بررسی خواص مغناطیسی و امپدانس مغناطیسی بزرگ در حسگر زیستی-مغناطیسی پایه کبالت آمورف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژیهای نو، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران.

2 کارشناسی ارشد، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژیهای نو، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران.

چکیده

در تحقیق حاضر یک حسگر زیستی-مغناطیسی چند لایه (SiO2/CoFeSiB/Al2O3/Cr/Au) مبتنی بر اثر امپدانس مغناطیسی با استفاده از سیستم میکروالکترومکانیکی طراحی وساخته شده است. بدین منظور ابتدا شمش آلیاژ پایه کبالت با ترکیبCo15Fe4.3Si12.5B15  در کوره القایی تحت خلاء تهیه و سپس با استفاده از دستگاه مذاب-ریسی، نوارهای انجماد سریع شده با ریزساختار آمورف تهیه شدند. جهت تهیه حسگر، یک طرح مارپیچی با ده عدد بازو با استفاده از فرآیند لیتوگرافی بر روی سطح نوار آمورف تهیه و سپس پوشش چند لایه آلومنیا/کروم/طلا  با استفاده از فرآیند کندوپاش مغناطیسی امواج رادیویی، بر روی آن پوشش‌دهی شد. مشخصات مغناطیسی نوار به کمک دستگاه منحنی نگار هیسترزیس و مغناطش سنج نمونه مرتعش اندازه گیری شدند. مقاومت الکتریکی ویژه آلیاژ به روش پویشگر چهار نقطه اندازه گیری شد. آزمون پراش پرتو ایکس بر روی نوار‌ نشان دهنده‌ی یک ساختار آمورف نوار می باشد. اندازه و ترکیب ذرات اکسید آهن مورد استفاده در این پژوهش به وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی روبشی و آزمون پراش پرتو ایکس مشخص شدند. نسبت امپدانس مغناطیسی بزرگ (GMI) نوار و حسگرها در محدوده فرکانسی 1 تا MHz 12 و حداکثر میدان مغناطیسی Oe 170 مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که حداکثر نسبت امپدانس مغناطیسی حسگر برابر با 67% و در فرکانس MHz 9 حاصل شده است که در حضور mg 1/0 از ذرات سوپر-پارامغناطیس اکسید آهن بروی سطح حسگر، به میزان 13% کاهش یافته است. بنابراین، با توجه به حساسیت قابل توجه حسگر تهیه شده به نانوذرات اکسید آهن، این حسگر می تواند در کاربردهای زیستی-مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of magnetic and giant magnetoimpedance properties in amorphous Co-based biosensor

نویسندگان [English]

  • Farzad Shahri 1
  • Sobhan Mohammadi Fathabad 2
1 Assistant Professor, Department of Advanced Materials & Renewable Energy, Iranian Research Organization for Science & Technology (IROST), Tehran, Iran.
2 MSc, Department of Advanced Materials & Renewable Energy, Iranian Research Organization for Science & Technology (IROST), Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this work, a multilayer magnetic biosensor (SiO2/CoFeSiB/Al2O3/Cr/Au) based on the giant magnetoimpedance (GMI) effect, is designed and fabricated by micro-electromechanical system (MEMS) technology. Co68.15Fe4.3Si12.5B15‎ alloy ingot was prepared using vacuum arc remelting (VAR) furnace and then amorphous ribbon was produced using melt-spinning process. In order to develop the GMI biosensor, a micro-pattern was implicated on the ribbon on a SiO2 substrate using lithography technique with a meander structure containing 10 arms. Al2O3/Cr/Au layers were deposited on the patterned ribbon using RF-sputtering technique. Differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD) were used to evaluate the thermal property and structure of the ribbon. The results showed that the structure of the ribbon is amorphous. Finally, magnetoimpedance evaluation of the sensor was done at frequency range of 1-12 MHz and magnetic field of 0-170 Oe. In the GMI experiment, Fe3O4 nanoparticles were used as sensing elements. Based on the results obtained, it was shown that the maximum GMI ratio was 67% for blank sensor and is reduced by about 13% for sensor with 0.1 mg Fe3O4 at frequency of 9 MHz. Therefore, due to the significant sensitivity of fabricated sensor to iron-oxide nanoparticles, this sensor has potential to be used for bio-magnetic applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bio-Magnetic sensor
  • Co-based amorphous ribbon
  • Magnetoimpedance effect
  • super paramagnetic particle
  • Iron oxide
  • micro electro mechanical system (MEMS)

