CN111337382A - 一种基于负磁泳的密度测量方法及装置 - Google Patents

一种基于负磁泳的密度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于负磁泳的密度测量方法及装置，属于非标记磁操控领域，其中，密度测量方法为待测样品在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；待测样品在负磁泳力、重力及浮力的作用下稳定悬浮后，根据受力方程计算待测样品的密度；装置包括非导磁支架、磁体组件、非导磁且透明的容器和顺磁性溶液；磁体组件用于形成辐射状磁场分布；在辐射状磁场的作用下，待测样品在顺磁性溶液中受到负磁泳力，并在重力、浮力的共同作用下处于平衡状态：磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成，并由非导磁外壳进行封装保护以及克服磁瓦间的斥力；本发明显著提升了负磁泳系统的测量范围和测量灵敏度。

Description

一种基于负磁泳的密度测量方法及装置
技术领域
本发明属于非标记磁操控领域，更具体地，涉及一种基于负磁泳的密度测量方法及装置。
背景技术
当非磁性或者抗磁性物质在磁性溶液中受到外加梯度磁场作用时，因物质本身与磁流体之间的磁化差异性，使得非磁性或者抗磁性物质也会产生梯度磁场力作用，朝着远离磁场源的方向运动，这一现象通常被称为负磁泳。
负磁泳技术解除了传统正磁泳操控模式要求被操控物质需具有磁性的限制，因其经济性、无标记且操控灵活等优势称为重要的物质操控方法之一。通常利用这一技术对粒子进行悬浮操作，可以将其应用于物质(微粒或生物)的分离和密度测量等。
如何开发高效、便捷的磁场产生方法及装置对于提升负磁泳式悬浮效率和拓展其应用范围具有重要作用。永磁体因具有结构简单，不发热和易产生高磁场梯度等优点在负磁泳系统中应用最为广泛，其可根据实际需要可组合形成圆柱形、圆锥形和阵列式等形状。目前涉及到的磁场发生装置主要包括对极式双方形磁体、轴向充磁的单环磁体以及轴向充磁的对极式双环磁体等。
相比于标准磁悬浮所选用的对极式方形磁体，现有的轴向充磁型单/双环形磁体结构，在添加、移除顺磁性介质以及观察样品方面更加方便。但是随着轴向充磁型单/双环形磁体的内径减小，单环磁体的工作区间急剧减小，使得该类装置所能提供的磁场强度和梯度有限(磁场参数与磁体孔径直接关联)。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于负磁泳的密度测量方法及装置，其中，磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成，形成整体辐射状磁化特性，用于测量待测对象的密度，旨在解决现有的轴向充磁型单/双环形磁体结构提供的磁场强度和梯度有限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量方法，包括：
将待测样品放置在与其密度相匹配的顺磁性溶液中，且将顺磁性溶液置于辐射状磁场中；
调整盛放顺磁性溶液容器的中心线与辐射状磁场中心线重合，使待测样品在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；
待测样品在负磁泳力、重力及浮力的作用下稳定悬浮后，根据受力方程计算待测样品的密度。优选地，待测样品的密度为：
Figure BDA0002369990490000021
其中，ρs为待测样品的密度；ρm为顺磁性溶液的密度；μ0为真空磁导率；χm为顺磁性溶液的磁化率；χs为待测样品的磁化率；
Figure BDA0002369990490000022
为重力加速度；
Figure BDA0002369990490000023
为磁感应强度。
基于上述方法，一方面，本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量装置，包括非导磁支架、磁体组件、非导磁且透明的容器和顺磁性溶液；
非导磁支架为中空结构，其底部用于放置容器，顶部用于支撑磁体组件；容器贯穿磁体组件，用于盛放顺磁性溶液和待测样品；磁体组件用于形成辐射状磁场分布；在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，待测样品受到负磁泳力；；其中，容器竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
