顺磁溶液动态演化的磁悬浮定量表征方法及其在生物医学检测中的应用

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Quantitative characterization of dynamic evolution in paramagnetic solutions using magnetic levitation

本文提出了一种基于磁悬浮（Maglev）技术的创新方法，用于实时、定量监测顺磁溶液（如MnCl2溶液）的关键参数（浓度、密度、磁化率）及水分蒸发动态。该方法通过追踪标准密度探针球的悬浮高度变化，实现了高灵敏度（45.00 mm M-1）、高精度（密度分辨率0.00047 g cm-3）的长期动态监测，解决了传统方法操作繁琐、成本高的问题。其通用性和可扩展性为精密制造、生物医学分析（如细胞培养、MRI对比剂优化）和非破坏性检测提供了可靠工具，显著提升了Maglev系统中溶液参数监控与样品测试的协同效率。

　　

Section snippets

Maglev device configuration

磁悬浮（Maglev）装置用于表征溶液浓度、密度、磁化率及水分蒸发的动态演化过程（图1）。其结构和原理如图1a所示：两块N45磁铁（50 mm × 50 mm × 25 mm）以“同极相对”方式放置，间距60 mm。将顺磁溶液（如MnCl₂水溶液）置于磁铁间的透明非金属容器中。标准玻璃球作为探针悬浮于溶液中，通过测量其悬浮高度变化反演溶液参数。

Determination of measurement interval and sensitivity, and error analysis

图3a展示了标准球在不同浓度溶液中的稳定悬浮结果。尽管使用同一标准球，其悬浮高度随溶液浓度变化而显著不同，直观证明了MnCl₂溶液浓度变化对样品密度测量的影响（凸显监测溶液浓度的必要性），同时体现了Maglev方法的有效性——即通过悬浮高度量化溶液参数的能力。

Conclusion

本研究提出了一种灵敏、准确、通用且成本效益高的磁悬浮方法，用于实时定量监测顺磁溶液关键参数（包括浓度、密度、磁化率和水分蒸发）的动态演化。通过灵敏度与误差分析、实时检测、长期监测、应用演示及四重验证框架，系统评估了其性能。主要结论表明该方法为精密制造、生物医学分析和检测科学提供了高效可靠的解决方案。

CRediT authorship contribution statement

Mengwu Wu: 监督指导。 Chenxin Lyu: 方法论。 Chengqian Zhang: 写作-审阅、方法论。 Baocai Zhang: 写作-审阅、写作-初稿、验证、方法论、调查。 Peng Zhao: 写作-审阅、监督指导、项目管理、资金获取。 Jianzhong Fu: 监督指导、项目管理。 Yong Gao: 监督指导。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，以免影响本研究报告的客观性。

Acknowledgements

本研究感谢国家自然科学基金（项目编号：52535010、52575460）和浙江省领军型创新创业团队（编号：2024R01002）的资助。