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基于双电层理论的纳流控通道内离子运输特性的研究

作　者: 肖玉
导　师: 巴德纯；刘坤
学　校: 东北大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 纳流控芯片双电层离子传输理论研究
分类号: O368
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微流控技术在过去的二十年开始兴起,并且已经实现了对微米通道中流体的控制。当我们把流体通道进一步缩小到纳米尺寸时,由于纳米尺寸接近于生物分子的尺寸并且与德拜长度相当,所以出现了许多宏观所没有的现象,如通道内双电层的部分重叠、粘度的增加等,吸引人们展开有关通道性能、流体力学等的基础理论研究。纳流控技术在样品分离、化学分析以及生物医学等领域呈现出了广阔的发展趋势,其影响也将日益增强。随着纳流控芯片的快速发展,电渗流在纳流控设备中的应用也逐渐广泛,它常被用作驱动力来控制纳米流道中流体的流动和传输,电渗流因具有其独特的优势在纳流控芯片领域占据重要的地位。本文主要以纳流控通道内的电解液为研究对象,研究的是基于双电层理论的纳流控通道内离子的分布和离子的传输特性,本文的主要工作包括以下几个部分：对纳流控芯片进行了简介,阐述了纳流控技术的由来以及纳流控芯片的构成,分析了纳流控芯片的特点以及纳流控芯片的应用领域。纳流控技术是研究在纳米尺寸(1—100nm)结构中流体的操纵技术与科学。近些年,纳流控技术在国外已展开理论研究和实验研究,已经获得了一些成果。但是在国内的研究仍是少数,现在国内的纳流控的研究方向主要是纳流控芯片的制作方法以及采用分子动力学方法研究纳流控通道的相关理论。本文在前人工作的基础上确定了要研究的目标,提出了所要研究的内容为纳流控通道内离子的电势和浓度分布以及离子的传输特性的研究。分析了固液界面接触时的动电现象,深入阐述了表面电荷形成机理、双电层模型以及双电层之间的相互作用,并初步研究了动电效应。本文主要以纳流控通道内的电解液为研究对象,而当纳流控通道与电解质溶液时,会发生一些界面现象,而在纳流控的研究当中,这些界面现象不容忽略。固体与液体接触时,会发生润湿现象,同时固体将会从溶液中吸附溶质。而当固体和液体两种物质的结构及性质的差异,往往会导致在固液界面两侧出现电量相等而符号相反的电荷而使界面带电。一般认为带电的机理是：电离、吸附、极化、摩擦接触等等。当固体表面带电时,还会吸引与表面电荷相反的水溶液中的离子在其周围形成双电层。双电层的模型主要有4种：Helmholtz模型、Gouy—Chapman模型、Stern模型和Grahame模型。固体与电解质溶液相接触,使固体表而带电并形成双电层结构。当固体与溶液相对移动时,就会发生动电现象。动电现象是指外电场和双电层的可运动部分相互作用导致的四种现象,它们是：电渗、电泳、沉降电势和流动电势。在流体的连续性假设的基础上,我们建立了纳流控的物理模型和数学模型,通过模型的简化,采用Poisson-Boltzmann方程分析了一维纳流控通道内溶液的离子环境。通过推导以及matlab求解,得到一般情况下纳米通道内溶液的离子的电势分布和浓度分布,并画出了溶液的离子的电势和浓度分布图,分析了离子的电势和浓度分布与溶液浓度、表面电荷密度和纳米通道高度之间的关系。当溶液流动充分发展时,我们用平衡时的离子的电势分布和浓度分布计算纳米通道内离子的运输特性。采用修正的N-S方程分析了一维纳流控通道在采用电场力驱动的情况下的离子的运输特性,通过推导以及matlab求解,得到了溶液的电导和流速的公式。通过分析得到电导随表面电荷密度和电解质溶液浓度的变化曲线,以及流速随溶液浓度和外加电场强度的变化曲线。通过理论推导结果与文献实验结果的对比,验证了纳流控通道内离了环境和传输特性的理论。阐述了纳流控芯片的制作方法并介绍了文献当中用于实验的纳流控芯片结构,介绍了研究离子运输理论的实验方法,主要是：(a)荧光检测(b)测量通道内离子电导,然后通过这两种方法得到的文献实验结果与理论计算结果对比,发现了本文推导的理论结果与文献的实验结果基本符合,进一步验证了本文推导的理论结果的正确性与有效性。最后对本文的研究工作进行了总结,并对相关问题进行了展望。本文的研究工作是对微观流体理论的进一步充实,将对纳流控技术的应用起到一定的指导作用。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-26
  1.1 纳流控简介  14-23
    1.1.1 纳流控的由来与结构  15-16
    1.1.2 纳流控的特点  16-20
    1.1.3 纳流控的应用  20-23
  1.2 研究目的和内容  23-26
    1.2.1 研究目的  23-24
    1.2.2 研究内容  24-26
第2章表面电荷与双电层  26-42
  2.1 固液界面  26-29
    2.1.1 固体表面的润湿  26-27
    2.1.2 固体表面对溶液中溶质的吸附  27-29
  2.2 表面电荷  29-30
    2.2.1 电离作用  29
    2.2.2 离子吸附  29-30
    2.2.3 离子取代  30
    2.2.4 摩擦接触  30
  2.3 双电层  30-34
    2.3.1 双电层概念  30
    2.3.2 双电层模型  30-34
  2.4 动电效应  34-39
    2.4.1 电渗  35-37
    2.4.2 电泳  37
    2.4.3 流动电势  37-38
    2.4.4 动电现象间相互关系  38-39
  2.5 本章小结  39-42
第3章纳流控通道内离子运输的模型建立  42-64
  3.1 基本原理与假设  42-44
    3.1.1 流体的连续介质假设  42-43
    3.1.2 静电场的Poisson方程  43-44
  3.2 理想模型  44-45
    3.2.1 物理模型  44
    3.2.2 数学模型  44-45
  3.3 纳流控通道内的电势分布  45-55
    3.3.1 控制方程  45-46
    3.3.2 方程求解  46-55
  3.4 纳流控通道内的流场  55-62
    3.4.1 控制方程  55-56
    3.4.2 方程求解  56-62
  3.5 本章小结  62-64
第4章模型计算结果与文献实验的对照  64-74
  4.1 制备纳流控芯片  64-65
  4.2 实验方法  65-66
    4.2.1 荧光检测  65-66
    4.2.2 测量通道内离子电导  66
  4.3 文献实验结果与理论结果的对照  66-72
    4.3.1 荧光检测与理论结果对照  66-71
    4.3.2 测量离子电导与理论结果对照  71-72
  4.4 本章小结  72-74
第5章总结与展望  74-76
  5.1 总结  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-82
致谢  82-83

基于双电层理论的纳流控通道内离子运输特性的研究

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