优选地，磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成；磁瓦数目为8～16个。
优选地，磁体组件为辐射磁化的单个永磁体。
优选地，非导磁支架用于竖直方向上调节其底部与磁体组件间的距离。
另一方面，本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量方法，包括非导磁支架、第一磁体组件、第二磁体组件、非导磁且透明的容器和顺磁性溶液；
非导磁支架为中空结构，其底部放置第一磁体组件并支撑容器底部，其顶部用于固定第二磁体组件和容器顶部，容器贯穿第一磁体组件和第二磁体组件，用于盛放顺磁性溶液和待测样品；第一磁体组件和第二磁体组件用于形成磁化方向相同的辐射磁化分布；顺磁性溶液在辐射状磁场的作用下，产生作用于待测样品的负磁泳力；其中，容器竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
优选地，第一磁体组件和第二磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成。
优选地，非导磁支架用于调节第一磁体组件和第二磁体组件竖直方向上的距离。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明具备了现有轴向充磁型磁环结构简单、操作方便的优点，同时，通过整体呈现出的辐射状磁化特征，在用于非磁性或弱磁性材料密度测量时，与轴向充磁型环形磁体相比，磁场梯度可以达到更高、工作区间更大，进而显著提升了负磁泳系统的测量范围和测量灵敏度。
(2)本发明选取的非导磁支架可以调节被测样品与磁体组件之间的距离，可以提供更广的磁场强度和梯度的变化范围。
(3)当本发明提供的磁体组件为径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成，且磁瓦数目为8～16个时，可以确保辐射均匀性的同时降低组装难度。
附图说明
图1(a)是实施例1提供的单磁环式负磁泳密度测量装置示意图；
图1(b)是实施例2提供的双磁环式负磁泳密度测量装置示意图；
图2(a)是实施例2提供的辐射状磁体磁化方向的简化二维轴对称示意图；
图2(b)是实施例2提供的轴向磁体磁化方向的简化二维轴对称示意图；
图3(a)是实施例2提供的装载拼接磁瓦的非导磁外盖示意图；
图3(b)是实施例2提供的装载拼接磁瓦的外壳示意图；
图4是实施例3提供的待测样品密度与悬浮高度H的关系曲线图；
图5(a)是实施例3提供的为单环结构下，辐射磁体与轴向磁体
Figure BDA0002369990490000041
的仿真结果对比图；
图5(b)是实施例3提供的双环结构下，辐射磁体与轴向磁体密度测量的仿真结果对比图；
标记说明：
1-容器；2-待测样品；3-磁体组件；4-非导磁支架；5-螺丝旋钮；6-底座；7-外壳；8-M4沉头螺孔；9-非导磁外盖；10-螺丝螺纹孔；11-径向充磁的磁瓦。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量方法，包括：
将待测样品2放置在与其密度相匹配的顺磁性溶液中，且将顺磁性溶液置于辐射状磁场中；
调整盛放顺磁性溶液容器1的中心线与辐射状磁场中心线重合，使待测样品在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；
待测样品2在负磁泳力、重力及浮力的作用下稳定悬浮后，根据受力方程计算待测样品的密度。
优选地，待测样品的密度为：
Figure BDA0002369990490000051
其中，ρs为待测样品的密度；ρm为顺磁性溶液的密度；μ0为真空磁导率；χm为顺磁性溶液的磁化率；χs为待测样品的磁化率；
Figure BDA0002369990490000052
为重力加速度；
Figure BDA0002369990490000053
为磁感应强度。
基于上述方法，一方面，本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量装置，包括非导磁支架4、磁体组件3、非导磁且透明的容器1和顺磁性溶液；
