CN108120660B - 一种基于磁阿基米德的磁操纵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁阿基米德的磁操纵方法，包括(1)根据样品材料确定介质溶液；(2)将样品置于介质溶液中；(3)将含有样品的介质溶液置于设有环形磁铁的磁操纵装置中；(4)观察样品在磁操纵装置中的分布情况，若样品密度与介质溶液密度相差‑0.5～0.5g/cm3，则样品能够悬浮于装置中，若样品密度大于所述介质溶液密度0.5g/cm3以上，则所述样品能够在环形磁铁表面呈现环形分布；(5)计算处于悬浮状态的样品密度；(6)选择与样品密度相近的产品，实现对产品的磁操纵。该方法操作简单，能够实现自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种操纵方法，具体涉及一种基于磁阿基米德的磁操纵方法，并给出了相应的表达式。
背景技术
随着MEMS技术和生命科学技术的发展，人们的认知水平正在从传统的宏观尺度向微观尺度递进，所需操纵的对象也逐渐转向微粒和生物活性粒子，对这些粒子实施捕获、运输、分离等微操纵的技术无疑是重要的工具，也是实现对象操纵、加工、表征、装配和测试的基础。
现有的微粒操纵技术主要分为接触式和非接触式微操纵。接触式微操纵操纵方式为接触施力，容易损坏粒子，即机械接触中的机械力会对粒子产生损伤，虽然采用力反馈等方式可以降低损害，但效果仍待提高。非接触式生物微操纵包括磁镊、光镊、声镊和介电泳等微操纵方式，这几类操纵方式不存在机械接触，不会产生机械损伤，但后三种操纵方式均存在设备昂贵、空间受限等缺陷，造成对微小颗粒的操纵难度较大。而磁微操纵通过外加磁场产生的磁场梯度，结合物质的抗磁性以及阿基米德原理提出的磁-阿基米德悬浮，使被操纵对象在磁场中的受到磁场力进而实施操纵。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于磁阿基米德的磁操纵方法，该方法能够解决光镊、声镊以及介电泳等微操纵方式的缺陷，实现对微小颗粒的操纵。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于磁阿基米德的磁操纵方法，包括以下步骤：
(1)根据样品材料确定介质溶液；
(2)将所述样品置于所述介质溶液中；
(3)将含有所述样品的介质溶液置于设有环形磁铁的磁操纵装置中；
(4)观察所述样品在所述磁操纵装置中的分布情况，若所述样品密度与所述介质溶液密度相差-0.5～0.5g/cm3，则所述样品能够悬浮于装置中，若所述样品密度大于所述介质溶液密度0.5g/cm3以上，则所述样品能够在所述环形磁铁表面呈现环形分布；
(5)按式(I)计算处于悬浮状态的样品密度；
其中，
ρ为样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率，无量纲；χm为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；σ*为比饱和磁化强度，A·cm2/g；z为样品在溶液中悬浮位置，mm；d为上下两块环形磁铁相对表面的间距，mm；r1为环形磁铁内半径，mm，r2为环形磁铁外半径，mm，h为环形磁铁的高度；
(6)根据所述样品密度选择与所述样品密度相近的产品，所述产品在所述磁操纵装置中会在磁场作用下被操纵至某一位置，实现对所述产品的磁操纵。
作为优选，所述介质溶液为顺磁介质水溶液，进一步优选，所述介质溶液为MnCl2水溶液、GdCl3水溶液以及醇溶液中的至少一种。进一步优选，所述介质溶液为浓度为2.5mol/L的MnCl2水溶液。
作为优选，所述磁操纵方法还包括：在配制介质溶液前，进行介质溶液的密度与磁化率的标定。
作为优选，所述产品为尺寸为0.1～7mm的立体结构。本发明提供的方法，尤其适合于尺寸为1～6mm的产品操纵且精度较高。进一步优选，所述产品为中心对称立体结构，进一步优选，所述产品半径为2～3mm的球形产品。
本发明提供的基于磁阿基米德的磁操纵方法的原理如下：
根据磁荷模型，在外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm的环形磁铁的中心为坐标原点建立柱坐标系，高度h方向为z轴，则空间一点(r,z)的径向磁感应强度为：
Br(r,z)＝B1r(r,z)+B1r(r,2h+d-z)
其中，
式中，z为样品在溶液中浮起或压入的距离，mm；r1为环形磁铁外半径，r2为环形磁铁内半径，h为环形磁铁的高度，σ*为比磁化强度，A·cm2/g。
轴向磁场强度为：
Bz(r,z)＝Bz1(r,z)-Bz1(r,2h+d-z)
其中，
式中，rn(n＝1,2为磁铁内外半径，∏(n,k)为第三类完全椭圆积分。
根据对磁场的模拟结果，磁铁中间区域，除中心线以外，大部分区域在周向平面分量沿与中心线连线方向向外发散。中心线在周向平面方向分量为0。
在垂直方向上，的表达式简化为：
根据对磁场的模拟结果，并结合应用实际，样品在介质溶液中会根据磁场的分布而产生不同的分布情况，部分密度与溶液相近的溶质会最终稳定悬浮在中心线上，结合阿基米德原理，样品最终的平衡状态方程为：
对于装置中的样品，根据磁场分布，最终会产生环形分布，根据对磁场的计算，可以得到分布情况；对于稳定悬浮于装置中心线的样品，其最终方程简化为密度与高度z的对应关系，通过测量样品在顺磁介质溶液中的高度即可计算出样品的密度，
只要产品的密度与样品密度相近，即可以实现对产品的磁操纵。当产品的密度与样品的密度相差-0.5～0.5g/cm3，即表示产品的密度与样品密度相近。
根据上述原理，本发明还提出了在磁铁的中心线上微粒密度与位置的关系。
上述磁操纵方法，应当在操纵前根据产品材料估测产品的物理性质(磁化率与密度)，同时配制相应的介质溶液。如需要精确计算溶液磁化率，可以用古埃法测量溶液磁化率。
上述磁操纵方法还用于检测产品的密度，当用于检测产品密度时，则应当在操纵前根据产品材料估测产品的物理性质(磁化率与密度)，同时配制密度相近的介质溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种全新的磁操纵方法，该方法所需求的装置操作简单，成本低廉，结果易于观测，此外，还能用于测量密度，且测量精度高，易于实现自动化。
