Спосіб визначення магнітної сприйнятливості мікрооб’єкта

Спосіб визначення магнітної сприйнятливості мікрооб'єктів та рідин включає розташування кювети з рідиною і феромагнітною кулькою в зовнішньому постійному однорідному магнітному полі, який відрізняється тим, що рідина та мікрооб'єкти знаходяться в кюветі в стаціонарному стані, а магнітну сприйнятливість мікрооб'єктів та рідин визначають в межах зони захвата елементом феромагнітної кульки по відомому куту осад ження 2-3 моношарів мікрооб'єктів на феромагнітну кульку, поміщену в зовнішнє магнітне поле величиною 2650 Ерстед за формулою Спосіб використовується в техніці, медицині, ХІМІЧНІЙ промисловості та ш і відноситься до спрощення установки і методу визначення магнітної сприйнятливості дрібнодисперсних мікрооб'єктів, в тому числі мікроорганізмів, в рідкому середовищі, а також рідин при дії зовнішнього однорідного постійного магнітного поля Відомий спосіб визначення магнітної сприйнятливості частинок [Э А Хопунов, А В Первухин, С Л Ворончихин, Е Н Рыжкова, Исследования магнитных характеристик отдельных зерен минералов Обогащение руд (Ленинград) -1989 -№ 4 -с 18-21] По цьому способу магнітна сприйнятливість частинок пропорційна силі струму, який протікає через компенсаційну котушку Тут досліджуваний об'єкт знаходиться всередині запаяної парафінової коробки, яка нерухомо кріпиться до компенсаційної котушки Недоліками цього способу є низька роздільна здатність установки - не фіксуються частинки вагою менше 2 мг, недосконалість методу визначення — мікроорганізм в парафіновій коробці при процесах метаболізму може істотно змінювати магнітні властивості свої і середовища, що негативно впливає на правильність визначення результату, недосконалість установки - без буферно го середовища в парафіновій коробці мікроорганізм може загинути Найближчим технічним розв'язком є визначення магнітної сприйнятливості дрібнодисперсних мікрооб'єктів [С В Горобець, О Ю Горобець, Ю М Пімєнов Спосіб визначення магнітної сприйнятливості мікрооб'єктів Патент України № 26949 Бюл № 8 от 29 12 99, С12Q 1 /24 В01D 35/06] За цим способом визначення величини магнітної сприйнятливості відбувається по куту осадження моношару мікрооб'єктів, які знаходяться в рідині з відомою магнітною сприйнятливістю в зваженому стані, на феромагнітну кульку значно більшого радіусу Тут був організований процес руху подрібнених часточок через спеціальну кювету, в якій був розміщений елемент феромагнітної насадки - феромагнітна кулька Кути осадження спостерігались в зовнішньому однорідному магнітному полі за допомогою мікроскопу, відеокамери і комп'ютерного забезпечення Недоліком такого способу є складність і трудомісткість монтажу проточної системи та розрахунку В основу даного винаходу поставлено завдання удосконалення установки та способу визначення магнітної сприйнятливості мікрооб'єктів та рідин ю 3-TJ-A-B 2-VN ( F = — • х • VN • grandH , зумовлена градієнтним магнітним полем, і ця сила врівноважується силою Стокса F = -6-TI-т|-B-(v - v 0 ) при русі неферомагнітної частинки в в'язкій рідині зі швидкістю Тут ^-різниця між магнітною сприйнятливістю частинки і рідини, VN - об'єм неферомагнітної частинки, - векторна сума зовнішнього однорідного поля та дипольного градієнтного поля, створеного феромагнітною кулькою, поміщеною в зовнішнє однорідне магнітне поле - динамічна в'язкість рідини, В - радіус неферомагнітної частинки, - швидкість рідини відносно феромагнітної кульки Таким чином, неферомагнітна частинка, зважена в рідині, притягується до феромагнітної кульки, поміщеної в зовнішнє магнітне поде В результаті, неферомагнітна частинка осідає на поверхню феромагнітної кульки, і в загальному випадку кут між радіус-вектором точки осаду і напрямком зовнішнього магнітного поля залежить від початкових координат неферомагнітної кульки (для зручності нуль системи координат вибирається в центрі феромагнітної кульки), об'єму неферомагнітної частинки, радіусу та намагніченості феромагнітної кульки, зовнішнього магнітного поля, в'язкості рідини, швидкості рідини та різниці % між магнітною сприйнятливістю неферомагнітної частинки і рідини Таким чином, в