Capteurs magnétiques : méthode de détection d'agents externes

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 mondiales de la COVID-19 ont souligné l'importance de la détection simple et rapide des agents extérieurs. Dans ce processus, les matériaux magnéto-élastiques ont pris des mesures importantes. Dans ces matériaux, lorsqu'une quantité de masse est ajoutée à la surface du matériau, une variation de la fréquence de résonance permet de détecter des agents externes.

Les propriétés élastiques des matériaux magnétiques varient sous un champ magnétique. Ces matériaux sont généralement des alliages ferromagnétiques formés de fer et/ou de cobalt, en forme de ruban rectangulaire. En outre, ils sont des systèmes résonants lorsqu'on leur applique un champ magnétique et ont une fréquence de résonance propre. Cette fréquence varie sous l'influence de paramètres tels que la température, la pression ou le changement de masse [1]. Ce dernier paramètre permet de détecter les agents externes. L'ajout d'agents biologiques ou chimiques sur un matériau magnétoélastique génère une masse supplémentaire qui peut être détectée par une diminution de la fréquence de résonance à condition que le matériau magnétoélastique présente une sensibilité suffisante. Ce processus, logiquement, n'est pas simple et nécessite la pré-fonctionnalisation de la surface du ruban magnétique.

Figure . Schéma du système de détection des agents externes.

La fonctionnalité des matériaux magnétiques consiste à doter ces matériaux de la capacité nécessaire pour détecter un agent externe. Selon l'agent externe à détecter, on utilise une méthode de fonctionnement ou une autre, mais l'objectif est toujours le même: “attraper” l’agent biologique ou chimique. Si vous voulez détecter des bactéries, par exemple, vous utilisez des phages ou des anticorps, entre autres. La détection de gaz se fait normalement par zéolites ou MOF (Metal–organic framework en anglais, structures métalliques) qui, par leur porosité, ont la capacité d'absorption de gaz.

La forme du capteur a une importance dans la sensibilité de la détection

Comme déjà indiqué, pour la détection d'agents externes, il est très important d'obtenir des matériaux magnétiques à haute sensibilité, c'est-à-dire que l'ajout d'une quantité de masse entraîne des changements significatifs dans la fréquence de résonance. Ce processus a été jusqu'ici basé sur la réduction de la taille du matériau magnétoélastique. En général, plus il est petit, plus la sensibilité est obtenue par des capteurs magnétiques. Cependant, la réduction des matériaux magnétiques peut causer des problèmes. D'une part, ils sont beaucoup plus difficiles à utiliser et, d'autre part, il y a moins de surfaces actives pour détecter les agents externes. Par conséquent, il est nécessaire d'obtenir un équilibre entre la facilité d'utilisation et la taille pour obtenir un capteur approprié.

Figure . Dans la partie gauche, un schéma des bandes magnétiques de différentes formes et la variation des courbes de résonance. Sur la droite, la variation de la fréquence de résonance (?f) de chaque capteur en ajoutant différentes couches d'or (?m) et la valeur de la sensibilité correspondante.

Pour améliorer la sensibilité des capteurs magnétiques, il est donc impératif de rechercher d'autres alternatives. Une de ces options est de changer l'aspect des bandes magnétiques [2]. Bien sûr, il n'est pas facile de fabriquer des magnétoélastiques de différentes formes. Il faut beaucoup de précision pour obtenir une apparence correcte et que les résultats obtenus soient fiables. Pour cela, à partir de bandes rectangulaires conventionnelles, des faisceaux laser poussés sont appliqués pour la fabrication de capteurs de dimensions et de formes appropriées. En fait, on peut observer qu'en utilisant la même surface active, on observe d'importantes améliorations dans la sensibilité en utilisant des bandes rectangulaires plus étroites que les bandes conventionnelles et magnétoélastiques en forme de losange ou de triangle.

Plus précisément, à partir de capteurs magnétiques de différentes formes, le losange est celui qui présente la plus grande sensibilité à un changement de masse. Par exemple, sur des capteurs de 12 mm de long, en ajoutant plusieurs couches d'or, le capteur en forme de losange est capable de détecter un changement de 53,4 Hz par microgramme. Cela représente une amélioration de près de 250% de la valeur de la sensibilité par rapport au capteur rectangulaire conventionnel, où une variation de 15,4 Hz par microgramme est appréciée. Par conséquent, la sensibilité des capteurs magnétiques peut considérablement augmenter en changeant leur géométrie.

Détection d'agents externes

Nous savons donc que les meilleurs capteurs pour la détection des agents externes sont les matériaux magnétiques en forme de losange. En ce sens, il est nécessaire d'analyser votre réponse à des agents extérieurs pour connaître son efficacité. Deux expériences ont été réalisées pour la détection du gaz isopropanol par un capteur en forme de losange avec la même surface active et un autre capteur de forme rectangulaire. Dans ces expériences, MOF a été utilisé pour la fonctionnalisation des bandes magnétiques, qui ont une grande capacité d'absorption de gaz isopropanol.

Figure . Système expérimental monté pour la détection de gaz par des matériaux magnétiques.

Pour réaliser ce processus, nous avons monté un système de gaz dans notre laboratoire. Ce système se compose d'une bouteille remplie d'azote et par des systèmes de vannes on contrôle les flux de gaz : le flux d'azote d'un côté et l'isopropanol de l'autre, se fait passer par l'espace où se trouve le capteur magnétoélastique, sous un champ magnétique. Notez que les MOF utilisés dans le capteur n'absorbent pas l'azote.

Figure . Détection de gaz isopropanol par variation de la fréquence de résonance. En faisant passer le gaz isopropanol par le capteur on observe un changement de la fréquence de résonance. Cependant, en réintroduisant l'azote, la fréquence initiale de résonance est rétablie.

La variation a donc été mesurée avec du ruban rectangulaire et rhombique avec le temps des fréquences de résonance des deux capteurs dépendants du champ magnétique de 15 Oe en fonction de la concentration d'isopropanol. Les résultats obtenus montrent que les matériaux magnétiques sont capables de détecter le gaz isopropanol. Dans les deux cas analysés, une différence d'au moins 500 Hz a été mesurée lorsque le gaz isopropanol a été soumis à des capteurs à une fréquence de résonance.

En outre, en variant la concentration d'isopropanol (de 5.128 ppm à 9.176 ppm) on observe des changements dans la fréquence de résonance. En d'autres termes, les capteurs magnétiques sont capables de détecter également de petites variations de flux. En ce qui concerne la forme des matériaux magnétiques, les résultats obtenus montrent que le capteur en forme de losange est plus capable de détecter l'isopropanol que celui de forme rectangulaire. En fait, dans toutes les concentrations d'isopropanol, la variation de la fréquence de résonance mesurée dans le capteur en forme de losange est de 33% supérieure à celle de forme rectangulaire.

Il est donc évident que les capteurs magnétiques peuvent être utilisés pour détecter des agents externes. En outre, il a été conclu que la forme du capteur magnétique est également déterminante. Dans le domaine de la santé publique, il est clair qu'il est nécessaire de développer de nouvelles méthodes, précises et peu coûteuses de détection des agents extérieurs, et notre objectif est de présenter les matériaux magnétiques comme une nouvelle opportunité dans ce parcours.

Bibliographie Bibliographie

[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. Lashéras, A. Sagasti, I. Quintana, M.L. Fdez-Gubieda, J. Gutiérrez, M.I. Arriortua, AVANT JÉSUS CHRIST. Lopes. 2019. “Enhanced mass sensitivity in novel magnetoelastic resonators geometries for advanced detection systems”, Sensors and Actuators B: Chemical, 296, 126612.