论文部分内容阅读
纳流控学科中,芯片上的微纳微管道是形成离子浓度极化的一个基本途径。浓度极化现象的形成取决于实验条件等多种因素。为了加深对纳流控中浓度极化的理解,分别就基本概念、离子静电分布规律、离子淌度、电渗流速度与基本理论组成进行探讨,并通过离子速度矢量关系来判别离子浓度极化的基本规律。本论文旨在对纳流控中形成浓度极化的现象提出基本判据,为后来的研究人员起理论指导作用。 双电层理论和德拜层理论是静电分布一个主要特征,它们对纳米管道的电势分布起决定性的作用。本文提出了一种对传统的德拜长度概念进行改进,可以更准确计算德拜长度的新模型。这个模型依然采用泊松-波尔兹曼方程,并考虑了泽塔电势与溶质化合价比例,利用数值分析方法求得离散解。最后,通过数据得到德拜层实际长度,误差控制在1%以内。这样,得到的德拜长度远远大于经典德拜长度。其结果与实验数据相对比,根据新定义得到的数据更准确。 通过对德拜层内电渗流速度的分析,本文得到了不一样的电渗速度轮廓。这个速度轮廓考虑了在德拜层内,在垂直方向上不同的位置,所以具有不同的电渗速度。并且速度轮廓是抛物线形状,这与传统的H-S方程完全不一样。因为通过改进的方程考虑了摩擦因素,导致电渗流最大速度不是位于德拜层界面,而是存在于德拜层内部。这也同时为说明电渗流平均速度打下了有利的基础。为理论的电渗速度值与实际应用实验中测量的数值差距巨大的原因提供了基础依据。 基于有效德拜层长度的基础上,本文提出了德拜层重叠时,电势与离子浓度的分布曲线。当矩形管道的两个德拜层长度加一起,超过管道高度的时候,就形成了重叠德拜层。经过实验验证,在德拜层重叠的情况下,泊松---波尔兹曼方程依然有效。这样,本文依据固有的边界条件,求出德拜层重叠下电势分布。结果表明:德拜层重叠的系数越大,管道中心电势升高越快,相应的壁面的泽塔电势也随着增加。但是增加的幅度远远小于中心电势的增加量。根据电渗流公式,这样的重叠起了减少电渗速度的作用。这与实验结果很相符。 对于离子淌度的测量,传统的电流检测法对于纳米管道有些笨拙,因为需要计算对电流的测试结果有巨大影响的因素——电导。实验表明,电流检测法对电渗流速度的监控还是准确的。但是对于测量电泳,也就是间接测量离子淌度,有很大的困难。因此,本文采用文献中荧光测速法来得到离子的电泳速度。离子在显微镜下的速度包括了电泳速度和电渗速度。同时在缓冲液中加入中性荧光剂就可以直接测到电渗流速度。接下来就是利用测到的离子速度减去电渗流速度,就得到离子的电泳速度。除以电场强度就得到了离子淌度。 在浓度极化的实验中,建立的模型一般是通用的模型,有着分析简单,加工容易的特点。在通用的微纳微管道中,电场强度的分配是一个主要问题,它决定着微纳管道内各自的体速度。本文针对电流一致的电路学原理,对管道电势分配做了理论推理。同时得到了具体的表面电荷密度的计算方法。这个计算方法简化了计算电导的过程。针对微纳管道内具有不同的电渗速度,本文提出了感应压力流的概念。这个感应压力流是用来协调微纳管道间体速度,这满足流体的流量守恒定律。 针对微纳微管道内浓度极化的现象,本文提出了准确的判据。考虑到阴阳离子在管道中不同的运动规律,分别提出了不同的判据标准。同时,说明了离子推挤或消失是从微纳管道界面开始的。推理的结果表明,阳离子不能堆积在阳极一侧。阴离子在两侧都有可能。同时,依据推理结果,离子浓度极化需要在离子浓度较低情况下,一般不超过50mM的溶液浓度。另外,堆积与消失现象是同时发生的。而荧光离子堆积不代表溶质离子也会堆积。最后,离子浓度极化判据经过发表过实验进行检验,得到的结论都是准确的。这验证本文浓度极化判据是非常准确的。