非导磁支架4为中空结构，其底部用于放置容器1，顶部用于支撑磁体组件3；容器1贯穿磁体组件3，用于盛放顺磁性溶液和待测样品2；磁体组件3用于形成辐射状磁场分布；顺磁性溶液在辐射状磁场的作用下，产生作用于待测样品2的负磁泳力；其中，容器竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
优选地，磁体组件3由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成；磁瓦数目为8～16个。
优选地，磁体组件3为辐射磁化的单个永磁体。
优选地，非导磁支架4用于竖直方向上调节其底部与磁体组件3间的距离。
另一方面，本发明提供了一种基于负磁泳的密度测量方法，包括非导磁支架4、第一磁体组件、第二磁体组件、非导磁且透明的容器1和顺磁性溶液；
非导磁支架4为中空结构，其底部放置第一磁体组件并支撑容器底部，其顶部用于固定第二磁体组件和容器1顶部，容器1贯穿第一磁体组件和第二磁体组件，用于盛放顺磁性溶液和待测样品2；第一磁体组件和第二磁体组件用于形成磁化方向相同的辐射磁化分布；待测样品2在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；其中，容器1竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
优选地，第一磁体组件和第二磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成。
优选地，非导磁支架4用于调节第一磁体组件和第二磁体组件竖直方向上的距离。
实施例1
图1(a)为单磁环式磁泳密度测量装置原理图，装置包括顺磁性盐溶液、容器1、由磁瓦组装成的磁体、非导磁支架4(包括底座6)、螺丝旋钮5和外壳7；磁体组件3包括磁体和外壳7；其中，2为待测样品，在实际应用中放置在容器1中；径向为z轴，横截面为r；R1为磁体内径；R2为磁体外径；
实施例2
图1(b)是双磁环式负磁泳密度测量装置原理图，装置包括装有顺磁性盐溶液及待测样品2的容器1、待测样品2、两块由磁瓦组装成的磁体(两块磁体的N极为对向放置)、非导磁支架4(包括底座6)、螺丝旋钮5、外壳7；磁体组件3包括磁体和外壳7；2为待测样品，在实际应用中放置在容器1中；径向为z轴，横截面为r；R1为磁体内径；R2为磁体外径；H为待测样品2到磁体的距离；
图2(a)是传统的轴向充磁永磁体的二维轴对称示意图，区别于传统轴向充磁的永磁体，本发明采用的是径向充磁永磁体的二维轴对称示意图(图2(b))，该永磁体为12个30°磁瓦组装成的内径10mm，外径20mm，高20mm的环形磁体，每片磁瓦均为径向充磁，充磁方向均相同，组装后形成辐射状磁场，其中，非磁导外盖9的示意图如图3(a)，其中，非磁导外盖9上设置有M4沉头螺孔8，装载磁瓦所用的外壳7示意图如图3(b)，其中，10为螺丝螺纹孔；11为径向充磁的磁瓦。根据仿真数据校正后，算得该径向充磁永磁体的剩余磁通密度为1.2T。
实施例3
实施例3提供了负磁泳密度测量方法，包括如下步骤：
(1)将装载在外壳7内的径向充磁的环形磁体置于非导磁支架4上进行固定，并将透明柱形玻璃容器从环中空部分穿过，调节磁体高度，使容器1与环形磁体的中心线重合，容器1在磁体上、下端的长度相等，以便记录样品在容器内的高度分布数据；
(2)根据待测样品2的密度，选择所需顺磁性溶液的密度；
顺磁性溶液(背景介质溶液)可以选择DyCl3、MnCl2或GdCl3等顺磁性盐溶液；所配制的盐溶液浓度不同，溶液的密度和磁化率也会随之变化，为了待测样品2在背景介质溶液中稳定悬浮，所选用的背景介质溶液密度需与待测样品的密度有合适差异范围。在实施例3中所选背景介质溶液为3M的MnCl2(ρm＝1.292g/cm3,χ＝5.48×10-4)；
(3)将样品放入透明容器1内，观察待测样品2在容器1内的分布，应用于负磁泳分离时，待测样品2在负磁泳力以及浮力(已进行重力修正)的作用下会处于稳定悬浮状态；由于不同待测样品2的密度及磁化率不同，导致待测样品的悬浮高度不同而分离开，待测样品稳定悬浮的平衡态方程为：
Figure BDA0002369990490000071
其中，
Figure BDA0002369990490000072
为重力修正后的浮力；
Figure BDA0002369990490000073
为待测样品受到的磁场力；ρs(kg/m3)为待测样品的密度；ρm(kg/m3)为顺磁性溶液的密度；V(m3)为待测样品的体积；
Figure BDA0002369990490000081
