Метрологическое обеспечение научных исследований по созданию магнитных пленочных биосенсоров
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 8
1 Обзор литературы 8
1.1 Биосенсоры 8
1.2 Гигантский магнитоимпедансный эффект 10
1.3 Многослойные пленочные структуры 14
1.4 ГМИ - биодетектирование 15
1.5 Методики исследования свойств пленочных структур 17
1.5.1 Состав 17
1.5.2 Магнитные свойства 18
1.5.3 Структурные свойства 20
1.5.4 Магнитный импеданс 21
2 Постановка задачи 23
3 Методика эксперимента 24
3.1 Исследуемые образцы 24
3.2 Методы исследования состава и структуры 26
3.3 Исследование ГМИ 28
3.4 Системы для создания магнитного поля: распределение магнитного поля в
пространстве 29
4 Результаты и их обсуждение 30
4.1 Свойства многослойных пленочных элементов 30
4.1.1 Состав и структура 30
4.1.2 Магнитные свойства 32
4.1.3 ГМИ свойства 38
4.2 ГМИ - детектирование 41
4.1 Системы создания магнитного поля 51
4.1.1 Катушки Гельмгольца 51
4.1.2 Электромагнит 53
4.1.3 Магнитная матрица 24 ячейки 57
4.1.4 Магнитная матрица 48 ячейки 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 8
1 Обзор литературы 8
1.1 Биосенсоры 8
1.2 Гигантский магнитоимпедансный эффект 10
1.3 Многослойные пленочные структуры 14
1.4 ГМИ - биодетектирование 15
1.5 Методики исследования свойств пленочных структур 17
1.5.1 Состав 17
1.5.2 Магнитные свойства 18
1.5.3 Структурные свойства 20
1.5.4 Магнитный импеданс 21
2 Постановка задачи 23
3 Методика эксперимента 24
3.1 Исследуемые образцы 24
3.2 Методы исследования состава и структуры 26
3.3 Исследование ГМИ 28
3.4 Системы для создания магнитного поля: распределение магнитного поля в
пространстве 29
4 Результаты и их обсуждение 30
4.1 Свойства многослойных пленочных элементов 30
4.1.1 Состав и структура 30
4.1.2 Магнитные свойства 32
4.1.3 ГМИ свойства 38
4.2 ГМИ - детектирование 41
4.1 Системы создания магнитного поля 51
4.1.1 Катушки Гельмгольца 51
4.1.2 Электромагнит 53
4.1.3 Магнитная матрица 24 ячейки 57
4.1.4 Магнитная матрица 48 ячейки 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68
Биосенсор представляет собой компактное аналитическое устройство, включающее материал биологического или биотехнологического происхождения, встроенный в физико - химический преобразователь или связанный с ним [1]. Одним из подвидов биосенсоров являются магнитные биосенсоры, особенность которых заключается в наличии магнитного физико-химического преобразователя и использовании магнитного поля в процессе детектирования. Существует несколько физических эффектов, на основе которых работают магнитные преобразователи. К их числу относятся: магнитоиндуктивный эффект, эффект Холла, анизотропный магниторезистивный эффект (АМР), гигантский магниторезистивный эффект (ГМР), эффект спин-зависимого туннелирования (СЗТ), гигантский магнитоимпедансный эффект (ГМИ) [2, 3]. Особое внимание следует уделить гигантскому магнитному импедансу, поскольку преобразователи, которые работают на основе ГМИ, имеют высокую чувствительность к внешнему магнитному полю. ГМИ эффект заключается в изменении полного электросопротивления ферромагнитного проводника при протекании по нему переменного тока высокой частоты во внешнем магнитном поле. Часто используемыми материалами в ГМИ преобразователях являются: аморфные быстрозакаленные проволоки, аморфные микропроволоки в стеклянной оболочке, немагнитные проводящие проволоки с магнитным покрытием, аморфные ленты и многослойные пленочные структуры. К примеру, компания Aichi Steel Corp использует аморфные микропровода с отрицательной магнитострикцией, работающие на ГМИ эффекте, в качестве компасов в телефонах и смартфонах [4]. В подобных материалах чувствительность ГМИ эффекта к внешнему магнитному полю может достигать порядка 500 %/Э и выше [5]. Пленочные структуры в отличие от проволок имеют меньшую чувствительность (порядка 300 %/Э [6]), однако они совместимы с технологиями интегральных схем и работают с использованием гораздо более низких управляющих токов. К проблемам ГМИ элементов следует отнести сильную температурную зависимость [6, 7] и высокий уровень шума электронной схемы существующих прототипов [8, 9]. Однако чувствительность по отношению к внешнему полю - это наиболее важный параметр, поэтому уже сейчас описаны устройства на основе ГМИ элементов в виде проволок, которые используются в магнитокардиограммах [11] и магнитоэнцефалограммах [12] и ведутся активные научные разработки пленочных ГМИ биосенсоров [13].
