基于磁致双折射效应的微滴磁场传感器：高灵敏度微尺度实时检测新策略

（编辑推荐）本研究创新性地利用磁性纳米片（BHF NPLs）悬浮液的磁致双折射效应，开发了一种微米级液滴磁场传感器。通过交叉偏振光强度测量，实现了毫特斯拉级磁场的实时高灵敏度检测（响应时间低至0.1ms），结合偏振相机（PolarSens）可同步解析磁场矢量信息。该技术为微流控（microfluidic）和芯片实验室（lab-on-chip）系统提供了抗电磁干扰、高空间分辨的光学传感方案。

　　

摘要

磁性纳米片悬浮液（BHF NPLs）在磁场作用下展现的磁致双折射效应（magneto-birefringence）成为微尺度磁场传感的核心机制。当50nm厚度的六角铁氧体纳米片（BaHF）在磁场中定向排列时，其光学各向异性导致入射偏振光相位延迟（Δn），通过交叉偏振器可检测光强变化。实验证实，13g/L浓度悬浮液在1mT磁场下即产生显著响应，双指数弛豫动力学（τ₁≈0.1ms，τ₂≈1.15ms）揭示了单个纳米片与团簇的布朗运动差异。

1 引言

传统霍尔传感器（Hall sensor）与量子钻石氮空位（NV center）技术分别受限于分辨率与成本。磁性流体（MF）的光学检测因其抗电磁干扰特性备受关注，而二维纳米材料（如六方氮化硼）的磁光效应进一步拓展了设计空间。本研究通过纳米片（厚度4-5nm）的尺寸效应增强双折射，其有序参数S(B)服从玻尔兹曼分布，理论模型与实验数据高度吻合。

2 结果与讨论

2.1 双折射测量

采用λ/4波片优化光路后，双折射Δn与磁场B的关系符合Legendre多项式P₂。双组分拟合显示，7.1×10^-18 Am²磁矩对应单纳米片响应，而较大团簇（>10^-17 Am²）贡献次级弛豫。

2.2 微滴光学响应

87-121μm油包水微滴在交叉偏振下呈现显著光强梯度。数值模拟（Nemaktis软件）证实，50μm液滴浓度提升至65g/L可使灵敏度倍增，但需避免超过200g/L的向列相转变阈值。

2.5 矢量场解析

偏振相机四通道成像结合Jones矩阵运算，成功解算磁场方向角?。通过17.4°偏置场验证，角度解析误差<0.5°，满足μT级矢量场测绘需求。

3 结论

该传感器将微流控操控性与光学检测优势结合，为活体细胞磁刺激监测、微型电机磁场测绘等应用提供新工具。未来可通过纳米片表面功能化（如抗体修饰）进一步拓展生物医学应用场景。