单-复纳米通道富集耗散效应的数值模拟.docVIP

单/复纳米通道富集耗散效应的数值模拟 孔高攀 余群 李战华* 中国科学院力学研究所非线性国家重点实验室,北京 100190 （Email：lili@imech.ac.cn） 摘要: 微纳管道在样品富集上显示出独特的优势,并在DNA和蛋白富集器件上有广泛应用。为了提高富集效果，对其富集机理需要深入了解。目前已有的相关实验研究内容十分丰富[1,2,3,4,5],理论方面也有很多对机理的探索，主要分析电泳电渗对浓度分布的贡献[6]，但由于这种微纳系统中包含电场、流场和浓度分布，并且三者之间耦合作用，增加了理论分析的难度。已有使用数值模拟的方法来探讨富集耗散效应 [7]，模型仅使用单根纳米管道来连接微米管道，这与绝大多数实验中采用纳米管道阵列连接不同，无法预测纳米管道之间的相互影响，以及纳米管道相互作用对整个富集耗散效应的影响。本文使用连续性模型模拟纳米管道阵列连接的微纳复合管道中的富集耗散效应，并与单根纳米管道的计算进行比较，以期加深对富集耗散效应机理更深的理解。 本文将采用Navier-Stokes方程和Poisson-Nernst-Planck方程，在微纳复合管道中计算流动启动过程的浓度c、电势Ψ、电场E、流动速度v和压力分布p。用有限元方法计算研究DP和ER区的形成，DP区扩展与涡旋流动的关系及压力分布与涡旋的关系，阵列纳米管道在微纳米结合管道中的作用。 模拟结果发现，与单纳米通道（图1）不同，阵列纳米管道连接的微通道会出现第二对涡对（图2），并逐渐占据微纳结合部中心区域，将第一对涡对挤出并压扁在两端的纳米管道口外侧，纳米管道阵列压力分布会发生压力的转换分布。 图1 单纳米通道 t=5×10-6s流场流线图 图2 阵列纳米通道 t=5×10-5s流场流线图 图3和图4为缓冲液浓度分布，在同样外加电压同时间内，单纳米通道连接的微通道的富集强度更高，而阵列纳米通道连接的微通道的富集量更多。 图3 单纳米通道t=5×10-5s时, C-浓度 图4阵列纳米通道t=5×10-5s时,C-浓度 感谢国家973项目NBRP(2007CB714501)1.S.M Kim,M.A. Burns, and E.F.Hasselbrink,Anal.Chem.2006,78,4779-4785 2.Hui Yu,Yu Lu,Yi-ge Zhou Feng-bing Wang Feng-yun He and Xing-hua Xia, Lab on a Chip,2008,8,1496-1501 3.Kuan-Da HuangRuey-Jen Yang,Microfluidic Nanofluidic,2008,5 631-638 4.S.J.Kim,Y-C.Wang,J.H.Lee,H.Jang,and J.Han PRL,2007,99,044501 5.K.Zhou,M.L.Kovarik,and S.C.Jacobson J.AM.CHEM.SOC.2008,130,8614-8616 6. Pu.Q.,Yun.J.,Temkin.H.,Liu.S., Nano Lett. 2004,4,1099-1103 7.X.Jin, S.Joseph,E.N.Gatimu,P.W.Bohn,and N.R.Aluru Langmuir 2007,23,13209-13222