Poliakrilamid-ferrogélek magnetittel vagy stroncium-hexaferritrel: A puha biomimetikus anyag kifejlesztésének következő lépése a bioszenzoros alkalmazásokhoz

Alexander P. Safronov

1 Természettudományi és Matematikai Intézet, Urali Szövetségi Egyetem, Jekatyerinburg 620002, Oroszország; ur.naru.pei@vonorfas (A.P.S.); moc.liamg@39hcivenhkime (E.A.M.); [email protected] (F.A.B.); [email protected] (T.F.S.); ur.naru.pei@motdem (A.I.M.)

2 Elektrofizikai Intézet, Ural Division RAS, Jekatyerinburg 620016, Oroszország

Jekatyerina A. Mihnevics

Zahra Lotfollahi

3 Departamento de Electricidad y ElectrónicaUniversidad del País Vasco UPV/EHU, 48080 Bilbao, Spanyolország; moc.liamg@ihalloftol

4 Fizika Tanszék, University of Birjand, Birjand 97175-615, Irán

Felix A. Blyakhman

5 Orvostudományi Fizikai és Mérnöki Tanszék, Urali Állami Orvostudományi Egyetem, Jekatyerinburg 620028, Oroszország

Tatyana F. Sklyar

5 Orvostudományi Fizikai és Mérnöki Tanszék, Urali Állami Orvostudományi Egyetem, Jekatyerinburg 620028, Oroszország

Aitor Larrañaga Varga

6 fejlett kutatási létesítmény (SGIKER), Universidad del País Vasco UPV-EHU, 48080 Bilbao, Spanyolország; [email protected] (A.L.V.); [email protected] (S.F.A.)

Anatolij I. Medvegyev

2 Elektrofizikai Intézet, Ural Division RAS, Jekatyerinburg 620016, Oroszország

Sergio Fernández Armas

6 fejlett kutatási létesítmény (SGIKER), Universidad del País Vasco UPV-EHU, 48080 Bilbao, Spanyolország; [email protected] (A.L.V.); [email protected] (S.F.A.)

Galina V. Kurlyandskaya

3 Departamento de Electricidad y ElectrónicaUniversidad del País Vasco UPV/EHU, 48080 Bilbao, Spanyolország; moc.liamg@ihalloftol

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A mágneses mező érzékelőjének a mágneses markerként működő mágneses részecskékkel/nanorészecskékkel történő kombinációjának ötletéről a molekuláris felismerési események kimutatására először 1998-ban számoltak be Baselt és munkatársai. [4]. Egy ilyen eszköz óriási magnetoresistance (GMR) technológián alapult, és mágneses kompozit mikragyöngyöket használt számos biomolekuláris interakciós esemény egyidejű jellemzésére. Különböző geometriát javasoltak egy magnetorezisztens bioszenzor prototípushoz, amelyet egyetlen mikromágneses gömb detektálására terveztek anizotrop magnetomagnetikus ellenálláson dolgozó gyűrű alakú elem segítségével [14]. A cserével összekapcsolt GMR érzékelők fontos hátránya az ésszerű ellenállás-változáshoz szükséges nagy mező. Alacsonyabb működési terű, mikroszerű spin-szenzorokat is kifejlesztettek a mágneses markerekkel rendelkező biomolekulák detektálására [15]. Egy másik megközelítés a Hall-effektust használta egy standard fém-oxid-félvezető technológián alapuló érzékelőhöz a mágneses markerek szelektív detektálására [16] (Besse és mtsai 2002). A mágneses tér érzékenységét tekintve az MI hatás a legjobb megoldás a mágneses bioszenzorok létrehozására: megemlíthető, hogy a jelenleg elért maximális érzékenység

2%/oe GMR-anyagok esetében [17].

