Este trabajo fue parcialmente financiado por los proyectos MINECO-13-

MAT2012-33405 y GRUPIN14-037. D. Lago-Cachón agradece al Instituto Uni-

versitario de Tecnología Industrial de Asturias y al Ayuntamiento de Gijón por

la beca SV-14-GIJÓN-1.10.

INTRODUCCIÓN. En este trabajo se expone una descrip-ción física de un método de detección de nanopartículas de materiales magnéticos (NPM) basado en la variación de la impedancia de una pista de cobre debido a la presencia de las nanopartículas [1].

NANOPARTÍCULAS SUPERPARAMAGNÉTICAS. El super-paramagnetismo es una forma de magnetismo presente en NPM [2]. Si el tamaño de estas partículas es pequeño, forman un único dominio magnético o monodomino, y si la temperatura es suficientemente elevada, el momento magnético de estas NPM cambia aleatoriamente de senti-do. El tiempo típico entre dos cambios de sentido se cono-ce como tiempo de relajación de Néel, y si este tiempo es mucho menor que el tiempo necesario para medir la ima-nación de las nanopartículas, la imanación aparenta ser ce-ro. Al aplicar un campo magnético externo es posible ima-nar las NPM, de forma similar a un material paramagnéti-co, aunque la susceptibilidad magnética de los materiales superparamagnéticos sea mucho mayor.

DETECCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. El método descrito en este trabajo de detección de NPM no requiere aplicar nin-gún campo magnético externo, El sistema de detección consiste en una pista de cobre por la que circula corriente alterna de alta frecuencia (hasta 110 MHz), o elemento sensor. La impedancia eléctrica del elemento sensor se mi-de con un analizador de impedancia Agilent 4294A.

Se puede describir la interacción física entre nanopartícu-las y corriente alterna que circula por la pista como causa de la detección. Los momentos magnéticos de las NPM oscilan, debido a su naturaleza superparamagnética, gene-rando un campo magnético variable e induciendo corrien-tes de Foucault en la superficie de la pista de cobre. Lo que a su vez afecta a la corriente alterna que circula por la mis-ma incrementando la impedancia medida. Diversos pará-metros afectan a la detección, como el material de fabrica-ción de la pista o su geometría [3], la frecuencia de la co-

Detección electromagnética de nanopartículas superparamagnéticas

D. Lago-Cachón*, J.C. Martínez-García, M. Rivas, J.A. García Departamento de Física de la Universidad de Oviedo, Edificio Departamental Este, Campus de Viesques, 33204 Gijón, España.

*Email: lagodavid@uniovi.es, dlagocachon@gmail.com

Micrografía electrónica de transmisión de una muestra de nanopartículas de

magnetita Fe3O4.

Ciclo de histéresis de una muestra de nanopartículas superparamagnéticas

de magnetita Fe3O4, depositadas en un papel diamagnético.

41.90

41.95

42.00

42.05

42.10

42.15

42.20

42.25

42.30

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

D|Z

| (mW

)

Time (s)

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

D|Z

| (mW

)

Masa NPs (mg)

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-12 -8 -4 0 4 8 12

M(e

mu

/g)

µ0H (T)

Tres medidas consecutivas de una muestra con 650 µg de NPs a 110 MHz.

Recta de calibración de la señal producida por muestras con distinta masa

de NPs, a f = 110 MHz.

A la izquierda fotografía de un elemento sensor de cobre compuesto por cua-

tro pistas paralelas de sección 100 µm x 35 µm. A la derecha, esquema repre-

sentando cómo una partícula magnética oscilante induce corrientes de Fou-

cault en la superficie de una pista de cobre.

0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

1000.00

0.005 0.05 0.5 5 50

Δ|Z

| (m

Ω)

Frecuencia (MHz)

Variación de la señal creada por una muestra de 650 µg de NPs en función

de la frecuencia de alimentación de la pista de cobre.

En corriente alterna los electrones no circu-

lan por toda la sección de un conductor, si

no que se observa una mayor densidad de

corriente en la superficie que en el centro. A

este efecto se le conoce como efecto pelicu-

lar y se debe a que la variación del campo magnético creado por el flujo de

electrones es mayor en el centro que en la superficie.

Cuanto mayor sea la frecuencia de alimentación del sensor, más fracción de

la corriente se verá afectada por las corrientes de Foucault inducidas por las

NPM y por lo tanto mayor variación de la impedancia del sensor, tal y como

se puede apreciar en la figura inferior.

Variación de la señal en función de la sección de un elemento sensor consis-

tente en una única pista de sección rectangular.

15

20

25

30

35

40

45

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

Δ|Z

| (m

Ω)

Sección conductor (mm2)

Referencias:

[1] D. Lago-Cachón, M. Rivas, J. C. Martínez-García, J. A. García, Nanotechnology 24 (2013) 245501.

[2] C. P. Bean, J. D. Livingston, J. Appl. Phys. 30 (1959) S120.

[3] M. Rivas, D. Lago-Cachón, J. C. Martínez-García, J. A. García, A. J. Calleja, Sensor Actuat A-Phys

216 (2014) 123.

[4] D. Lago-Cachón et al., Phys. Status Solidi C 11, No. 5–6, 1043–1047 (2014)

APLICACIONES. Las posibles aplicaciones de las NPM son abundantes, especialmente en el campo de la biotecnología. Modificando la superficie de las NPM adecuadamente se consigue que las NPM se ad-hieran específicamente a una sustancia deseada, lo que se conoce como marcaje magnético. Se pue-den utilizar las NPM para separación de sustancias biológicas [4], métodos de cuantificación de sustan-cias o incluso tratamientos clínicos.

Actualmente en el grupo de investigación está trabajando en detectar bacterias (Escherichia coli) y marcadores tumorales, como el PSA (prostate specific antigen) usando tiras de flujo lateral, siendo po-sible cuantificar la cantidad de PSA hasta concentraciones de interés clínico tan bajas como 0.5 ng/mL. Micrografía electrónica de transmisión de una

célula tumoral marcada específicamente con

NPM. Reproducida de [4].

Fotografía de tiras de flujo

lateral para detectar PSA

usando NPM.