GMI detecting of epoxy magnetic composite imitating thrombus in blood vessels.pdf Введение Детекторы малых магнитных полей находят все большее применение в биомедицинских при-ложениях [1]. Магнитный биосенсор представляет собой компактное аналитическое устройство, включающее материал биологического или биотехнологического происхождения, встроенный в магнитный физико-химический преобразователь [2]. Гигантский магнитоимпедансный (ГМИ) эф-фект имеет высокую чувствительность по отношению к внешнему магнитному полю, поэтому ма-териалы преобразователей, которые работают на его основе, активно исследуются и внедряются в практику [3]. ГМИ-эффект заключается в изменении полного электросопротивления ферромаг-нитного проводника при протекании по нему переменного тока высокой частоты во внешнем маг-нитном поле. Явление ГМИ - это классический электродинамический эффект, обусловленный из-менением глубины скин-слоя (δ), за счет изменения динамической магнитной проницаемости (μ), при протекании высокочастотного тока по ферромагнитому проводнику и при приложении внеш-него магнитного поля (H) [4, 5]. Необходимыми магнитомягкими свойствами и высоким ГМИ-эффектом обладают много-слойные пленочные структуры на основе пермаллоя (FeNi). ГМИ обусловлен влиянием внешнего магнитного поля на эффективную магнитную проницаемость, которая пропорциональна глубине скин-слоя, поэтому, чем толще магнитная пленка, тем при меньших частотах проявляется высокий ГМИ-эффект [6]. Однако при увеличении толщины пермаллоя выше критической, величина кото-рой зависит от ряда технологических параметров, происходит переход в «закритическое» состоя-ние, деградация магнитомягких свойств и снижение величины эффекта ГМИ [7]. Решением дан-ной проблемы является использование многослойной пленочной структуры, где разделение маг-нитомягких слоев при помощи прослоек из немагнитных материалов предотвращает переход в за-критическое состояние [8, 9]. Тромб - это патологический сгусток крови, образующийся при жизни пациента в просвете ар-терии, вены или даже в полости сердца. Вызванные тромбозом заболевания являются одной из ли-дирующих причин смертей. В настоящее время лечение тромбоза осуществляется или хирургиче-ским методом, заключающимся в проведении сложной операции с высоким риском осложнений, или медикаментозным, с использованием тромболитиков, вызывающих часто много побочных эффектов. Одним из способов снижения побочных эффектов является адресная доставка лекарства к тромбу с помощью магнитных частиц (МЧ), например биосовместимых частиц магнетита [10, 11]. Подобная же схема может применяться в случае препаратов, применяемых для гипертермии или химиотерапии при лечении раковых заболеваний [10]. При этом критически важно бывает оп-ределить локальную концентрацию магнитных частиц в области проведения терапии. Последняя задача может быть решена с помощью ГМИ-сенсора, детектирующего поля рассеяния магнитных частиц [12]. Цель данной работы - проведение исследований влияния магнитных полей рассеяния на ГМИ-эффект многослойной пленочной структуры на основе пермаллоя при разных положениях магнитной вставки из композиционного материала (эпоксидной смолы и частиц магнетита), ими-тирующей тромб в кровеносном сосуде. Методика эксперимента Многослойные пленочные структуры были получены с использованием сплавной мишени со-става Fe20Ni80 методом ионно-плазменного распыления на подложки из стекла. Напыления прово-дили через металлические маски в магнитном поле 100 Э для формирования одноосной магнитной анизотропии. ГМИ-элементы имели размеры (длина × ширина): 10.0×0.5 мм и структуру [Fe21Ni79(100 нм)/Cu(3 нм)]5/Cu(500 нм)/[Fe21Ni79(100 нм)/Cu(3 нм)]5; внешнее поле прикладыва-лось вдоль