Работа биосенсора может осуществляться по трем схемам: определение сигнала живых систем (например, магнитокардиограмма, магнитоэнцефалограмма и т.д.); определение концентрации исследуемого вещества в биоаналите; определение положения совокупности магнитных меток для того, чтобы отличить специфически выделенную часть тканей от основной (например, с целью поиска новообразований). В случае последних двух схем необходимо использовать магнитные метки, функциональные параметры которых должны быть специально подобранны и совмещены с параметрами чувствительного элемента биосенсора. При ГМИ биодетектировании в качестве меток можно использовать магнитные наночастицы сплавов железа (МНЧ) [14], на основе которых разрабатываются композитные биосовместимые материалы. Такими материалами, например, являются полиакриламидные феррогели (ФГ), позволяющие создавать многофункциональные композиты, включающие живые клеточные комплексы на своей поверхности. Поскольку МНЧ входят в состав ФГ, то можно влиять на свойства ФГ приложением внешнего магнитного поля: как перемещать ФГ, так и изменять их форму.
Одним из перспективных направлений использования ФГ является адресная доставка лекарств. Пример схемы реализации выглядит следующим образом. На поверхности ФГ выращиваются клетки, например, стволовые клетки, способные ускорить регенерацию пораженных тканей. Феррогель направляется по сосуду с помощью магнитного поля к месту предполагаемого разрыва и далее с помощью магнитного биосенсора подтверждается его точное положение. В основе определения положения ФГ с помощью магнитного биосенсора лежит возможность измерения величины совокупных полей рассеяния МНЧ, которые ими создаются во внешнем магнитном поле. Далее магнитным полем гель фиксируется и начинается процесс регенерации [15, 16]. Реализация адресной доставки лекарств требует аттестации свойств ФГ и магнитных биосенсоров. В первую очередь необходимо получить сенсорные элементы с заданной структурой, магнитными свойствами и ГМИ. Кроме того, необходимо знать, как влияет магнитное поле на деформацию ФГ и рост клеток на их поверхности. Важно подобрать магнитные параметры так, чтобы в полях максимальной чувствительности сенсора, МНЧ в ФГ обладали полями рассеяния достаточными для детектирования, но не выходили за рабочую область полей биосенсора. Исследования данных параметров проводятся с использованием уникального оборудования, которое не всегда коммерчески доступно, особенно востребованы системы для создания магнитного поля с заданными характеристиками.
В данной работе были разработаны и тестированы системы создания магнитного поля, адаптированные для исследований магнитных свойств сенсорных материалов и ФГ. Проведен полный цикл исследований структуры, магнитных свойств и ГМИ сенсорных материалов - многослойных пленочных структур, для последующего тестирования в кон-фигурации прототипа биосенсора, показана возможность детектирования магнитной вставки ФГ и эпоксидной смолы с МНЧ.