为重力加速度(其值取9.810m/s2)；χs为待测样品的磁化率；χm为顺磁性溶液的磁化率；μ0为真空磁导率(其值取4π×10-7N/A2)，
Figure BDA0002369990490000082
为磁感应强度；
Figure BDA0002369990490000083
为磁场梯度；
因等式两边均有待测样品体积V，可以将其消去，根据待测样品稳定悬浮的平衡态方程可推导得出，待测样品的密度计算方程为：
Figure BDA0002369990490000084
根据上述方程，在单环系统中，以3.0M的MnCl2溶液为背景介质溶液进行密度测量的仿真，其数据如图4所示，图中磁体放置区的下方和上方分别为负密度测量区和正密度测量区。为了进一步说明本装置的优势，在图5中对比使用传统的轴向充磁永磁体和本发明提供的辐射状磁体实施密度测量的仿真数据，其中，图5(a)为单环结构下，辐射磁体与轴向磁体
Figure BDA0002369990490000085
的仿真结果对比图，图5(b)为双环结构下，辐射磁体与轴向磁体密度测量的仿真结果对比图，容易观察到，本发明中径向充磁的永磁体具有更宽的测量范围及工作区间。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于负磁泳的密度测量方法，其特征在于，包括：
将待测样品(2)放置在与其密度相匹配的顺磁性溶液中，且将顺磁性溶液置于辐射状磁场中；
调整盛放顺磁性溶液容器(1)的中心线与辐射状磁场中心线重合，使待测样品在顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；
待测样品(2)在负磁泳力、重力及浮力的作用下稳定悬浮后，根据受力方程计算待测样品的密度。
2.根据权利要求1所述的密度测量方法，其特征在于，所述待测样品的密度为：
Figure FDA0002369990480000011
其中，ρs为待测样品的密度；ρm为顺磁性溶液的密度；μ0为真空磁导率；χm为顺磁性溶液的磁化率；χs为待测样品的磁化率；
Figure FDA0002369990480000012
为重力加速度；
Figure FDA0002369990480000013
为磁感应强度。
3.根据权利要求1所述的密度影测量方法的装置，其特征在于，包括：非导磁支架(4)、磁体组件(3)、非导磁且透明的容器(1)和顺磁性溶液；
所述非导磁支架(4)为中空结构，其底部用于放置容器(1)，顶部用于支撑磁体组件(3)；所述容器(1)贯穿磁体组件，用于盛放顺磁性溶液和待测样品(2)；所述磁体组件(3)用于形成辐射状磁场分布；待测样品(2)在所述顺磁性溶液和辐射状磁场的作用下，受到负磁泳力；其中，所述容器(1)竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁体组件(3)由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成；磁瓦数目为8～16个。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁体组件(3)为辐射磁化的单个永磁体。
6.根据权利要求3至5任一所述的装置，其特征在于，所述非导磁支架(4)用于竖直方向上调节其底部与磁体组件间的距离。
7.根据权利要求1所述的密度测量方法的装置，其特征在于，包括：非导磁支架(4)、第一磁体组件、第二磁体组件、非导磁且透明的容器(1)和顺磁性溶液；
所述非导磁支架(4)为中空结构，其底部放置第一磁体组件并支撑容器(1)底部，其顶部用于固定第二磁体组件和容器(1)顶部；所述容器(1)贯穿第一磁体组件和第二磁体组件，用于盛放顺磁性溶液和待测样品(2)；所述第一磁体组件和第二磁体组件用于形成磁化方向相同的辐射磁化分布；所述顺磁性溶液在辐射状磁场的作用下，待测样品受到负磁泳力；其中，所述容器(1)竖直方向的中心线与辐射状磁场的中心线重合。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一磁体组件和第二磁体组件由径向充磁且磁化方向相同的磁瓦构成。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述非导磁支架(4)用于调节第一磁体组件和第二磁体组件竖直方向上的距离。
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