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Microbobina

Impresión 3D de una microbobina de solenoide utilizando una mezcla conductora de polilactida y nanotubos de carbono . [1]
Microbobinas producidas mediante galvanoplastia de cobre sobre bacterias Spirulina . [2]

Una microbobina es un pequeño conductor eléctrico , como un cable en forma de espiral o hélice, que podría ser un solenoide o una estructura plana.

Usos

Espectroscopia de RMN y micro-MRI

Un campo donde se encuentran es la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), donde identifica bobinas de radiofrecuencia ( RF ) que son más pequeñas que 1 mm. [3]

Los límites de detección de la micro-MRI o MRM se pueden ampliar aún más aprovechando las técnicas de fabricación de microsistemas. En general, la bobina del receptor de RF debe ajustarse perfectamente a la muestra para garantizar una buena sensibilidad de detección. Una sonda de RMN diseñada correctamente maximizará tanto el factor de observación, que es la relación entre el volumen de muestra observado por la bobina de RF y el volumen total de muestra necesario para el análisis, como el factor de llenado, la relación entre el volumen de muestra observado por la bobina de RF y el volumen de la bobina. [4]

La miniaturización de las sondas de RMN implica entonces dos ventajas:

  1. Mayor sensibilidad sin la cual sería imposible el análisis de compuestos de tan baja concentración, y
  2. Aumento del factor de llenado mediante la adaptación de la sonda al volumen de la muestra. [5] Sin embargo, la extracción de los espectros de RMN de muestras que tienen volúmenes cada vez más pequeños es un verdadero desafío. Estas reducciones de volumen están dictadas por las dificultades de producción de muestras suficientemente grandes o por las necesidades de miniaturización del sistema de análisis; en ambos casos se requiere un diseño cuidadoso de las bobinas de radiofrecuencia, que garantice una recepción óptima de la señal de RMN. [6]

Control de giro

En el campo de las ciencias cuánticas , las microbobinas desempeñan un papel cada vez más importante para el control rápido del espín en dispositivos a escala nanométrica, como registros de espín multi-qubit y memorias cuánticas, o para la activación de espines nucleares individuales, por ejemplo, alrededor de un centro de vacancia de nitrógeno . [7] A diferencia de la RMN tradicional, las microbobinas se utilizan aquí solo como actuador. La señal de espín nuclear se detecta a través de la lectura óptica de un solo espín de electrón.

Sistemas de telemetría

Las microbobinas han resultado útiles en sistemas de telemetría, donde se utilizan microbobinas planas para suministrar energía a implantes miniaturizados. [8]

Tipos de microbobinas

Para la RMN se emplean distintos tipos de microbobinas con diferentes técnicas de fabricación:

Microbobinas de solenoide

Es la geometría clásica para crear un campo magnético con una corriente eléctrica. Incluso para un número limitado de bobinados, esta geometría proporciona un campo B 1 homogéneo razonable y es posible un buen factor de llenado enrollando la bobina directamente sobre un soporte que contiene la muestra. La miniaturización a una escala de varios cientos de micrómetros (μm) no es muy difícil, aunque el diámetro del cable (normalmente de 20 a 50 μm) se vuelve muy pequeño y una bobina independiente es un objeto muy delicado. [9] Es posible una reducción por debajo de los 100 μm de diámetro, pero el mecanizado y la manipulación de dichas bobinas serán bastante tediosos. Por esta razón, se deben aplicar otras tecnologías de fabricación de microsistemas, como el micromecanizado en masa , LIGA y el moldeo por microinyección . [5] Para las bobinas de solenoide, agregar más vueltas a la bobina mejorará la relación B 1 /i y, por lo tanto, tanto la inductancia como la respuesta de la señal. Al mismo tiempo, la resistencia de la bobina aumentará linealmente, por lo que la mejora en la sensibilidad será proporcional a la raíz cuadrada del número de vueltas (n). Al mismo tiempo, tendremos un mayor calentamiento óhmico en el centro de la bobina y un mayor peligro de arco eléctrico, por lo que el valor óptimo generalmente se encuentra para solo un número limitado de vueltas. Además del rendimiento de RF, las distorsiones del campo estático debido a los efectos de susceptibilidad son un factor importante en el diseño de cabezales de sonda de microbobina.

Microbobinas planares

Es la geometría más utilizada, basada en un diseño en espiral con el devanado central en contacto con el exterior mediante una conexión a otra capa que está aislada eléctricamente con una fina capa de óxido. En esta configuración el eje de la bobina de RF estará orientado perpendicularmente al campo estático externo B 0 .

