- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
4.1.2 Phương pháp thu nhận và đo đạc tín hiệu từ tính
Tính siêu thuận từ là một tính chất rất quan trọng khi ứng dụng hạt nano từ tính trong sinh học. Ở trạng thái siêu thuận từ, thời gian hồi phục của mô men từ là:
trong đó ∆E là hàng rào thế năng cản trở sự quay của mô men từ, kT là năng lượng nhiệt. Vì là vật liệu siêu thuận từ, nên các hạt từ tính trong vật liệu
92
không tương tác với nhau. Giá trị t0 cho hạt không tương tác vào khoảng 10-10 – 10-12 s phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ. Hàng rào thế năng ∆E phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có dị hướng từ tinh thể và dị hướng hình dạng. Để đơn giản ta chỉ xét dị hướng từ tinh thể (tính chất nội) đơn trục: ∆E = KV, với K là mật độ năng lượng dị hướng từ tinh thể và V là thể tích của hạt. Như vậy ∆E tỉ lệ với V là thể tích của hạt. Đối với các thể tích V nhỏ như ở trường hợp của các hạt nano từ, hàng rào thế năng này sẽ thấp và năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng có thể đủ lớn để làm quay mô men từ và hệ ở trạng thái siêu thuận từ. Tuy nhiên, trạng thái siêu thuận từ còn phụ thuộc vào thời gian đo đạc tm. Nếu thời gian hồi phục t << tm thì quá trình quay của mô men từ rất nhanh so với thời gian đo đạc. Như vậy, hạt nano từ tính thể hiện tính “thuận từ” đối với người đo. Nếu thời gian hồi phục t >> tm thì quá trình quay mô men từ chậm hơn so với thời gian đo. Như vậy, hạt nano từ tính thể hiện tính chất “hãm” (blocked) đối với người đo. Người ta định nghĩa nhiệt độ hãm TB là nhiệt độ nằm giữa hai trạng thái nói trên, ở đó, t = tm. Hình 4.2 minh họa bản chất siêu thuận từ khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hãm TB, và khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm TB.
Hình 4.2. Minh họa bản chất siêu thuận từ, (trái) khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hãm TB, và (phải) khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm TB.
93
Như vậy, dưới tác dụng của một từ trường ngoài đồng nhất thì các mô men từ của nguyên tử hoặc của các các hạt nano từ tính sẽ quay theo phương của từ trường ngoài. Chú ý là các mô men từ quay chứ không dịch chuyển. Với một từ trường ngoài đủ lớn, các mô men từ của các hạt nano sẽ định hướng song song hoàn toàn với phương của từ trường ngoài. Mô men từ tổng hợp của chúng tạo ra từ độ cảm ứng tổng hợp M tương ứng với giá trị từ trường B đo được trên sensor đo từ trường. Độ lớn của mô men từ tổng cộng gây bởi các hạt nano trong trạng thái này tỷ lệ với số hạt của chúng có mặt trong dung dịch. Điều này đồng nghĩa với việc từ trường đo được từ sensor là thước đo số lượng hạt nano từ tính trong dung dịch. Với việc sử dụng một sensor nhạy đo được từ trường tổng cộng B gây bởi các hạt nano từ, chúng ta có thể xác định được số lượng hạt nano trong dung dịch từ đó dễ dàng tìm ra nồng độ các hạt nano tồn tại trong thể tích V của dung dịch.
4.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến từ sinh học 4.2.1 Nguyên lý chung của bộ cảm biến từ sinh học