Kísérleteket tettek MI-bioszenzorok kifejlesztésére különböző típusú érzékeny elemek alapján: gyorsan leoltott huzalok, üvegbevonatú mikrohuzalok, amorf szalagok és vékony filmek [5,6,18,19,20]. A különböző MI anyagoknak különböző előnyei és hátrányai vannak, különféle aktuális áttekintésekben összefoglalva [12,20,21]. Bár a vékony fóliák a közelmúltban különös figyelmet kaptak, mivel kiválóan kompatibilisek a félvezető elektronikával [5,22,23,24], olcsó MI-bioszenzorok vannak kialakítva, amelyek eldobható érzékeny elemet tartalmaznak csík formájában. Ezeket az eldobható érzékelőket nem képzett személyzet használhatja nem steril környezetben. Az amorf Co-alapú gyorsan kioltott szalagok kiváló jelöltek ebben az esetben [10,13,25,26].

Az MI bioszenzor fejlesztése a biológiai szövetek tulajdonságainak értékelésére erősen függ a megbízható minták elérhetőségétől. A biológiai anyagok sokféle morfológiát mutatnak be, különösen a rák által érintett szövetek esetében, amelyeket az irreguláris erek felgyorsult növekedése jellemez [27]. Korábbi műveinkben az MI bioszenzorok vékony film érzékeny elemével [5,28] azt javasoltuk, hogy a MI bioszenzor prototípus kifejlesztésének első szakaszában a biológiai mintákat helyettesítsük megfelelő modellanyagokkal - a fő tulajdonságokat utánzó szintetikus ferrogélekkel. az élő szövetek [29,30,31]. Ezek a ferrogélek a lézeres célpárologtatás elektrofizikai technikájával kapott MNP-ken alapultak [32,33]. Ezenkívül meg kell említeni, hogy a rák által érintett szövetek sokféle morfológiája elkerülhetetlenül tükröződik mechanikai és magneto-elektromos tulajdonságaik megfelelő széles változatosságában.

Az MNP-k megválasztását a mágneses bioszenzációs esetek többségének a mágneses címke detektálási elvéhez igazított fontos feltétele határozta meg: a mágneses markerek által kiváltott kóbor mezőket biomolekuláris címkékként alkalmazzák, amelyek eszközként szolgálnak a koncentrációra vonatkozó információk átadásához mágneses címkék és ezért az érdeklődésre számot tartó biokomponens [4,18]. Az érzékenységi határérték az MNP-k típusához kapcsolódik - az egyes részecskék mágneses nyomatéka a külső mágneses mezőben szabályozza a kóbor mezőket és a biodetektálási határértéket. Az egyedi mágneses címke mágneses momentumának növelésére irányuló kísértést szigorúan korlátozza a szuperparamágneses állapot [34,35] feltétele annak érdekében, hogy elkerüljék az MNP-k agglomerációját nulla mezőben. Amikor a mágneses részecskék vagy MNP-k beépülnek egy szövetbe és térben lokalizálódnak, méretük sokkal nagyobb lehet az élő rendszer nem megfelelő működése miatt.

Ezért javasoljuk különféle ferrogélek vizsgálatát mikron méretű kereskedelmi forgalomban kapható mágneses részecskékkel (MP) annak érdekében, hogy megbízható mintákat állítsunk elő, amelyek utánozzák a természetes szöveteket, és értékeljük azok észlelésének lehetőségét amorf Co-alapú szalagra érzékeny elem segítségével. Az élő rendszerbe beépített mágneses részecskék eltévelyedett tereinek felderítése számos további kérést igényel. Mivel az élő szövet alapvetően „lágy anyag”. fontosak a mechanikai tulajdonságok, valamint a külső mágneses tér alkalmazása által okozott lehetséges deformációk. Leírjuk a Fe3O4 és a stroncium-hexaferrit SrFe12O19 por alapú ferrogelek szintézisével és jellemzésével kapcsolatos tapasztalatainkat, beleértve a Co-alapú szalagérzékeny elem MI változásának mérését különböző koncentrációjú vas-oxid mágneses részecskékkel rendelkező ferrogelek jelenlétében speciálisan kialakított MI érzékelő prototípus a bioszenzorok modelljeként.

2. Kísérleti

2.1. Anyagok

A ferrogélek előállításához kereskedelmi mágneses oxidporokat használtunk: Fe3O4 magnetitet (Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA) és a stroncium-hexaferrit SrFe12O19 porjelet 28PFS250 (Olkon, Kineshma, Orosz Föderáció).