Работа биосенсора может осуществляться по трем схемам: определение сигнала живых систем (например, магнитокардиограмма, магнитоэнцефалограмма и т.д.); определение концентрации исследуемого вещества в биоаналите; определение положения совокупности магнитных меток для того, чтобы отличить специфически выделенную часть тканей от основной (например, с целью поиска новообразований). В случае последних двух схем необходимо использовать магнитные метки, функциональные параметры которых должны быть специально подобранны и совмещены с параметрами чувствительного элемента биосенсора. При ГМИ биодетектировании в качестве меток можно использовать магнитные наночастицы сплавов железа (МНЧ) [14], на основе которых разрабатываются композитные биосовместимые материалы. Такими материалами, например, являются полиакриламидные феррогели (ФГ), позволяющие создавать многофункциональные композиты, включающие живые клеточные комплексы на своей поверхности. Поскольку МНЧ входят в состав ФГ, то можно влиять на свойства ФГ приложением внешнего магнитного поля: как перемещать ФГ, так и изменять их форму.
Одним из перспективных направлений использования ФГ является адресная доставка лекарств. Пример схемы реализации выглядит следующим образом. На поверхности ФГ выращиваются клетки, например, стволовые клетки, способные ускорить регенерацию пораженных тканей. Феррогель направляется по сосуду с помощью магнитного поля к месту предполагаемого разрыва и далее с помощью магнитного биосенсора подтверждается его точное положение. В основе определения положения ФГ с помощью магнитного биосенсора лежит возможность измерения величины совокупных полей рассеяния МНЧ, которые ими создаются во внешнем магнитном поле. Далее магнитным полем гель фиксируется и начинается процесс регенерации [15, 16]. Реализация адресной доставки лекарств требует аттестации свойств ФГ и магнитных биосенсоров. В первую очередь необходимо получить сенсорные элементы с заданной структурой, магнитными свойствами и ГМИ. Кроме того, необходимо знать, как влияет магнитное поле на деформацию ФГ и рост клеток на их поверхности. Важно подобрать магнитные параметры так, чтобы в полях максимальной чувствительности сенсора, МНЧ в ФГ обладали полями рассеяния достаточными для детектирования, но не выходили за рабочую область полей биосенсора. Исследования данных параметров проводятся с использованием уникального оборудования, которое не всегда коммерчески доступно, особенно востребованы системы для создания магнитного поля с заданными характеристиками.
В данной работе были разработаны и тестированы системы создания магнитного поля, адаптированные для исследований магнитных свойств сенсорных материалов и ФГ. Проведен полный цикл исследований структуры, магнитных свойств и ГМИ сенсорных материалов - многослойных пленочных структур, для последующего тестирования в кон-фигурации прототипа биосенсора, показана возможность детектирования магнитной вставки ФГ и эпоксидной смолы с МНЧ.
В данной работе были проведены систематические исследования для обеспечения метрологической поддержки экспериментов по созданию пленочных магнитных биосенсоров, функционирующих на основе ГМИ эффекта, для детектирования таких биомиметиков, как полиакриламидные феррогели. Работа состоит из трех частей.
В первой части был выполнен полный цикл экспериментальных исследований физических свойств пленочных элементов на основе FeNi приготовленных методом ионоплазменного распыления. Проведено исследование состава, структуры, магнитных, и магнитоимпедансных свойств пленочных элементов. По данным рентгеноструктурного анализа образцы имеют нанокристаллическую структуру. Слои FeNi толщиной порядка 250 нм переходят в “закритическое” состояние. Разделение слоев FeNi(25 нм) немагнитными слоями Ti(5 нм) привело к уменьшению среднего размера зерна FeNi с 30 нм до 10 нм. Данные магнитооптической Керр микроскопии поверхностного слоя образцов Ti/FeNi/Ti/[Cu/Ti]5/FeNi/Ti и Ti/FeNi/Ti указывают на особенности дисперсии локальных ОЛН, что отражается на форме петель магнитного гистерезиса. Осаждение слоев FeNi на наноструктурированую структуру [Cu/Ti]5 влияет на особенности текстуры поверхностного слоя Ti/FeNi/Ti. Несмотря на присутствие специально прикладываемого во время напыления технологического магнитного поля, формируемая магнитная анизотропия пленочных образцов имела сложный характер. Так, ось магнитной анизотропии поверхностного слоя у большинства образцов располагалась перпендикулярно длинной стороне прямо-угольного элемента (соосно с ориентацией технологического поля), а ось эффективной магнитной анизотропии ориентировалась вдоль длиной стороны элемента. Анализ ГМИ в диапазоне частот 1 - 400 МГц позволил отобрать элементы для тестирования прототипа биодатчика.