Microbobinas de sillín

La bobina de silla de montar muestra la geometría más compleja de estos tres tipos de bobina. El campo B 1 se genera principalmente por los cuatro segmentos de alambre verticales. Debido a esta geometría de bobina, el campo B 1 de una bobina de silla de montar es más homogéneo en la dirección z que el de una bobina plana. La bobina de silla de montar puede formarse a partir de alambre, pero también se suele grabar a partir de una lámina fina de cobre, que luego se adhiere a un tubo de vidrio o PTFE. Este último procedimiento conduce a una alta precisión geométrica, lo que da como resultado una mejor homogeneidad de B 1. La bobina de silla de montar es de fácil acceso y proporciona un buen "factor de llenado" del área utilizable en el orificio del imán. Por estas razones, se utiliza ampliamente en microscopía RMN. Sin embargo, estas ventajas se logran al precio de una menor sensibilidad. En comparación con una bobina de silla de montar, el rendimiento de sensibilidad de una bobina solenoidal de las mismas dimensiones es aproximadamente tres veces mejor. [10]

Microcoils autoensamblados

Se han desarrollado microbobinas enrolladas autoensambladas con diámetros de hasta 50 μm para microscopía de RMN. [11]

Referencias

  1. ^ Guo, Shuang-Zhuang; Yang, Xuelu; Heuzey, Marie-Claude; Therriault, Daniel (2015). "Impresión 3D de un sensor líquido helicoidal nanocompuesto multifuncional". Nanoscale . 7 (15): 6451–6. Bibcode :2015Nanos...7.6451G. doi :10.1039/C5NR00278H. PMID  25793923.
  2. ^ Kamata, Kaori; Piao, Zhenzi; Suzuki, Soichiro; Fujimori, Takahiro; Tajiri, Wataru; Nagai, Keiji; Iyoda, Tomokazu; Yamada, Atsushi; Hayakawa, Toshiaki; Ishiwara, Mitsuteru; Horaguchi, Satoshi; Aseguramiento, Amha; Tanaka, Takuo; Takano, Keisuke; Hangyo, Masanori (2014). "Microbobinas metálicas con plantilla de espirulina con estructuras helicoidales controladas para respuestas electromagnéticas de THz". Informes científicos . 4 : 4919. Código Bib : 2014NatSR...4E4919K. doi :10.1038/srep04919. PMC 4017220 . PMID  24815190. 
  3. ^ Webb, AG (2013). "Microbobinas de radiofrecuencia para imágenes por resonancia magnética y espectroscopia". Journal of Magnetic Resonance . 229 : 55–66. Bibcode :2013JMagR.229...55W. doi :10.1016/j.jmr.2012.10.004. PMID  23142002.
  4. ^ Boero, G.; Bouterfas, M.; Massin, C.; Vincent, F.; Besse, P.-A.; Popovic, RS; Schweiger, A. (2003). "Sonda de resonancia de espín electrónico basada en una microbobina planar de 100 μm". Review of Scientific Instruments . 74 (11): 4794. Bibcode :2003RScI...74.4794B. doi :10.1063/1.1621064.
  5. ^ ab Klein, Mona JK; Ono, Takahito; Esashi, Masayoshi; Korvink, Jan G (2008). "Proceso para la fabricación de microbobinas solenoidales de núcleo hueco en vidrio de borosilicato". Journal of Micromechanics and Microengineering . 18 (7): 075002. Bibcode :2008JMiMi..18g5002K. doi :10.1088/0960-1317/18/7/075002. S2CID  135900633.
  6. ^ Behrooz, Fateh (2006) Modelado, simulación y optimización de una microbobina para imágenes de células por resonancia magnética, tesis de maestría, Universidad de Friburgo, Alemania
  7. ^ Herb, Konstantin; Zopes, Jonathan; Cujia, Kristian; Degen, Christian (2020). "Transmisor de radiofrecuencia de banda ancha para control rápido del espín nuclear". Review of Scientific Instruments . 91 (11): 113106. arXiv : 2005.06837 . Bibcode :2020RScI...91k3106H. doi :10.1063/5.0013776. PMID  33261455. S2CID  227252470.
  8. ^ Neagu, CR; Jansen, HV; Smith, A.; Gardeniers, JGE; Elwenspoek, MC (1997). "Caracterización de una microbobina planar para microsistemas implantables". Sensores y actuadores A: Física . 62 (1–3): 599–611. doi :10.1016/S0924-4247(97)01601-4.
  9. ^ Bentum, PJ; Janssen, JW; Kentgens, AP (2004). "Hacia la microespectroscopia y la microimagen por resonancia magnética nuclear". The Analyst . 129 (9): 793–803. Bibcode :2004Ana...129..793B. doi :10.1039/b404497p. hdl : 2066/60304 . PMID  15343393.
  10. ^ Haase, A., Odoj, F., Von Kienlin, M., Warnking, J., Fidler, F., Weisser, A., Nittka, M., Rommel, E., Lanz, T., Kalusche, B. y Griswold, M. (2000). "Cabezas de sonda de RMN para aplicaciones in vivo". Conceptos en resonancia magnética . 12 (6): 361–388. doi :10.1002/1099-0534(2000)12:6<361::AID-CMR1>3.0.CO;2-L.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  11. ^ Lepucki, Piotr; Egunov, Aleksandr I.; Rosenkranz, Marco; Huber, Renato; Mirhajivarzaneh, Alaleh; Karnaushenko, Dmitry D.; Dioguardi, Adam P.; Karnaushenko, Daniil; Büchner, Bernd; Schmidt, Oliver G.; Grafe, Hans‐Joachim (enero de 2021). "Microbobinas enrolladas autoensambladas para espectroscopia de RMN de microfluidos nL". Tecnologías de materiales avanzados . 6 (1): 2000679. doi :10.1002/admt.202000679. ISSN  2365-709X. S2CID  229390688.

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