запропонованому способі визначення магнітної сприйнятливості визначається різниця % між магнітними сприйнятливостями мікрооб'єкта та рідини Тому можливо визначати магнітні сприйнятливості як рідин, так і мікрооб'єктів В випадку, коли потрібно визначати магнітну сприйнятливість мікрооб'єк Надалі всі розрахунки стосуватимуться визначення різниці між магнітною сприйнятливістю мікрооб'єкта та рідини Такі параметри, як об'єм неферомагнітної частинки, радіус феромагнітної кульки, зовнішнє магнітне поле, в'язкість рідини легко вимірюються Для запобігання вимірюванню початкових координат та траєкторії неферомагнітних частинок в експерименті вимірюється кут осаду 2-3 моношарів неферомагнітних частинок на феромагнітну кульку, тобто цей кут дорівнює максимальному куту осадження будь-якої окремої неферомагнітної частинки Швидкість рідини в стаціонарних умовах дорівнює нулю, але для чисельного моделювання даної задачі необхідно вибрати ненульову достатньо малу швидкість рідини, наприклад, порядку флуктуації швидкості при даній температурі Намагніченість феромагнітної кульки не вимірюється, а залишається параметром, який вибирається з умови достатньо точного збігу експериментальних і чисельно обрахованих залежностей кута осадження мікрооб'єктів від в експерименті, коли ВІДОМІ магнітні сприйнятливості як неферомагнітних частинок, так і рідини (це є експеримент по калібруванню установки) Чисельне моделювання осаду неферомагнітних частинок на феромагнітну кульку проводиться наступним чином 3 рівності сили з боку градієнтного магнітного поля силі Стокса слідує наступне рівняння v =С • grandH' де С = (1) 12-ті-л-В Підставляючи фізичні характеристики середовища і мікрооб'єкта в вищезазначені рівняння можна визначити положення мікрооб'єкта в будь-який момент часу, що дає змогу знайти кут його осадження на феромагнітну кульку Кут осадження неферомагнітної частинки визначається з граничної умови рівності відстані г від центру неферомагнітної частинки до центру феромагнітної кульки сумі радіусів А феромагнітної кульки та В неферомагнітної частинки г= А + В (2) Тобто задача зводиться до чисельного розв'язання системи рівнянь (1) з граничною умо 43617 вою (2) і знаходження чисельно розрахованої формули, яка виражає залежність максимального кута осадження мікрооб'єкту на феромагнітну кульку від магнітної сприйнятливості, за якою можна визначити магнітну сприйнятливість, якщо відомо максимальний кут осадження на феромагнітну кульку В даному винаході на відміну від вищеописаного винаходу процес розрахунку значно спрощується з врахуванням умови, що радіус неферомагнітної частки В набагато менший радіусу феромагнітної частки А В цьому випадку граничну умову можна замінити на г= А v* г* = 1 - гранична умова, у _ (3) 4-я X (5) A (6) Тоді записавши систему (1) та граничну умову (3) в безрозміреному вигляді, маємо ?,= (4) 1 = (0, 0, 1), 4-г 4-х 4 - z тут е х e - орти ВІСІ OX Z X z M і OZ ВІДПОВІДНО, U) зовнішнє магнітне поле та швидкість рідини спрямовані вздовж ВІСІ OZ, причому з огляду на циліндричну симетрію задачі рух неферомагнітної частинки розглядається в площині XZ 3 (4), (5) очевидно, що для розв'язання розмірної задачі про залежність максимального кута осадження від магнітної сприйнятливості % (див рівняння (1), граничну умову (3)) можна звести до розв'язання безрозмірної задачі про залежність е від С* (рівняння (4), р (5)) Причому очевидно, що в такій постановці задачі всі фізичні характеристики середовища, феромагнітної кульки та неферомагнітної частинки зводяться до одного безрозмірного параметру С*, зовнішнє магнітне поле зводиться до безрозмірного параметру Но*, а гранична умова в безрозмірному вигляді (5) (при цілком виправданій умові В « А , так як при А порядку, або менше В задача про осад моношару частинок радіусу В на феромагнітну кульку радіусу А не є коректною) взагалі не залежить від параметрів Таким чином, в безрозмірній задачі кут осаду е неферомагнітних частинок р на феромагнітну залежить від двох безрозмірних параметрів С* та Но* Спосіб заключається в наступному Рідину з добавленими неферомагнітними домішками вносять в кювету в центрі якої розміщена залізна кулька В зовнішньому магнітному полі 2650 Ерстед відбувається осадження домішок на кульку в межах зони захвату Коли товщина шару домішок становить 2-3 моношари, то тоді фіксують значення кута осадженої речовини, так як її границі добре ПОМІТНІ на екрані монітора Спочатку підставляють значення експериментальне отриманого кута в градусах конкретної домішки та ІНШІ фізичні характеристики системи в формулу (9), яка найкращим чином наближає результати чисельного розв'язання безрозмірної задачі (4), (5), і яка виражає залежність різниці % між сприйнятливістю домішки і рідини від максимального кута осадження мікрооб'єкту на феромагнітну кульку Потім визначають магнітну сприйнятливість рідини або домішки по формулам Приклад здійснення способу Запропонована, наприклад, установка (фіг 3) для спостереження ефективності захвату неферомагнітних домішок феромагнітною кулькою і визначення їх кутів на насадці є зручною з точки зору визначення результату, так як вона дозволяє візуально спостерігати як за самим процесом, так і визначити значення кутів Вона має стаціонарну систему, яка складається із кювети 1, в середині якої кріпиться на тримачі феромагнітна кулька 2 В дні кювети є віконечко 3, через яке проходить світло Робоча рідина, яка містить неферомагнітні до 43617 мішки, вноситься в кювету і герметично закривається Система візуалізацм процесу захвату складається із підсвітлення 4, мікроскопу 5, відеокамери 6 і монітору 7 Ця система дозволяє спостерігати об'єкт спостереження дисперсністю не менше 1 мкм із збільшенням в 140 разів Телевізійна установка має стандарт розгортки через рядковий 625 рядків при 25 кадрах в секунду Роздільна здатність по горизонталі в центрі не менше 500 ЛІНІЙ Розмір екрана прокалібрований в мікрометрах Феромагнітна кулька діаметром 450 мкм розміщується в центрі кювети між зазорами електромагніту і кріпиться до мідної голки В якості зовнішнього джерела постійного однорідного магнітного поля використовувався електромагніт, поле якого під час експерименту становило 2650 Ерстед В якості рідини брали водний 20% розчин солі сульфату рубідію (Rb2SO4), магнітна сприйнятливість нерозчиненого сульфату рубідію становить Rb2SO4 = -331-106 та додавали у вигляді неферомагнітних домішок окисли самарію БпігОз, неодиму ШОз, гадолінію GcbCb та гольмію НО2О3 з магнітною сприйнятливістю 5,15-106, 29-106, 135-Ю6, 229-106 ВІДПОВІДНО і дисперсністю 5 мкм Для кожної із домішок було проведено по п'ять експериментів по визначенню усередненого кута захвату їх високоградієнтною феромагнітною кулькою Визначення кутів відбувалось на екрані монітора Ці Ж кути були розраховані теоретично по вищеописаній методиці при заданих параметрах системи (в'язкість розчину 20 сСт, розмір феромагнітної кульки 450 мкм, зовнішнє постійне однорідне магнітне поле 2650 Ерстед На фіг 1 представлений теоретичний графік залежності максимального кута е (в градусах) осар ду мікрооб'єктів на феромагнітну кульку безрозмірного параметру С* Зовнішнє магнітне поле 2650 _Н розмірного параметра Но*= 0 ню 5, крива 3 - значенню 10 На фіг 2 представлено експериментальний графік залежності максимального кута (в градусах) осаду мікрооб'єктів на феромагнітну кульку діаметром 450 мкм від різниці між сприйнятливістю мікрооб'єкта та рідини % Зовнішнє магнітне поле 2650 Ерстед На фіг 3 зображена блок-схема установки для спостереження за процесами взаємодії феромагнітної кульки з неферомагнітними частинками Отримано з урахуванням теоретичної формули (6), що експериментальна залежність кута в градусах від з достатньою ступеню точності наближається аналггичною формулою 2-z-VN 3-7J-A-B 1 X 3-7J-A-B 2-VN (9) Технічний результат заключається в тому, що при використанні даного способу визначення магнітної сприйнятливості мікрооб'єктів та рідин спрощується метод визначення магнітної сприйнятливості 1 І 1 0 01 0 015 0 02 1 Ч Ч _ 60 1 0 005 (8) д е к = - 5 67 108, р=85,6 З формули (8) слідує формула розрахунку магнітної сприйнятливості % через кут ф в градусах Эрстед Крива 1 відповідає значенню 1 для без 100 крива 2 - значен ФІГ. 1 0 025 43617 Фіг. 2 Фіг. З Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03