короткой стороны элемента в его плоскости. Предварительный вакуум составлял 310-7 мбар, а рабочее давление аргона - 3.810-3 мбар. Состав железоникелевых слоев был уточнен после приготовления образцов с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа. Образец, имитирующий тромб в коронарном сосуде, представлял собой цилиндр из эпоксид-ной смолы с магнитной вставкой, помещенный в полимерную трубку диаметром 5.1 мм. Магнит-ная вставка являлась композитом с 30%-м массовым содержанием коммерческих микрочастиц ок-сида железа FeOx (фазы Fe3O4 - 94 вес.%; Fe2O3 - 1 вес.% и FeO(OH) - 5 вес.%) компании «Alfa Aesar» (Ward Hill, MA, USA). Средний размер микрочастиц оксида железа определяли с использо-ванием данных сканирующей электронной микроскопии (JEOL JSM-7000 F, Япония). Для изготовления магнитных композитов в качестве полимерной матрицы была использована эпокси-дифенилолпропановая смола KDA («Chimex Ltd.», Санкт-Петербург, Россия). Сначала смолу смешали с отвердителем - три(этил)-тетра(амин) («Epital», Москва, Россия) в соотношении 6:1 по весу. После этого навески порошкообразных образцов магнитных частиц смешивали с жид-кой композицией эпоксидной смолы при температуре 25 °C в течение 10 мин для получения одно-родной смеси. Затем смесь помещали в цилиндрическую форму из полиэтилена для отвердения в течение 2 ч при 70 °C. Магнитная вставка имела форму цилиндра с диаметром 5 мм, длиной 4 мм и массой 0.1 г. Контрольный образец (контроль) представлял собой цилиндр из эпоксидной смолы, приготовленной по той же схеме, но без добавления магнитных частиц. Исследования магнитных свойств композита, из которого была сделана магнитная вставка, выполнены с помощью вибрационного магнетометра 7407 VSM («Lake Shore Cryotronics», США) при комнатной температуре. Магнитные свойства пленочного элемента исследованы с помощью магнитооптического Керр-микроскопа (Evico magnetics GmbH, Германия). Измерения высокочастотного импеданса проводились с помощью анализатора импеданса Agilent HP E 4991 A при комнатной температуре во внешнем магнитном поле, создаваемом ка-тушками Гельмгольца. Подробное описание измерительного метода и схема установки приводятся в работах [1, 13]. Внешнее магнитное поле прикладывалось вдоль длинной стороны прямоуголь-ных образцов в виде полосок в направлении протекания переменного тока в диапазоне полей ±150 Э, шаг 0.33 Э при частотах тока возбуждения от 1 до 150 МГц. Таким образом, исследовали ГМИ-эффект в продольной геометрии. Анализ ГМИ-пленочных структур проводился в конфигурации модельных экспериментов, имитирующих прохождение тромба по кровеносному сосуду. Импеданс элемента измерялся при разных положениях центра магнитной вставки относительно пленочного элемента. Магнитная вставка в образце располагалась на расстоянии порядка (1.1 ± 0.2) мм над поверхностью элемента и могла передвигаться перпендикулярно его длинной стороне. Расстояние центра магнитной вставки от пленочного элемента отсчитывалось по оси OX, шаг составлял ± 1 мм (рис. 1). Хотя ис-пользованная методика позволяет измерять как полное электросопротивление образца (импеданс), так и его действительную и мнимую составляющие, для решения конкретной задачи было доста-точно анализа только активной части полного электрического сопротивления цепи. По сложив-шейся традиции и для удобства описания будем называть магнитоимпедансным (МИ) соотношением активного сопротивления полевую зависимость действительной части полного электросопротивления, рассчитанную следующим образом: Рис. 1. Расположение образца, имитирующего тромб в коронарном сосуде над пленочным элементом. Стрелка указывает ось, вдоль которой двигалась магнитная вставка ΔR/R(Н) = 100% (R(H) - R(Hmax))/R(Hmax), где