Исследованы особенности ГМИ детектирования положения магнитных вставок в виде феррогелей или эпоксидной смолы с добавлением магнитных микрочастиц коммерческого оксида железа с помощью пленочного элемента [Fe21Ni79/Cu]5-6/Cu/[Fe21Ni79/Cu]5на расстоянии порядка (0,50 ± 0,25) мм от его поверхности. Такая конфигурация тестовых экспериментов имитирует прохождение тромба по кровеносному сосуду. Максимальная чувствительность пленочной структуры по отношению к внешнему магнитному полю наблюдалась на частоте 95 МГц, в диапазоне полей от 0 Э до 5 Э. Максимальная массовая концентрация магнитных наночастиц в феррогеле составляла 1,2i %. При данной чувствительности детектировать положение феррогеля не удалось. Однако при повышении часто-ты уменьшалась погрешность, связанная с диэлектрической проницаемостью гелей. Так СКО по 5 измерениям геля без наночастиц составляло 2,0% при частоте 95 МГЦ и 0,9% при частоте 300 МГц. При детектировании образца эпоксидной смолы с добавлением магнитных микрочастиц, массовая концентрация которых составляла 30 %, показана возможность детектирования положения композиционного образца с использованием максимального МИ соотношения. Наилучший результат наблюдался на частоте соответствующей максимальной чувствительности ГМИ элемента (95 МГц).
Проведенное исследование возможности детектирования ФГ и образцов эпоксидной смолы с добавлением магнитных частиц с помощью ГМИ пленочных структур показало принципиальную возможность решения такой задачи. Для дальнейшего развития данного направления следует не только повышать чувствительность пленочных элементов по от-ношению к внешнему магнитному полю, но и создавать прецизионные системы смещения образца и магнитной защиты от локальных магнитных полей.
В последней части работы описано создание систем магнитного поля и определение характеристик создаваемого поля. Для созданных для нужд проекта РНФ-18-19-00090 ка-тушек Гельмгольца было уточнено оптимальное расстояние между катушками, определен коэффициент связи тока и поля, и исследовано распределение магнитного поля в пространстве. Для исследований деформации и силы притяжения феррогелей во внешнем не-однородном магнитном поле для коммерческого электромагнита было определено распре-деление магнитного поля в пространстве, а также установлены оптимальные параметры его работы (время нагрева, максимальный ток, коэффициент связи тока и поля). В связи с отсутствием коммерчески доступных аналогов были созданы уникальные магнитные матрицы из 24 и 48 цилиндрических магнитов для исследований влияния магнитного поля на рост клеточных культур в биологических экспериментах. Для обеих матриц было определено распределение магнитного поля. Данные системы успешно использовались в работе по культивации фибробластов человека и изучению влияния магнитного поля на их морфологию и рост в ходе выполнения проекта РНФ-18-19-00090.
