稀土掺杂磁性金属纤维GMI效应优化及其生物磁测机理研究

This work firstly takes the effect of RE doping on magnetic property and glass forming ability of Co-based alloy as cut-in point, and then investigates the following contents including composition design of Co-Fe-B-Si-RE alloy, the technique stability and quality control during melt-extraction process, current modulation treatment and its parameter optimization of microscale fibers, as well as the analysis of the effect of geometric and measuring parameters on GMI effect combining with magnetic domain structure model and numeriacal calculation and experimental results, so as to achieves the modulated metallic fibers of high-performance bio-magnetic sensor with excellent GMI characteristic. In the following work, we try to develop the basic research of magnetic sensor in bio-magnetic detecting application based on GMI effect of metallic microfibers, namely package the detector satisfing for the demand of GMI bio-sensor by using the high-sensitivity fibers, and take the simulated organism platform loading different density of Dynabeads® symbol as analysis object, finally achieve a novel technique approach to detect the organism environment adaptability with high-performance, non-radioactivity and high-stability combined immunity analysis method. Moreover, this work can provide the effective technique support for the structural and functional integration of GMI sensor applied in organism symbol detecting field, and it also exhibits more important research significance and practical value.

本项目以微量稀土元素La和Y添加对Co基合金磁学性能和非晶形成能力的影响为切入点，研究Co-Fe-B-Si-RE系合金成分设计与优化、熔体抽拉成形微尺度非晶纤维工艺稳定性与质量控制、非晶纤维的电流调制及其工艺参数优化，重点通过磁畴结构模型、数值计算和试验结果相结合来分析各种几何和测量参数对其巨磁阻抗效应(GMI)的影响规律，以获具有优异GMI特性的生物传感器用处理态金属纤维。在此基础上开展基于非晶金属纤维GMI效应的新型微磁传感器在生物磁测技术中应用的基础性研究，即利用高灵敏度非晶纤维来封装符合GMI生物传感器要求的探头，以载入不同浓度Dynabeads®标志物的模拟生物体平台为分析对象，结合免疫分析法实现高性能、无放射性和稳定性强的生物环境适应性检测的新型技术途径。上述工作的开展，为GMI微磁传感器在生物探测领域的结构功能一体化应用提供有效的技术支撑，并具有重要研究意义和实用价值。

本项目针对微量元素掺杂Co基金属纤维的成分设计、结构和性能进行分析，实现了微尺度非晶纤维熔体抽拉成形工艺稳定性与质量控制，优化了金属纤维的介质电流退火和多角度磁场退火处理工艺参数，通过磁畴结构模型、温度场模拟和试验结果相结合来分析退火参数对其巨磁阻抗效应(GMI)的影响规律，实现了“调制处理→磁畴调控→GMI效应”研究思路，探讨了调制处理改善GMI磁学特性的作用机理，获得了具有优异GMI特性的生物传感器用处理态金属纤维。同时，开展了基于GMI效应的生物磁测基础研究，包括磁性纳米颗粒(磁珠)的分布浓度和模拟生物体几何形状(挠度)变化对GMI效应的影响规律，探讨了非晶金属纤维和磁性纳米颗粒间耦合作用的电磁学机制。研究结果表明，Co基金属纤维具有良好的非晶形成能力和热稳定性，呈典型的非晶态特征。经淬火油介质电流退火后GMI性能较优，当频率f=5MHz时，最大阻抗变化率和磁场响应灵敏度分别达303.1%、50.6%/Oe，最大磁场响应场增至3Oe。旋转磁场退火能显著改善GMI性能，横向磁场退火处理可有效增大等效各向异性场，拓宽传感器工作范围。基于GMI效应的生物磁测结果表明，不同激励频率下，阻抗变化率的绝对变化量随磁性纳米颗粒分布浓度的增加呈先增大后趋于稳定趋势，尤以300μg/mL时变化明显，绝对变化量达21.5% (f=8MHz)。同时，阻抗变化率的绝对变化量随模拟病变生物体的挠度值增大呈先增大后趋于稳定，当挠度为3mm时，绝对变化量达68.4% (f=5MHz)。总之，上述工作的开展为GMI微磁传感器在生物探测领域的结构功能一体化应用提供有效的理论依据和技术支撑，具有重要研究意义和实用价值，为今后继续深入研究奠定基础。本项目在研期间，在Journal of Alloys and Compounds、Materials & Design、Journal of Magnetism and Magnetic Materials等国际期刊上发表论文十八篇，其中第一作者和通讯作者六篇；授权专利两项；参加四次国际会议。