مراجع

 [1] M.-H. Phan, & H.-X. Peng, "Giant magnetoimpedance materials: Fundamentals and applications", Progress in Materials Science, 53(2), 323-420, 2008.
[2] M. Fuentes, C. Mateo, A. Rodriguez, M. Casqueiro, J.C. Tercero, H.H. Riese, R. Fernández-Lafuente, & J.M. Guisán, "Detecting minimal traces of DNA using DNA covalently attached to superparamagnetic nanoparticles and direct PCR-ELISA", Biosens. Bioelectron, 21, 8, p.1574-1580, 2006.
[3] S. Jahanbani, A.J. Benvidi, "Comparison of two fabricated aptasensors based on modified carbon paste/oleic acid and magnetic bar carbon paste/Fe3O4@oleic acid nanoparticle electrodes for tetracycline detection", Biosens. Bioelectron., 85, p. 553-562, 2016.
[4 ] Z. Xiong, L. Zhao, F. Wang, J. Zhu, H. Qin, R.A. Wu, W. Zhang, W., & Zou, "Synthesis of branched PEG brushes hybrid hydrophilic magnetic nanoparticles for the selective enrichment of N-linked glycopeptides", H. J. C. C. 48, 65, p. 8138-8140, 2012.
[5] B.K. Paul, K. Bhattacharjee, S. Bose, & N. Guchhait,  "A spectroscopic investigation on the interaction of a magnetic ferrofluid with a model plasma protein: effect on the conformation and activity of the protein", Physical Chemistry Chemical Physics, 14 ,44, p. 15482-15493, 2012.
[6] L. Wang, J. Lin, "Recent advances on magnetic nanobead based biosensors: From separation to detection", TrAC Trends in Analytical Chemistry, 128, 115915, 2020.
[7] C. Pflipsen, D. Forge, S. Benali & Y. Gossuin "Improved stability and relaxivity of a commercial magnetic ferrofluid", The Journal of Physical Chemistry C, 117, 40, p. 20919-20926, 2013.

[8] V. Nabaei, R. Chandrawati, H. Heidari, "Magnetic biosensors: Modeling and simulation", Biosensors and Bioelectronics, 103,  p. 69-86, 2018.  

