中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合承建攻关。装置于2008年启动建设，2017年通过国家验收。验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平”，标志... 更多简介 +
生物内禀磁性是介导磁场与生命体相互作用的物理基础。然而，在整体磁性微弱且动态复杂的生物体系中，人们对生物磁性的理解还十分有限。近期，中国科学院合肥物质院强磁场中心张欣课题组与方海平、张峰和叶方富等团队进行合作，发现了一种由钙离子诱导的不依赖于铁钴镍等传统磁性物质的生物分子顺磁性起源新机制，为生物分子的磁性动态变化提供了新视角。相关文章发表在国际期刊Nature Materials上。
张欣课题组前期发现不同生理病理状态下的铁代谢和氧化还原异常会导致生物内禀磁性发生显著变化，并直接导致强磁场生物学效应的差异。然而，生物体中除铁和自由基外是否存在其他磁性调控机制并不清楚。张欣课题组与方海平、张峰和叶方富等团队合作，以常见的海藻酸水凝胶为例（图1a-e），发现常规条件下一个钙离子与两个羧基（-COO-）结合会形成经典的无净磁矩的“蛋盒”结构；但当钙离子相对浓度升高时，碳氧双键（-C=O）的π电子离域特性使钙与羧基耦合能量极大提高，单个钙与单个羧基形成相对稳定的“Alg-Ca”复合体，其钙离子只获得一个外层电子，存在未成对电子而呈顺磁性。并且进一步证实了该机制普遍存在于各种富含羧基或酰胺基的水凝胶（如羧甲基壳聚糖、聚丙烯酰胺等）及人体内常见的生物分子中（如透明质酸钠）（图1f）。
该研究揭示了生理浓度下的传统抗磁性的二价阳离子可以通过调控生物分子局部电子结构产生强顺磁性，证实了生物顺磁性可能广泛存在于多种大分子中。该工作不仅为理解生物分子的顺磁性起源和生物磁响应提供了新视角，更指出人们可以通过结构、序列、浓度等参数对此类磁性进行精细调控。这一发现有望为未来磁性生物材料的设计与医学应用提供新思路。
强磁场中心张磊副研究员为共同第一作者，张欣研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域稳定支持青年团队等的支持。合作单位包括华东理工大学、国科大温州研究院、中国科学院物理所、中国科学院微系统所、瓯江实验室、浙江大学、浙大城市学院和上海理工大学等。
文章链接：http://doi.org:10.1038/s41563-025-02477-3
图1.（a）超强顺磁性海藻酸-钙水凝胶示意图；（b）水凝胶被磁铁吸引；（c）海藻酸水凝胶在去离子水中成抗磁性，在CaCl₂溶液中呈强顺磁性；（d）超强顺磁性海藻酸-钙水凝胶M-T曲线，内插图为χ-1-T曲线；（e）无净磁矩的经典“蛋盒”结构（上）和具有净磁矩的“Alg-Ca”单元结构（下）；（f）多种水凝胶质量磁化率，包括富含羧基/酰胺基的羧甲基壳聚糖、聚丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，以及不含羧基/酰胺基的琼脂糖和聚乙烯醇水凝胶，内插图为羧甲基壳聚糖、聚丙烯酰胺和琼脂糖水凝胶在CaCl₂溶液中的M-H曲线。
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