R(Hmax) = 100 Э - поле, в котором происходит магнитное насыщение пленочного образца при приложении внешнего поля вдоль его длинной стороны. Случайная погрешность вычислялась по трем измерениям, коэффициент Стьюдента - 2.4, доверительная вероятность - 0.95. Относительная систематическая погрешность не превышала 1%. Распределение магнитных полей на поверхности элемента, которые создает магнитная вставка при разных положениях, было определено с помощью моделирования в программном обеспечении Comsol MultiPhysics (AC/DC Module) («COMSOL LLC», Швеция, Лицензия № 17074991). Расчет магнитных полей рассеяния производился только для компоненты, направленной вдоль длинной стороны пленочного элемента. Результаты и их обсуждение Магнитные измерения Рис. 2. Удельный магнитный момент композита (эпоксидная смола с массовой концентрацией магнитных микрочастиц 30%) (кр. 1). На вставке - сканирующая электронная микроскопия - общий вид магнитных микрочастиц оксида железа FeOx На рис. 2 (на вставке) приведено изображение микрочастиц оксида железа, полученное с по-мощью сканирующей электронной микроскопии. Данные частицы, форма которых довольно близ-ка к сферической, были использованы в качестве магнитного наполнителя для полимерного ком-позита. Хорошо видно, что, несмотря на заметный разброс по размерам, средний размер частиц не превышает 300 нм, частицы не образуют крупных агломератов. По данным магнитных измерений, композит на полимерной основе обладает следующими характеристиками: коэрцитивная сила Hc = 85 Э, удельный магнитный момент насыщения ms = 23 Гс•см3/г, остаточный удельный магнитный момент mr = 1.8 Гс•см3/г (кривая 1) (рис. 2). С использованием этих данных были вычислены намагниченность насыщения Ms = 29 Гс и остаточная намагниченность Mr = 2.5 Гс. По данным Керр-микроскопии, перемагничивание поверхностного слоя пленочной структуры при приложении внешнего магнитного поля параллельно длинной стороне элемента происходит за счет чистого вращения магнитных моментов: гистерезиса не наблюдается, поле анизотропии порядка 5 Э (рис. 3, а). Это означает, что ось легкого намагничивания лежит перпендикулярно длинной стороне пленки, характеризующейся одноосной поперечной магнитной анизотропией. Максимальное значение МИ-соотношения активного сопротивления пленочного элемента наблюдалось при частоте переменного тока f = 85 МГц (ΔR/R(Н) = 175%). При более низких и более высоких частотах МИ-соотношение оказывалось ниже 175% для всех приложенных полей. Максимум ΔR/R(Н) = 175% наблюдался во внешнем поле около 5 Э, близком к полю эффективной магнитной анизотропии. При f = 85 МГц и Н = 5 Э также наблюдается максимальная чувствительность отношения ΔR/R к внешнему магнитному полю, а именно 41 %/Э в диапазоне полей от 2 до 5 Э. Две части одной и той же ветви МИ-отношения (в положительном и отрицательном полях) несимметричны (рис. 3, б), что может быть связано с особенностями гистерезиса при поперечном перемагничивании переменным током [14]. Кроме то-го, подобное поведение ранее было объяснено высокой чувствительностью магнитной системы к поперечному магнитному полю вблизи спин-переориентационных фазовых переходов [15]. Рис. 3. Петля магнитного гистерезиса [Fe21Ni79(100 нм)/Cu(3 нм)]5/Cu(500 нм)/ [Fe21Ni79(100 нм)/Cu(3 нм)]5 пленочного элемента, измеренная на Керр-микроско¬пе (а), поле приложено вдоль длинной стороны элемента, т.