一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法技术

本发明专利技术是一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法，其特点是，它包括理论模型、几何模型和网格条件、边界条件、数值结果等步骤：通过电动纳流体富集的三个基本过程“富集发生‑富集提升‑富集损失”，为后续应用实验提供了更多的、精准的、可控的富集浓度选择；提高峰值电压的“加强双电层排斥作用”这一理念，为电动纳流体富集性能实验的开展提供了实施依据；提升富集峰值电压，揭示了富集浓度、外加电压和纳米通道物性参数之间的关系，为同类微纳流体器件的设计优化提供了理论指导。其科学合理，适用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微纳流体控制领域，涉及一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法。
技术介绍
微流控芯片是具有广阔应用前景的微型生化分析系统，可以显著降低生化检测成本和提高检测效率。然而，目前微流控系统生化反应的效率仍不够理想，因此，需要研究尺度更小、比表面积更大的纳流控系统来克服现有微流控系统在样品快速混合、分离、富集、检测等方面存在的不足。近年来，麻省理工学院Jongyoon Han等人采用纳流体技术获得了百万倍蛋白富集效果。但是，随着富集实验研究的深入，富集稳定性欠佳成为制约电动纳流体富集发展的瓶颈，其实验表现为一种样品输运“控制阀效应”，即纳米通道相当于离子的“通”和“断”控制阀，当电压跨越峰值电压时，“通”控制阀的开启严重影响电动纳流体富集稳定性。研究并揭示电动纳流体“控制阀效应”，从而获得纳米通道样品输运控制方法，是研究电动纳流体富集机理的关键点。目前，常用的研究电动纳流体富集机理的方法主要包括基于双电层交叠排斥富集效应的小分子(如异硫氰酸荧光素等)富集和基于样品尺寸效应的大分子(如蛋白等)富集。双电层交叠排斥富集效应揭示了纳米通道壁面电荷形成的交叠双电层对富集产生的决定性作用，然而，该方法没有给出电压对“富集发生-富集提升-富集损失”的整体性解释。样品尺寸效应引起的富集与本专利技术所叙述的方法在原理上不同。在国内外专利技术专利检索中，涉及到微纳流控芯片中样品富集机理的专利主要有：1、“微纳流控高效富集与纯化芯片及其快速制作方法”(申请号：CN200810196304.4)，该专利采用电击穿方法制作纳米结构，负电荷物质在电场驱动下在纳米通道的一端高效富集。2、专利“一种基于微纳米结构的样品富集芯片、制作方法及富集方法”(申请号：CN200710036415.4)，该专利采用湿法腐蚀方法在玻璃基底上制作微纳结构，并在电场驱动下形成富集。以上专利侧重于研究微纳结构的制作，样品富集则主要归因于双电层排斥作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种科学合理，适用性强的电动纳流体富集损失机理的模拟方法。实现本专利技术目的采用的技术方案是：一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法，它包括的步骤有：第一步：理论模型1)Possion方程 ▿ · ( ϵ r ▿ φ ) = - ρ e ϵ 0 - - - ( 1 ) ]]>采用Possion方程，即泊松方程(1)描述电场电势分布，在微纳通道内电势的分布由外加电场和双电层电势分布耦合而成，空间净电荷密度由方程(2)计算而得： ρ e = Σ k = 1 N ez k n k - - - ( 2 ) ]]>式中，φ为电势、ρe为空间净电荷密度、ε0为真空介电常数、εr为相对介电常数、N为溶液中离子种类数目、e为元电荷、zk为第k种离子的化合价、nk为第k种离子的浓度；2)Navier-Stokes方程采用耦合电场力的Navier-Stokes方程描述流场分布： ρ 0 ( ∂ t u + u · ▿ u ) = - ▿ p + μ ▿ 2 u - ρ e ▿ φ - - - ( 3 ) ]]>式中，ρ0为流体密度、p为压力、μ为流体动力粘度系数、u为流体流速，作用于流体的力包括压力梯度引起的压力差和电场强度引起的体积力3)Nernst-Planck方程在外加电压下，微纳通道中离子输运和浓度分布由Nernst-Planck方程控制： ∂ n k ∂ t + ▿ · j k = 0 - - - ( 4 ) ]]> j k = - ω k z k n k ▿ φ - D k ▿ n k + n k u - - - ( 5 ) ]]>式中，jk、ωk、Dk分别为第k种离子通量、离子淌度、离子扩散系数，离子总通量主要由离子电泳通量、离子电渗流通量、离子扩散通量组成；第二步：几何模型和网格条件采用二维模型进行计算，二维模型由两个微米通道和一个纳米通道组成，微米通道的宽度为1μm、长度为3μm，纳米通道的宽度为50nm、长度为0.5μm，在划分网格时，考虑到流场运动形式是影响离子富集的关键因素，采用梯度式划分网格将微米通道和纳米通道壁面处的网格细化，微米通道中间区域进行粗划以便提高计算效率；第三步：边界条件电场、离子浓度场和流场的边界条件包括微米通道左右端口、微米通道壁面和纳米通道壁面，微米通道左右端口的电场φ左端口＝V，φ右端口＝0，微米通道壁面的电场σmicro，纳米通道壁面的电场σnano；微米通道左右端口的离子浓度场c左端口＝c右端口＝0.1mol/m3，微米通道壁面的离子浓度场j⊥＝0，纳米通道壁面的j⊥＝0；微米通道左右端口的流场p＝0，微米通道壁面的流场u＝0，纳米通道壁面u＝0，其中σmicro和σnano分别代表微米通道和纳米通道的面壁电荷密度，j⊥为通道壁面垂直方向的离子通量；其特征是，还包括的步骤有：第四步：数值结果通过在纳米通道两端施加电压，纳米通道阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法，它包括的步骤有：第一步：理论模型1)Possion方程▿·(ϵr▿φ)=-ρeϵ0---(1)]]>采用Possion方程，即泊松方程(1)描述电场电势分布，在微纳通道内电势的分布由外加电场和双电层电势分布耦合而成，空间净电荷密度由方程(2)计算而得：ρe=Σk=1Nezknk---(2)]]>式中，φ为电势、ρe为空间净电荷密度、ε0为真空介电常数、εr为相对介电常数、N为溶液中离子种类数目、e为元电荷、zk为第k种离子的化合价、nk为第k种离子的浓度；2)Navier‑Stokes方程采用耦合电场力的Navier‑Stokes方程描述流场分布：ρ0(∂tu+u·▿u)=-▿p+μ▿2u-ρe▿φ---(3)]]>式中，ρ0为流体密度、p为压力、μ为流体动力粘度系数、u为流体流速，作用于流体的力包括压力梯度引起的压力差‑▽p和电场强度引起的体积力‑ρe▽φ；3)Nernst‑Planck方程在外加电压下，微纳通道中离子输运和浓度分布由Nernst‑Planck方程控制：∂nk∂t+▿·jk=0---(4)]]>jk＝‑ωkzknk▽φ‑Dk▽nk+nku      (5)式中，jk、ωk、Dk分别为第k种离子通量、离子淌度、离子扩散系数，离子总通量主要由离子电泳通量、离子电渗流通量、离子扩散通量组成；第二步：几何模型和网格条件采用二维模型进行计算，二维模型由两个微米通道和一个纳米通道组成，微米通道的宽度为1μm、长度为3μm，纳米通道的宽度为50nm、长度为0.5μm，在划分网格时，考虑到流场运动形式是影响离子富集的关键因素，采用梯度式划分网格将微米通道和纳米通道壁面处的网格细化，微米通道中间区域进行粗划以便提高计算效率；第三步：边界条件电场、离子浓度场和流场的边界条件包括微米通道左右端口、微米通道壁面和纳米通道壁面，微米通道左右端口的电场φ左端口＝V，φ右端口＝0，微米通道壁面的电场σmicro，纳米通道壁面的电场σnano；微米通道左右端口的离子浓度场c左端口＝c右端口＝0.1mol/m3，微米通道壁面的离子浓度场j⊥＝0，纳米通道壁面的j⊥＝0；微米通道左右端口的流场p＝0，微米通道壁面的流场u＝0，纳米通道壁面u＝0，其中σmicro和σnano分别代表微米通道和纳米通道的面壁电荷密度，j⊥为通道壁面垂直方向的离子通量；其特征是，还包括的步骤有：第四步：数值结果通过在纳米通道两端施加电压，纳米通道阴极区内样品在纳米通道双电层排斥作用下不能顺利通过纳米通道，而在阴极区内发生富集，即富集发生；通过提高外加电压，纳米通道阴极区内样品富集浓度不断提升，即富集提升；当外加电压高于峰值电压时，峰值电压是指峰值富集浓度所对应的外加电压，样品富集浓度开始下降，即富集损失。...

【技术特征摘要】
1.一种电动纳流体富集损失机理的模拟方法，它包括的步骤有：第一步：理论模型1)Possion方程 ▿ · ( ϵ r ▿ φ ) = - ρ e ϵ 0 - - - ( 1 ) ]]>采用Possion方程，即泊松方程(1)描述电场电势分布，在微纳通道内电势的分布由外加电场和双电层电势分布耦合而成，空间净电荷密度由方程(2)计算而得： ρ e = Σ k = 1 N ez k n k - - - ( 2 ) ]]>式中，φ为电势、ρe为空间净电荷密度、ε0为真空介电常数、εr为相对介电常数、N为溶液中离子种类数目、e为元电荷、zk为第k种离子的化合价、nk为第k种离子的浓度；2)Navier-Stokes方程采用耦合电场力的Navier-Stokes方程描述流场分布： ρ 0 ( ∂ t u + u · ▿ u ) = - ▿ p + μ ▿ 2 u - ρ e ▿ φ - - - ( 3 ) ]]>式中，ρ0为流体密度、p为压力、μ为流...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊尧，徐征，刘冲，王福旺，刘宇，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22