Anal. Chem.封面：新型三维磁悬浮检测与操控技术

近期，浙江大学机械工程学院赵朋教授（点击查看介绍）团队近期开发了一种新型的三维磁悬浮检测与操控技术，利用两块环形磁铁产生磁场的对称性，通过控制磁场力的大小及分布，实现了被测样品在三维空间内的可控稳定悬浮及高精度密度检测。该成果作为封面文章发表在Analytical Chemistry 期刊上。浙江大学机械工程学院博士生张承谦为该论文第一作者，赵朋教授、顾复副教授为论文通讯作者，浙江大学作为论文的唯一单位。

密度是物质的基本属性，自古以来就被人类用来检测、区分不同的物质。从古希腊的阿基米德帮国王鉴定皇冠、到《汉书》中的“黄金方寸而重一斤”、再到勤劳的中国人民利用风箱分离米粒与糠壳，人类对于密度的巧妙应用层出不穷。从阿基米德的浮力法开始，人们就发现密度的检测与浮力密不可分，以液体密度为基准，若样品密度大则沉底，小则漂浮，一致则悬浮。那么，如果发明一种方法来控制并计算水的浮力，岂不是可以让各种物体都悬浮并准确得到密度？众所周知，浮力的产生归因于溶液所受的重力，那么控制了溶液受到的力，液体中样品所受的浮力也能因此被控制。顺磁溶液此时就起到了作用，通过调整顺磁溶液在磁场中受到的磁场力，控制其产生的浮力也就可行了。因此，对于悬浮其中的样品，只需要计算其浮力即可精确得到它的密度，这种方法被称为磁-阿基米德悬浮检测方法，也称磁悬浮密度检测方法。目前，在先进制造工程领域与生物工程领域，该方法凭借其高精度、快速、低成本等优势，在缺陷检测、材料表征、药物分选、细胞测量等广泛应用上取得了显著的成效。

浙江大学赵朋教授团队开发的新型三维磁悬浮检测与操控技术，利用两块环形磁铁产生磁场的对称性，通过控制磁场力的大小及分布，实现了被测样品在三维空间内的可控稳定悬浮及高精度密度检测。该项技术克服了目前磁悬浮密度检测技术存在的两大缺陷：1）仅可进行单一维度的悬浮，导致了对空间利用的浪费；2）由于样品体积互斥和灵敏度限制，造成了对参数相近样品的测量低效率或是不准。他们通过对磁场作用在顺磁溶液内样品上的磁场力进行计算分析，发现两块磁铁间存在可以稳定悬浮的环形空间，并利用不同密度分布的颗粒进行悬浮，证实了三维磁悬浮效果且其中心区域的悬浮高度-密度曲线斜率极大，证明了高灵敏度检测区间的存在（图1 b-f）。

图1. 一维磁悬浮与三维磁悬浮结构及装置示意图。(a)一维磁悬浮的三种示意图；(b)三维磁悬浮中结构半剖图及样品受力示意图；(c)环形稳定悬浮空间示意图；(d)三维磁悬浮实物图；(e)样品在磁场空间中的受力示意图；(f)可悬浮区域的悬浮高度-密度曲线及检测效果。

由于两块环形磁铁间隔可调，则其悬浮空间、检测灵敏度均可通过调节间隔而非更换顺磁溶液和磁铁的方法进行调节。研究团队首先对不同间隔的装置进行理论分析与实验验证（图2 a-b），可看到对于本文所使用磁铁，两块磁铁间隔处于一定区域时（33 mm ~ 52 mm）即会出现环形稳定悬浮空间。研究团队还利用密度差距仅0.00224 g/cm³的5颗小球验证了不同间隔的装置对于极小密度差异样品的批量检测结果。在此，不仅看出该方法可在总检测范围不变的情况下，保证中心检测灵敏度可调，同时将测量范围拓展至环形稳定悬浮空间，对密度及其相近的样品（最小差距仅为0.00012 g/cm³）也不会因为体积互斥而造成检测不准（图2 c-d）。此外，研究人员还验证了该技术在药品筛选、结构件检测、细胞测量等方面的应用。

图2. 灵敏度可调的三位磁悬浮效果验证图。(a)不同间隔的装置检测效果。(b)不同间隔的环形悬浮范围示意图。(c)不同间隔装置的高灵敏度检测结果。(d)不同间隔装置的高灵敏度悬浮实物图。(e)三维磁悬浮技术在检测领域的应用。

研究人员还通过理论计算分析了该方法的环形稳定悬浮空间的可调节性，并通过实验进行验证（图3）。有意思的是，研究人员利用不同的稳定悬浮空间实现了一个“头戴花环“的结构，该种悬浮结构在现有任何一种方法下都是无法实现的（图3 b）；还利用稳定悬浮空间的差异性和液面调节方法实现了对齿轮的啮合操控（图3 f-g）。此外，研究人员还利用环形结构的可调节性成功实现了对一批样品的批量操控与精确运输（图4）。此类新型三维磁悬浮检测与操控技术的提出，极大地拓展了磁悬浮方法的操作空间，使其在非标记样品操控、高通量样品检测、无损材料表征等领域具有更为广阔的应用前景。

图3. 三维磁悬浮技术在环形悬浮空间的可调性验证。多个样品在(a)一维磁悬浮装置和(b)三维磁悬浮装置内稳定悬浮的效果。(c)不同间隔下环形悬浮空间的理论计算。(d)不同间隔下环形悬浮空间的实验验证。(f-g)利用三维磁悬浮技术操控齿轮啮合。

图4. 利用环形悬浮结构的可控性实现批量样品的定点操控和精确运输。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Axial-Circular Magnetic Levitation: A Three-Dimensional Density Measurement and Manipulation Approach

Chengqian Zhang, Peng Zhao*, Fu Gu*, Xuechun Zhang, Jun Xie, Yong He, Huamin Zhou, Jianzhong Fu, Lih-Sheng Turng

Anal. Chem., 2020, 92, 6925–6931, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05606

导师介绍

赵朋

https://www.x-mol.com/university/faculty/49907