[9] R. Uddin, R. Burger, M. Donolato, J. Fock, M. Creagh, M.F. Hansen, & A. Boisen, "Lab-on-a-disc agglutination assay for protein detection by optomagnetic readout and optical imaging using nano-and micro-sized magnetic beads", Biosens. Bioelectron., 85, p. 351-357, 2016.
[10] K.S. Byon, S.-C. Yu & C.G. Kim, “Permeability and giant magnetoimpedance in Co69Fe4.5X1.5Si10B15 (X= Cr, Mn, Ni) amorphous ribbons”, Journal of applied physics, 89(11), 7218-7220, 2001.
[11] Goncalves, L., Soares, J., Machado, F., & De Azevedo, W., “GMI effect in the low magnetostrictive Co70Fe5Si15B10 alloys”, Physica B: Condensed Matter, 384(1-2), 152-154, 2006.
[12] Pankhurst, Q., Thanh, N., Jones, S., & Dobson, J., “Progress in applications of magnetic nanoparticles in biomedicine”, Journal of Physics D: Applied Physics, 42(22), 224001, 2009.
[13] Megens, M., & Prins, M., “Magnetic biochips: a new option for sensitive diagnostics”, Journal of Magnetism Magnetic Materials, 293(1), 702-708, 2005.
[14] G. Kurlyandskaya, M. Sanchez, B. Hernando, V. Prida, P. Gorria, & M. Tejedor, “Giant-magnetoimpedance-based sensitive element as a model for biosensors”, Applied Physics Letters, 82, 18, p. 3053-3055, 2003.
[15] G.V. Kurlyandskaya, V. Levit, “Magnetic Dynabeads® detection by sensitive element based on giant magnetoimpedance”, Biosens. Bioelectron.,  20, 8, p. 1611-1616, 2005.
[16] H. Chiriac, M. Tibu, A.E. Moga, D. Herea, “Magnetic GMI sensor for detection of biomolecules”, J. Magn. Magn. Mater., 293, 1, p.671-676, 2005.
[17] F. Blanc-Beguin, S. Nabily, J. Gieraltowski, A. Turzo, S. Querellou, P. Salaun, “Cytotoxicity and GMI bio-sensor detection of maghemite nanoparticles internalized into cells”, J. Magn. Magn. Mater., 321, 3, p. 192-197, 2009.
[18] A. Kumar, S. Mohapatra, V. Fal-Miyar, A. Cerdeira, J. Garcia, H. Srikanth, J. Gass, J., & G.V. Kurlyandskaya, “Magnetoimpedance biosensor for Fe3O4 nanoparticle intracellular uptake evaluation”, Appl. Phys. Lett.,  91, 14, p. 143902, 20, 2007.
[19] A. Yuvchenko, V. Lepalovskii, V. Vas’kovskii, A. Safronov, S. Volchkov, & G. Kurlyandskaya, "Magnetic impedance of structured film meanders in the presence of magnetic micro-and nanoparticles", Technical Physics, 59, 2, p.230-236, 2014.
[20] Amirabadizadeh, A., Lotfollahi, Z., & Zelati, A, “Giant magnetoimpedance effect of Co68. 15Fe4.35Si12.5B15 amorphous wire in the presence of magnetite ferrofluid”, Journal of Magnetism Magnetic Materials, 415, 102-105, 2016.
[21] L. Chen, Y. Zhou, C. Lei, Z-M. Zhou & W. Ding, "Effect of meander structure and line width on GMI effect in micro-patterned Co-based ribbon", Journal of Physics D: Applied Physics, 42, 14, p. 145005, 2009.
[22] Z. Yang, C. Lei, Y. Zhou, Y. Liu & X-C. Sun, "A GMI biochip platform based on Co-based amorphous ribbon for the detection of magnetic Dynabeads", Analytical Method, 7, 16, p. 6883-6889, 2015.
[23] A753-08, Standard Specification for Wrought Nickel-Iron Soft Magnetic Alloys (UNS K94490, K94840, N14076, N14080), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013.
[24] L. Fernandez-Barquin, J. Rodríguez-Fernández & J. Gómez-Sal, "Magnetic contribution to the electrical resistivity in some Co based amorphous ribbons", Journal of Magnetism Magnetic Materials, 83(1-3), 357-359, 1990.
[25] H. Sepehri Amin, R. Gholamipour, F. Shahri, A. Mohammadi, "Effect of Al substitution for B on magnetic and structural properties of Co-based melt-spun ribbons", J. Magn. Magn. Mater., 320, P. 2259– 2261, 2008.
[26] W. Lu, Y. Xu, J. Shi, Y. Song & X. Li, "Soft magnetic properties and giant magnetoimpedance effect in thermally annealed amorphous Co68Fe4Cr3Si15B10 alloy ribbons", Journal of Alloys and Compounds, 638, 233-238.
[27] F. Alves, R. Lebourgeois & T. Waeckerle, "Soft magnetic materials for electrical engineering: State of the art and recent advances", European Transactions on Electrical Power, 15(6), 467-479, 2005.
[28] Z. Sarkar, Z., & F. Sarkar, "Synthesis and magnetic properties investigations of Fe3O4 nanoparticles", International Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 7, p. 197-200, 2011.
[29] J. Choi, A.W. Gani, D.J. Bechstein, J.R. Lee, J.P. Utz, S.X. Wang, " Portable, one-step, and rapid GMR biosensor platform with smartphone interface",  Biosens. Bioelectron., 85, p. 1-7, 2016.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 12 خرداد 1399
  • تاریخ بازنگری: 28 آبان 1399
  • تاریخ پذیرش: 02 دی 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار