bố của từ trường bề mặt
Hính 3.11a là mơ hính 9 nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của nam châm là h = 4 µm, khi khoảng cách giữa các nam châm là g = 1 µm. Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen và đường màu đỏ với Br = 1 T được thể hiện trên hính 3.11b và 3.11c. Trong hính 3.12b chúng ta cĩ thể thấy khi khoảng cách d > 7 µm trên bề mặt nam châm sẽ khơng cịn tồn tại các vùng từ trường biến thiên. Trong hính 3.11c ta thấy với d < 7 µm thí từ trường tại vị trì giữa 4 nam châm luơn đạt cực tiểu, vậy là các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tập trung ở vị trì giữa 4 nam châm tại khoảng cách d < 7 µm. Khi khoảng cách giữa các nam châm quá nhỏ như vậy thí việc bắt giữ các phần tử sinh học sẽ trở lên rất khĩ khăn ví vùng từ trường biến thiên chỉ tồn tại ở một khoảng rất ngắn trên bề mặt nam châm.
Chúng ta cĩ thể thấy trên hính 3.11b, hính ảnh từ trường tại khoảng cách d = 1 µm khác so với các hính khác, ở khoảng cách này giá trị Bzmax khơng phải ở giữa nam châm mà lại ở mép của 2 nam châm ngồi cùng và giá trị Bzmax của nam châm ở giữa nhỏ hơn hẳn 2 nam châm bên cạnh. Ví trong mơ hính này khoảng cách giữa các nam châm quá nhỏ nên một nam châm chịu ảnh hưởng rất nhiều của các nam châm quanh nĩ. Chúng ta cĩ thể thấy là, trên bề mặt nam châm thí đường sức từ ở sát bề mặt nam châm cĩ chiều hướng lên trên, khi khoảng cách giữa các nam châm quá gần thí sẽ xuất hiện nhiều đường sức từ ngược chiều do các nam châm cạnh nĩ tạo ra, làm giảm từ trường của nam châm. Nam châm ở giữa chịu nhiều ảnh hưởng của các nam châm bên cạnh nhất lên từ trường của nam châm này sẽ nhỏ nhất. Hai nam châm ngồi cùng chịu ìt ảnh hưởng của các nam châm bên cạnh hơn lên từ trường sẽ lớn hơn, và ở mép ngồi của các nam châm chịu ảnh hưởng ìt nhất lên từ trường sẽ đạt cực đại tại mép của 2 nam châm ngồi cùng.
Tương tự đối với hính 3.11c, tại vị trì d = 1 µm, từ trường đạt cực đại tại mép giữa 2 nam châm ngồi cùng, và từ trường ở giữa 2 nam châm ở giữa nhỏ hơn từ trường giữa 2 nam châm ngồi cùng. Các đường sức từ tại vị trì giữa các nam châm cĩ chiều hướng xuống dưới, ví khoảng cách giữa các nam châm quá gần nên sẽ cĩ nhiều đường sức từ cùng chiều do các nam châm bên cạnh tạo ra. Tại khoảng cách giữa 2 nam châm ở giữa sẽ cĩ nhiều các đường sức từ cùng chiều nhất nên từ trường tại vị trì này sẽ nhỏ hơn từ trường giữa các nam châm ngồi cùng. Vị trì giữa các nam châm ngồi cùng chịu ìt ảnh hưởng hơn nên từ trường lớn hơn, và tại mép giữa 2 nam châm ngồi cùng chịu ảnh hưởng ìt nhất nên từ trường lớn nhất.
(a) (b)
(c)
Hình 3.11 a) Mơ hình 9 nam châm cĩ kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 1µm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại
Với mơ hính 9 nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của nam châm là 4 µm, khi khoảng cách giữa các nam châm là 5 µm (hính 3.12a). Khi khảo sát theo đường màu đen (hính 3.12b) ta thấy ở khoảng cách d > 15 µm trên bề mặt nam châm sẽ khơng cịn tồn tại các vùng từ trường biến thiên. Hính 3.12c cho thấy khi d < 12 µm thí từ trường tại vị trì giữa 4 nam châm luơn đạt cực tiểu, vậy là các phần tử sinh học sẽ bị bắt giữ tập trung ở vị trì giữa 4 nam châm tại khoảng cách d < 12 µm. Vậy khi khoảng cách giữa các nam châm càng nhỏ thí từ trường tại vị trì giữa 4 nam châm sẽ đạt cực tiểu tại khoảng cách gần bề mặt nam châm hơn.
(a) (b)
(c)
Hình 3.12 a) Mơ hình 9 nam châm cĩ kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 5µm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.
(a)
(b)
(c)
Hình 3.13 a) Mơ hình 9 nam châm cĩ kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 15µm, b) hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mơ hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau.
Mơ hính 9 nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của nam châm là 4 µm, khoảng cách giữa các nam châm là 10 µm được thể hiện trên hính 3.6a. Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen được thể hiện trên hính 3.6b và kết quả khảo sát theo đường màu đỏ được thể hiện trên hính 3.7. Chúng ta thấy khi khoảng cách d > 3 µm thí từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm. Khi khoảng cách giữa các nam châm tăng lên 15 µm thí tại khoảng cách d
cách giữa các nam châm càng xa thí vị trì mà từ trường giữa 4 nam châm đạt cực tiểu càng xa bề mặt nam châm, ví khi khoảng cách giữa các nam châm tăng thí các nam châm chịu ìt ảnh hưởng của từ trường do các nam châm khác tạo ra. Trên hính 3.13b ta thấy tại khoảng cách d = 1 µm các đỉnh cực tiểu khơng nhọn mà cong lên ở giữa, ví khoảng cách giữa các nam châm lúc này khá xa nên các nam châm chịu ìt ảnh hưởng của các nam châm xung quanh hơn. Tại khoảng cách gần bề mặt nam châm, trên bề mặt nam châm đường sức từ cĩ hướng lên trên, tại vị trì giữa các nam châm từ trường bắt đầu hướng xuống dưới, lúc này ở gần mép nam châm mới cĩ sự biến thiên của từ trường, ví khoảng cách giữa các nam châm quá xa nên ở giữa các nam châm sự biến thiên từ trường ìt hơn nên cĩ hiện tượng đỉnh cực tiểu bị cong lên ở giữa.
Như vậy, với mỗi khoảng cách giữa các nam châm khác nhau chúng ta cĩ thể bắt giữ được các phần tử sinh học khác nhau, nhưng khi khoảng cách giữa các nam châm quá gần hoặc quá xa thí khả năng bắt giữ các phần tử sinh học đều khơng cao bằng khi khoảng cách giữa các nam châm bằng với kìch thước nam châm. Với các tế bào hồng cầu cĩ đường kình khoảng 7,8 µm thí việc bắt giữ các tế bào này sẽ rất khĩ khi khoảng cách giữa các nam châm là 1 µm hay 5 µm. Ví lúc này khoảng cách giữa các nam châm khá nhỏ so với kìch thước của tế bào hồng cầu.Vậy để bắt giữ tế bào hồng cầu thí việc sử dụng các nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2
và khoảng cách giữa các nam châm bằng 10 µm cĩ thể sẽ thìch hợp nhất.
3.5 Quan sát hình ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ
Sau khi nhỏ các tế bào hồng cầu lên bề mặt của vi nam châm, chúng ta thấy hồng cầu phân bố đồng nhất và ổn định tại vị trì cĩ năng lượng từ trường thấp, đĩ là khoảng cách giữa các vi nam châm [25]. Đặc biệt tại vị trì giữa 4 nam châm, chúng ta cĩ thể thấy rằng số lượng hồng cầu tập trung nhiều nhất (hính 3.14). Điều này phù hợp với vị trì năng lượng cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm khi d > 10 µm (hính 3.10b). Trong thì nghiệm này chúng tơi đã khơng xác định được chiều cao chình xác nơi mà các tế bào hồng cầu được nâng lên, nhưng những kết quả này cho thấy các tế bào hồng cầu đã được nâng lên tại một vị trì nào đĩ trên bề mặt nam châm. Thực vậy, kình hiển vi quan sát cho thấy rằng bề mặt nam châm và hồng cầu khơng cùng nằm trên một mặt phẳng, nhưng khoảng cách mà hồng cầu được nâng lên khơng được xác định. Hồng cầu cĩ kìch thước rất nhỏ so với kìch thước của nam châm và khoảng cách giữa các nam châm, và trong thì nghiệm này chúng ta chưa biết được độ cảm từ của tế bào hồng cầu được sử dụng. Chúng ta cĩ thể mong đợi một kết quả tốt hơn khi sử dụng các
nam châm cĩ kìch thước 10×10 µm2. Và khi chúng ta biết được độ cảm từ của tế bào hồng cầu, chúng ta cĩ thể dựa vào mơ hính lý thuyết để tình tốn vị trì mà tế bào hồng cầu được nâng lên.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này chúng tơi đã khảo sát được sự phân bố của từ trường trên bề mặt của các nam châm từ cứng NdFeB cĩ cấu trúc micro-nano sử dụng phần mềm mơ phỏng. Ảnh hưởng của các thơng số như số lượng nam châm, kìch thước nam châm, chiều dày nam châm, và khoảng cách giữa các nam châm đã được nghiên cứu một cách hệ thống.
Khi số lượng nam châm tăng thí sẽ cĩ thêm các vùng từ trường biến thiên, giá trị từ trường cực đại và giá trị từ trường cực tiểu đều giảm.
Khi tăng kìch thước nam châm thí vị trì mà các phần tử sinh học tập trung ở giữa 4 nam châm xa bề mặt nam châm hơn. Khi kìch thước nam châm thay đổi ta sẽ cĩ các bẫy từ với kìch thước khác nhau, với mỗi kìch thước của nam châm ta cĩ thể sử dụng để bắt giữ các phần tử sinh học cĩ kìch thước khác nhau.
Khi tăng độ dày của nam châm thí vị trì để các phần tử sinh học tập trung ở giữa 4 nam châm sẽ gần bề mặt nam châm hơn.
Khi khoảng cách giữa các nam châm tăng thí vị trì mà các phần tử sinh học tập trung ở giữa 4 nam châm xa bề mặt nam châm hơn.
Luận văn cũng nghiên cứu khả năng sử dụng cấu trúc từ để lưu giữ các chất nghịch từ và thử nghiệm việc lưu giữ này với các tế bào hồng cầu. Kình hiển vi quan sát cho thấy rằng tế bào hồng cầu phân bố đồng nhất và ổn định tại vị trì cĩ năng lượng từ trường thấp, đĩ là khoảng cách giữa các vi nam châm. Đặc biệt tại vị trì giữa 4 nam châm, số lượng hồng cầu tập trung nhiều nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Vũ Đính Cự (1996), Từ học, NXB khoa học và kỹ thuật.
2. Lê Việt Cường (2011), Nghiên cứu chế tạo bẫy từ cấu trúc micro, nano định hướng ứng dụng trong y sinh hoc, Đề cương nghiên cứu sinh, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
3. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc Nanơ và điện tử học spin,
NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.
4. Ngơ Xuân Lộc (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lên tính chất của màng mỏng từ tính, Khĩa luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
5. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. 6. Vi.wikipedia.org/wiki/Hồng_cầu 7. Vi.wikipedia.org/wiki/Dị_hướng_từ_tinh_thể. 8. Vi.wikipedia.org/wiki/Từ_trễ 9. Vi.wikipedia.org/wiki/Vật_liệu_từ_cứng. Tiếng Anh
10.M. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F.N.V. Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederch, and J. Chazelas (1988), Phys. Rev.Lett. 61, 2472. 11.G. Bisnasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zin (1989), Phys. Rev.
B 39, 4828.
12.Francois Buret, Naoufel Haddour, Julie Laforet-Ast, Laurent Nicolas, Ronan Perrussel, Damien Voyer, Noël Burais, Marie Frénéa-Robin, Riccardo Scorretti, Nicolas Siauve (2011), “Electromagnetic characterization of biological cells”, Rev. Bras. Eng. Biom., v. 27, Supl. 1, p. 61-68.
13.Sergey Chigirinsky, Mikhail Kustov, Nora Dempsey, Cheikh Ndao, Postislav Grechishkin (2009), “Calculations and measuremrnts of the magnetic field of patterned permanent magnetic films for lab-on-chip applications”, Rev.Adv.Mater.Sci.
14.B. Dieny, V. S. Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), J. App. Phys. 69, 4774.
15.M. Drak, L.A. Dobrzański (2007), “Hard magnetic materials Nd-Fe-B/Fe with epoxy resin matrix”, Journal of Achievements in materials and Manufacturing Engineering, Volume 24.
16.F. Dumas-Bouchiat, L. F. Zanini, M. Kustov, N. M. Dempsey, R. Grechishkin, K. Hasselbach, J. C. Orlianges, C. Champeaux, A. Catherinot, and D. Givord (2010), “Thermomagnetically patterned micromagnets”, Applied physics.
17.R.L. Edelstein, C.R. Tamanaha, P.E. Sheehan, M.M. Miller, D.R. Baselt, L.J. Whitman, R.J. Colton (2000), “The BARC biosensor applied to the detection of biological warfare agents”, Biosensors & Bioelectronics 14, 805–813.
18.En.wikipedia.org/wiki/Magnet
19.En.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field 20.En.wikipedia.org/wiki/Magnetic_structure
21.M. Frenea-Robin, H. Chetouani, N. Haddour, H. Rostaing, J. Laforet, G. Reyne (2008), “Contactless diamagnetic trapping of living cells onto a micromagnet array”, 30th Annual International Conference of the IEEE.
22.Paul Kauffmann, Nora Dempsey, Daniel O’Brien, Stéphanie Combe, Béatrice Schaack, Vincent Haguet, Gilbert Reyne (2010), “Diamagnetic trapping of cells above micro-magnets”, 14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation CEFC, Chicago.
23.M. Kustov, P. Laczkowski, D. Hykel, K. Hasselbach, F. Dumas-Bouchiat, D. O’Brien, P. Kauffmann, R. Grechishkin, D. Givord, G. Reyne, O. Cugat, and N. M. Dempsey (2010), “Magnetic characterization of micropatterned Nd-Fe-B hard magnetic films using scanning Hall probe microscopy”, Applied physics.
24.Le Viet Cuong (2010), Fabrication and characterization of nanostrutured FePt and NiFe thin films, Thesis for the degree of master of science.
25.L. V. Cuong, N. T. K. Linh, N. T. Hien, B. N. Q. Trinh, L. T. Hien, P. D. Thang (2012) “A study on distribution of red blood cell using microsized permanent magnets”, The 6th International Workshop on Advanced
Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2012), Ha Long City, Vietnam.
26.H. Lee, A. M. Purdon, and R. M. Westervelt (2004), “Micromanipulation of biological systems with microelectromagnets”, IEEE transaction on magnetics, vol. 40, no. 4, pp. 2991-2993.
27.O. Osman, C. Vézy, J. Pivetal, M. Frénea-Robin, N. Haddour, F. Buret, L. F. Zanini, G. Reyne, N. M. Dempsey, and F. Dumas-Bouchiat (2011), “A novel device for continuous flow magnetic trapping and sorting of human cells using flat micro – patterned NdFeB films”, 15th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, Seattle, Washington, USA.
28.A. Winkleman, K. Gudiksen, D. Ryan, and G. Whitesides (2004), “A magnetic trap for living cells suspended in a paramagnetic buffer”,
Applied physics letters, vol. 85, no. 12, pp. 2411-2413.
29.Maciej Zborowski, Graciela R. Ostera, Lee R. Moore, Sarah Milliron, Jeffrey J. Chalmers, and Alan N. Schechter (2003), “Red Blood Cell Magnetophoresis”, Biophys Journal, pp. 2638–2645.