附图说明
图1是实施例中样品在介质内的磁悬浮装置原理图；
图2是实施例对外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的两块环形磁铁，间隔30mm时，磁铁表面水平方向受力情况；
图3是实施例对外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的两块环形磁铁，中心线与高度z关系的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，是本发明的磁操纵原理图，包括样品1，介质溶液2，介质溶液容器3，磁铁4。容器要求透明易于观察内部样品。若样品可稳定悬浮于中心线上，则样品1在溶液中悬浮高度为z。
磁铁4为外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的环形磁铁。
本实施例对外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的环形磁铁时，磁铁表面水平方向受力情况如图2所示，中心线与高度z关系的曲线图如图3所示。
其中，磁操纵方法如下：
(1)根据样品材料估计样品密度。
在进行实验前，对介质溶液的密度和磁化率进行标定，标定时，配制浓度为整数摩尔每升的溶液，然后进行密度与磁化率的标定，参见表1。
配制介质溶液时，若需使样品达到稳定悬浮，则应使介质溶液在合适的范围内，介质溶液密度略大于或略小于样品密度。
(2)将样品置于介质溶液中。
(3)将介质溶液置于磁操纵装置中。
(4)观察样品分布，若所述样品密度与所述介质溶液密度相差-0.5～0.5g/cm3，则所述样品能够悬浮于装置中，若所述样品密度大于所述介质溶液密度0.5g/cm3以上，则所述样品能够在所述环形磁铁表面呈现环形分布；
(5)计算悬浮的样品密度；
采用本方法对PCL(聚己内酯)原料(直径约4mm的球状颗粒)进行密度测量，选用的介质溶液为1.5mol/L的MnCl2水溶液，不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率如表1所示：
表1不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率
| 浓度(mol/L) | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 磁化率 |
| 1 | 1.099 | 1.774×10<sup>-4</sup> |
| 1.5 | 1.148 | 2.771×10<sup>-4</sup> |
| 2 | 1.196 | 3.630×10<sup>-4</sup> |
| 2.5 | 1.244 | 4.650×10<sup>-4</sup> |
| 3 | 1.292 | 5.438×10<sup>-4</sup> |
样品经过酒精清洗表面后，置于MnCl2水溶液中，放进装置中。静置2分钟，待样品位置稳定，用毫米尺测量悬浮高度。高度读数为28.3mm，经过计算可以得到样品的密度为1.1495g/cm3。
上述样品密度的计算公式如下：
其中：
ρ为样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率，无量纲；χm为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；σ*为比饱和磁化强度，A·cm2/g；z为样品在溶液中悬浮位置，mm；d为上下两块环形磁铁相对表面的间距，mm；r1为环形磁铁内半径，mm，r2为环形磁铁外半径，mm，h为环形磁铁的高度。
(6)选择与样品密度1.1495g/cm3相近的产品，实现对该产品的磁操纵。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于磁阿基米德的磁操纵方法，包括以下步骤：
(1)根据样品材料确定介质溶液；
(2)将所述样品置于所述介质溶液中；
(3)将含有所述样品的介质溶液置于设有环形磁铁的磁操纵装置中；
(4)观察所述样品在所述磁操纵装置中的分布情况，若所述样品密度与所述介质溶液密度相差-0.5～0.5g/cm3，则所述样品能够悬浮于装置中，若所述样品密度大于所述介质溶液密度0.5g/cm3以上，则所述样品能够在所述环形磁铁表面呈现环形分布；
(5)按式(I)计算处于悬浮状态的样品密度；
其中，
ρ为样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率，无量纲；χm为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；σ*为比饱和磁化强度，A·cm2/g；z为样品在溶液中悬浮位置，mm；d为上下两块环形磁铁相对表面的间距，mm；r1为环形磁铁内半径，mm，r2为环形磁铁外半径，mm，h为环形磁铁的高度；
(6)根据所述样品密度选择与所述样品密度相近的产品，所述产品在所述磁操纵装置中会在磁场作用下被操纵至某一位置，实现对所述产品的磁操纵；
所述介质溶液为MnCl2水溶液、GdCl3水溶液以及醇溶液中的至少一种；
所述产品为尺寸为0.1～7mm的立体结构。
2.如权利要求1所述的基于磁阿基米德的磁操纵方法，其特征在于，所述介质溶液为浓度为2.5mol/L的MnCl2水溶液。
3.如权利要求1所述的基于磁阿基米德的磁操纵方法，其特征在于，所述产品半径为2～3mm的球形产品。
4.如权利要求1～3任一所述的基于磁阿基米德的磁操纵方法，其特征在于，所述磁操纵方法还包括：在配制介质溶液前，进行介质溶液的密度与磁化率的标定。
5.如权利要求1所述的基于磁阿基米德的磁操纵方法，其特征在于，所述磁操纵方法还用于检测产品的密度，当用于检测产品密度时，则应当在操纵前根据产品材料估测产品的物理性质，同时配制密度相近的介质溶液。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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