е. так же, как и при измерении ГМИ; полевая зависимость МИ-соотношения активного сопротивления при частоте тока 85 МГц (б): кр. 1 - нисходящая ветвь, кр. 2 - восходящая ветвь ГМИ-детектирование Рис. 4. Полевая зависимость МИ-соотноше¬ния активного сопротивления полного импеданса при частоте тока 85 МГц при разных положениях магнитной вставки над пленочным элементом Перед исследованием ГМИ магнитная вставка была намагничена в поле 0.2 Тл и ее намагни-ченность составляла порядка 2.3 Гс. На рис. 4 показано, что кривые МИ-соотношения для актив-ного сопротивления пленочной структуры (кривая 1) и пленочной структуры с симметрично раз-мещенным над ней контрольным образцом совпадают (кривая 2). При расположении магнитной вставки на расстоянии 5 мм от пленочного элемента значение МИ-соотношения активного сопротивления (кривая 8) совпадает с контролем (кривая 2), но кривые смещены во внешнем магнитном поле на величину порядка 0.5 Э. Дальнейшее сближение магнитной вставки с центром элемента на расстояние: 4 мм (кривая 7), 3 мм (кривая 6), 2 мм (кривая 5), 1 мм (кривая 4), 0 мм (кривая 3), сопровождается как уменьшением максимального значения МИ-соотношения активного сопротивления пленки (кривые сглаживаются), так и дальнейшим смещением данных кривых по полю. Максимальный отклик на изменение положения магнитной вставки эпоксикомпозита наблюдался в поле максимального значения МИ-соотношения активного сопро-тивления (порядка 5 Э). Сближение центра магнитной вставки с центром пленочного элемента сопровождается увеличением напряженности магнитных полей рассеяния, действующих на пленочный элемент, изменяя его активное сопротивление [12]. Используя программный пакет Comsol и магнитные параметры, полученные экспериментально на основе измерений композита, из которого была сделана вставка, определим, какая величина магнитных полей рассеяния соответствует каждому положению магнитной вставки над пленкой и сопоставим это поле с ГМИ-откликом. В качестве характеристики, отражающей изменение ГМИ-отклика под воздействием магнитных полей рассеяния, используем величину разности максимальных МИ-соотношений активного сопротивления пленочного элемента с размещенным над ней контролем и пленки с размещенной Рис. 5. Зависимость ГМИ-отклика пленочного элемента от напряженности магнитных полей рассеяния магнитной вставки при частоте 85 МГц (кр. 1) c аппроксимацией функцией y = 80.2ex/4.4 - 100.0 (кр. 2). На вставке распределение магнитных полей рассеяния (компонента y) вдоль пленочного элемента для точки, соответствующей пунктирной стрелке над ней магнитной вставкой композита в различных положениях. По результатам моделирования в программе Comsol магнитные поля рассеяния вставки при заданной геометрии симметрично сконцентрированы в центре пленки в области порядка 3 мм. Направление полей рассеяния противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого катушками Гельмгольца (рис. 5, вставка). ГМИ-отклик (кривая 1) в общем случае имеет нелинейную, но достаточно близкую к линейной, зависимость (y = 80.2ex/4.4 - 100.0) (кривая 2). Выводы В данной работе было исследовано влияние полей рассеяния магнитной вставки из эпоксидной смолы и магнитных частиц оксида железа в модельной геометрии, имитирующей тромб в кровеносном сосуде, на ГМИ-эффект многослойной пленочной структуры [Fe21Ni79/Cu]5/Cu/ [Fe21Ni79/Cu]5. Показано уменьшение максимального значения магнитоимпедансного соотношения активного сопротивления пленки, и смещение кривых МИ-соотношения активного сопротивления по полю при сближении магнитной вставки с элементом. Определена количественная оценка полей рассеяния, достаточно близкая к линейной зависимости МИ-соотношения активного сопротивления от полей рассеяния. Полученные результаты перспективны для использования пленочных элементов данного типа при решении задач адресной доставки лекарств с помощью магнитных частиц. Авторы благодарны А.П. Сафронову за полезное обсуждение и помощь в получении образцов композитов.

Скачать электронную версию публикации