В первой части был выполнен полный цикл экспериментальных исследований физических свойств пленочных элементов на основе FeNi приготовленных методом ионоплазменного распыления. Проведено исследование состава, структуры, магнитных, и магнитоимпедансных свойств пленочных элементов. По данным рентгеноструктурного анализа образцы имеют нанокристаллическую структуру. Слои FeNi толщиной порядка 250 нм переходят в “закритическое” состояние. Разделение слоев FeNi(25 нм) немагнитными слоями Ti(5 нм) привело к уменьшению среднего размера зерна FeNi с 30 нм до 10 нм. Данные магнитооптической Керр микроскопии поверхностного слоя образцов Ti/FeNi/Ti/[Cu/Ti]5/FeNi/Ti и Ti/FeNi/Ti указывают на особенности дисперсии локальных ОЛН, что отражается на форме петель магнитного гистерезиса. Осаждение слоев FeNi на наноструктурированую структуру [Cu/Ti]5 влияет на особенности текстуры поверхностного слоя Ti/FeNi/Ti. Несмотря на присутствие специально прикладываемого во время напыления технологического магнитного поля, формируемая магнитная анизотропия пленочных образцов имела сложный характер. Так, ось магнитной анизотропии поверхностного слоя у большинства образцов располагалась перпендикулярно длинной стороне прямо-угольного элемента (соосно с ориентацией технологического поля), а ось эффективной магнитной анизотропии ориентировалась вдоль длиной стороны элемента. Анализ ГМИ в диапазоне частот 1 - 400 МГц позволил отобрать элементы для тестирования прототипа биодатчика.
Исследованы особенности ГМИ детектирования положения магнитных вставок в виде феррогелей или эпоксидной смолы с добавлением магнитных микрочастиц коммерческого оксида железа с помощью пленочного элемента [Fe21Ni79/Cu]5-6/Cu/[Fe21Ni79/Cu]5на расстоянии порядка (0,50 ± 0,25) мм от его поверхности. Такая конфигурация тестовых экспериментов имитирует прохождение тромба по кровеносному сосуду. Максимальная чувствительность пленочной структуры по отношению к внешнему магнитному полю наблюдалась на частоте 95 МГц, в диапазоне полей от 0 Э до 5 Э. Максимальная массовая концентрация магнитных наночастиц в феррогеле составляла 1,2i %. При данной чувствительности детектировать положение феррогеля не удалось. Однако при повышении часто-ты уменьшалась погрешность, связанная с диэлектрической проницаемостью гелей. Так СКО по 5 измерениям геля без наночастиц составляло 2,0% при частоте 95 МГЦ и 0,9% при частоте 300 МГц. При детектировании образца эпоксидной смолы с добавлением магнитных микрочастиц, массовая концентрация которых составляла 30 %, показана возможность детектирования положения композиционного образца с использованием максимального МИ соотношения. Наилучший результат наблюдался на частоте соответствующей максимальной чувствительности ГМИ элемента (95 МГц).
Проведенное исследование возможности детектирования ФГ и образцов эпоксидной смолы с добавлением магнитных частиц с помощью ГМИ пленочных структур показало принципиальную возможность решения такой задачи. Для дальнейшего развития данного направления следует не только повышать чувствительность пленочных элементов по от-ношению к внешнему магнитному полю, но и создавать прецизионные системы смещения образца и магнитной защиты от локальных магнитных полей.
В последней части работы описано создание систем магнитного поля и определение характеристик создаваемого поля. Для созданных для нужд проекта РНФ-18-19-00090 ка-тушек Гельмгольца было уточнено оптимальное расстояние между катушками, определен коэффициент связи тока и поля, и исследовано распределение магнитного поля в пространстве. Для исследований деформации и силы притяжения феррогелей во внешнем не-однородном магнитном поле для коммерческого электромагнита было определено распре-деление магнитного поля в пространстве, а также установлены оптимальные параметры его работы (время нагрева, максимальный ток, коэффициент связи тока и поля). В связи с отсутствием коммерчески доступных аналогов были созданы уникальные магнитные матрицы из 24 и 48 цилиндрических магнитов для исследований влияния магнитного поля на рост клеточных культур в биологических экспериментах. Для обеих матриц было определено распределение магнитного поля. Данные системы успешно использовались в работе по культивации фибробластов человека и изучению влияния магнитного поля на их морфологию и рост в ходе выполнения проекта РНФ-18-19-00090.