia propia. Esta frecuencia varía bajo la influencia de parámetros como la temperatura, la presión o el cambio de masa [1]. Este último parámetro es el que permite detectar agentes externos. La adición de agentes biológicos o químicos sobre un material magnetoelástico generará una masa adicional que puede ser detectada mediante una disminución de la frecuencia de resonancia siempre que el material magnetoelástico presente una sensibilidad suficiente. Este proceso, lógicamente, no es simple y requiere la previa funcionalización de la superficie de la cinta magnetoelástica.

Figura . Esquema del sistema de detección de agentes externos.

La funcionalización de materiales magnetoelásticos consiste en dotar a estos materiales de la capacidad necesaria para detectar un agente externo. Dependiendo del agente externo que se quiera detectar se utiliza uno u otro método de funcionalización, pero el objetivo siempre es el mismo: “atrapar” al agente biológico o químico. Si se quieren detectar bacterias, por ejemplo, se utilizan fagos o anticuerpos, entre otros. La detección de gases se realiza normalmente a través de zeolitas o MOF (Metal–organic framework en inglés, estructuras metalorgánicas) que por su porosidad tienen la capacidad de absorción de gases.

La forma del sensor tiene importancia en la sensibilidad de la detección

Como ya se ha indicado, para la detección de agentes externos es muy importante la obtención de materiales magnetoelásticos de alta sensibilidad, es decir, que al añadir una cantidad de masa se produzcan cambios significativos en la frecuencia de resonancia. Este proceso ha estado basado hasta ahora en la reducción del tamaño del material magnetoelástico. En general, cuanto más pequeño es, más sensibilidad se consigue mediante sensores magnetoelásticos. Sin embargo, la reducción de materiales magnetoelásticos puede ocasionar problemas. Por un lado, son mucho más difíciles de utilizar y, por otro, hay menos superficies activas para detectar agentes externos. Por tanto, es necesario conseguir un equilibrio entre la usabilidad y el tamaño para conseguir un sensor adecuado.

Figura . En la parte izquierda, un esquema de las cintas magnetoelásticas de diferente forma y la variación de las curvas de resonancia. En la parte derecha, la variación de la frecuencia de resonancia (?f) de cada sensor al añadir diferentes capas de oro (?m) y el valor de la sensibilidad correspondiente.

Por ello, para mejorar la sensibilidad de los sensores magnetoelásticos es imprescindible investigar otras alternativas. Una de estas opciones es cambiar el aspecto de las cintas magnetoelásticas [2]. Por supuesto, no es fácil fabricar magnetoelásticos con formas diferentes. Se requiere mucha precisión para conseguir una apariencia adecuada y que los resultados obtenidos sean fiables. Para ello, a partir de cintas rectangulares convencionales, se aplican haces de láser pulsados para la fabricación de sensores de dimensiones y formas adecuadas. De hecho, se puede observar que, utilizando la misma superficie activa, se observan importantes mejoras en la sensibilidad al utilizar cintas rectangulares más estrechas que las convencionales y cintas magnetoelásticas en forma de rombo o triángulo.

Concretamente, desde sensores magnetoelásticos de diferentes formas, el rombo es el que presenta la mayor sensibilidad a un cambio de masa. Por ejemplo, en sensores de 12 mm de longitud, al añadir varias capas de oro, el sensor en forma de rombo es capaz de detectar un cambio de 53,4 Hz por cada microgramo. Esto supone una mejora de casi un 250% en el valor de la sensibilidad respecto al sensor rectangular convencional, en el que se aprecia una variación de 15,4 Hz por microgramo. Por tanto, la sensibilidad de los sensores magnetoelásticos puede aumentar considerablemente cambiando su geometría.

Detección de agentes externos

Sabemos, por tanto, que los mejores sensores para la detección de agentes externos son los materiales magnetoelásticos en forma de rombo. En este sentido, es necesario analizar su respuesta ante agentes externos para conocer su eficacia. Para ello se han realizado dos experimentos para la detección del gas isopropanol mediante un sensor en forma de rombo con la misma superficie activa y otro sensor de forma rectangular. En estos experimentos se han empleado MOF para la funcionalización de cintas magnetoelásticas, que tienen una gran capacidad de absorción de gas isopropanol.

Figura . Sistema experimental montado para la detección de gases mediante materiales magnetoelásticos.

Para llevar a cabo este proceso hemos montado un sistema de gas en nuestro laboratorio. Este sistema consta de una botella llena de nitrógeno y mediante unos sistemas de válvulas se controlan los flujos de gases: el flujo de nitrógeno por un lado y el isopropanol por otro, se hace pasar por el espacio en el que se ubica el sensor magnetoelástico, bajo un campo magnético. Hay que tener en cuenta que los MOF utilizados en el sensor no absorben nitrógeno.

Figura . Detección de gas isopropanol por variación de la frecuencia de resonancia. Al hacer pasar el gas de isopropanol por el sensor se observa un cambio en la frecuencia de resonancia. Sin embargo, al reintroducir el nitrógeno se recupera la frecuencia inicial de resonancia.

Por lo tanto, se ha medido con cinta rectangular y rómbica la variación con el tiempo de las frecuencias de resonancia de los dos sensores dependientes del campo magnético de 15 Oe en función de la concentración de isopropanol. Los resultados obtenidos demuestran que los materiales magnetoelásticos son capaces de detectar el gas isopropanol. De hecho, en los dos casos analizados se ha medido una diferencia de al menos 500 Hz cuando el gas isopropanol ha sido sometido a sensores a una frecuencia de resonancia.

Además, al variar la concentración de isopropanol (de 5.128 ppm a 9.176 ppm) se observan cambios en la frecuencia de resonancia. Es decir, los sensores magnetoelásticos son capaces de detectar también pequeñas variaciones de flujo. En cuanto a la forma de los materiales magnetoelásticos, los resultados obtenidos demuestran que el sensor en forma de rombo es más capaz de detectar isopropanol que el de forma rectangular. De hecho, en todas las concentraciones de isopropanol, la variación de la frecuencia de resonancia medida en el sensor en forma de rombo es un 33% superior a la de forma rectangular.

Por tanto, queda patente que los sensores magnetoelásticos pueden ser utilizados para detectar agentes externos. Además, se ha concluido que la forma del sensor magnetoelástico también es determinante. En el ámbito de la salud pública, está claro que es necesario desarrollar métodos nuevos, precisos y baratos de detección de agentes externos, y nuestro objetivo es presentar los materiales magnetoelásticos como una nueva oportunidad en este recorrido.

Bibliografía

[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.