Sensores magnetoelásticos: método de detección de axentes 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

As conclusións mundiais do COVID-19 puxeron de manifesto a importancia da detección sinxela e rápida de axentes externos. Neste proceso, os materiais magneto-elásticos deron pasos importantes. Nestes materiais, cando se engade una cantidade de masa á superficie do material, prodúcese una variación da frecuencia de resonancia que permite detectar axentes externos.

As propiedades elásticas dos materiais magnetoelásticos varían baixo un campo magnético. Estes materiais son xeralmente aliaxes ferromagnéticas formadas por ferro e/ou cobalto, en forma de cinta rectangular. Ademais, son sistemas resonantes cando se lles aplica un campo magnético e teñen una frecuencia de resonancia propia. Esta frecuencia varía baixo a influencia de parámetros como a temperatura, a presión ou o cambio de masa [1]. Este último parámetro é o que permite detectar axentes externos. A adición de axentes biolóxicos ou químicos sobre un material magnetoelástico xerará una masa adicional que pode ser detectada mediante unha diminución da frecuencia de resonancia sempre que o material magnetoelástico presente una sensibilidade suficiente. Este proceso, loxicamente, non é simple e require a previa funcionalización da superficie da cinta magnetoelástica.

Figura . Esquema do sistema de detección de axentes externos.

A funcionalización de materiais magnetoelásticos consiste en dotar a estes materiais da capacidade necesaria paira detectar un axente externo. Dependendo do axente externo que se queira detectar utilízase un ou outro método de funcionalización, pero o obxectivo sempre é o mesmo: “atrapar” ao axente biolóxico ou químico. Se se queren detectar bacterias, por exemplo, utilízanse fagos ou anticorpos, entre outros. A detección de gases realízase normalmente a través de zeolitas ou MOF (Metal–organic framework en inglés, estruturas metalorgánicas) que pola súa porosidad teñen a capacidade de absorción de gases.

A forma do sensor ten importancia na sensibilidade da detección

Como xa se indicou, paira a detección de axentes externos é moi importante a obtención de materiais magnetoelásticos de alta sensibilidade, é dicir, que ao engadir una cantidade de masa prodúzanse cambios significativos na frecuencia de resonancia. Este proceso estivo baseado até agora na redución do tamaño do material magnetoelástico. En xeral, canto máis pequeno é, máis sensibilidade conséguese mediante sensores magnetoelásticos. Con todo, a redución de materiais magnetoelásticos pode ocasionar problemas. Por unha banda, son moito máis difíciles de utilizar e, por outro, hai menos superficies activas paira detectar axentes externos. Por tanto, é necesario conseguir un equilibrio entre a usabilidad e o tamaño paira conseguir un sensor adecuado.

Figura . Na parte esquerda, un esquema das cintas magnetoelásticas de diferente forma e a variación das curvas de resonancia. Na parte dereita, a variación da frecuencia de resonancia (?f) de cada sensor ao engadir diferentes capas de ouro (?m) e o valor da sensibilidade correspondente.

Por iso, paira mellorar a sensibilidade dos sensores magnetoelásticos é imprescindible investigar outras alternativas. Una destas opcións é cambiar o aspecto das cintas magnetoelásticas [2]. Por suposto, non é fácil fabricar magnetoelásticos con formas diferentes. Requírese moita precisión paira conseguir una aparencia adecuada e que os resultados obtidos sexan fiables. Paira iso, a partir de cintas rectangulares convencionais, aplícanse feixes de láser pulsados paira a fabricación de sensores de dimensións e formas adecuadas. De feito, pódese observar que, utilizando a mesma superficie activa, obsérvanse importantes melloras na sensibilidade ao utilizar cintas rectangulares máis estreitas que as convencionais e cintas magnetoelásticas en forma de rombo ou triángulo.

Concretamente, desde sensores magnetoelásticos de diferentes formas, o rombo é o que presenta a maior sensibilidade a un cambio de masa. Por exemplo, en sensores de 12 mm de lonxitude, ao engadir varias capas de ouro, o sensor en forma de rombo é capaz de detectar un cambio de 53,4 Hz por cada microgramo. Isto supón una mellora de case un 250% no valor da sensibilidade respecto ao sensor rectangular convencional, no que se aprecia una variación de 15,4 Hz por microgramo. Por tanto, a sensibilidade dos sensores magnetoelásticos pode aumentar considerablemente cambiando a súa xeometría.

Detección de axentes externos

Sabemos, por tanto, que os mellores sensores paira a detección de axentes externos son os materiais magnetoelásticos en forma de rombo. Neste sentido, é necesario analizar a súa resposta ante axentes externos paira coñecer a súa eficacia. Paira iso realizáronse dous experimentos paira a detección do gas isopropanol mediante un sensor en forma de rombo coa mesma superficie activa e outro sensor de forma rectangular. Nestes experimentos empregáronse MOF paira a funcionalización de cintas magnetoelásticas, que teñen una gran capacidade de absorción de gas isopropanol.

Figura . Sistema experimental montado paira a detección de gases mediante materiais magnetoelásticos.

Paira levar a cabo este proceso montamos un sistema de gas no noso laboratorio. Este sistema consta dunha botella chea de nitróxeno e mediante uns sistemas de válvulas contrólanse os fluxos de gases: o fluxo de nitróxeno por unha banda e o isopropanol por outro, faise pasar polo espazo no que se sitúa o sensor magnetoelástico, baixo un campo magnético. Hai que ter en conta que os MOF utilizados no sensor non absorben nitróxeno.

Figura . Detección de gas isopropanol por variación da frecuencia de resonancia. Ao facer pasar o gas de isopropanol polo sensor obsérvase un cambio na frecuencia de resonancia. Con todo, ao reintroducir o nitróxeno recupérase a frecuencia inicial de resonancia.

Por tanto, mediuse con cinta rectangular e rómbica a variación co tempo das frecuencias de resonancia dos dous sensores dependentes do campo magnético de 15 Oe en función da concentración de isopropanol. Os resultados obtidos demostran que os materiais magnetoelásticos son capaces de detectar o gas isopropanol. De feito, nos dous casos analizados mediuse una diferenza de polo menos 500 Hz cando o gas isopropanol foi sometido a sensores a unha frecuencia de resonancia.

Ademais, ao variar a concentración de isopropanol (de 5.128 ppm a 9.176 ppm) obsérvanse cambios na frecuencia de resonancia. É dicir, os sensores magnetoelásticos son capaces de detectar tamén pequenas variacións de fluxo. En canto á forma dos materiais magnetoelásticos, os resultados obtidos demostran que o sensor en forma de rombo é máis capaz de detectar isopropanol que o de forma rectangular. De feito, en todas as concentracións de isopropanol, a variación da frecuencia de resonancia medida no sensor en forma de rombo é un 33% superior á de forma rectangular.

Por tanto, queda patente que os sensores magnetoelásticos poden ser utilizados paira detectar axentes externos. Ademais, concluíuse que a forma do sensor magnetoelástico tamén é determinante. No ámbito da saúde pública, está claro que é necesario desenvolver métodos novos, precisos e baratos de detección de axentes externos, e o noso obxectivo é presentar os materiais magnetoelásticos como una nova oportunidade neste percorrido.

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.