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不同壁面材料微管道中的电渗速度测量 余 群 李战华 （中国科学院力学研究所 LNM 实验室 北京 100080） 摘要：理论上电渗流具有柱塞状速度剖面。本文利用Micro-PIV系统，测量了不同材料壁面组成的微流道 中的电渗流速度剖面。壁面材料为PDMS 和玻璃，微管道几何尺寸为 50μm ×20μm 。实验测量了管道不同 深度ｚ处 10 个水平截面的速度分布。当管道侧壁材料相同时，水平速度剖面呈柱塞状分布。而管道上下壁 面为不同材料时，壁面附近的电渗速度存在差别，造成速度沿 z 方向非对称分布。 关键词：电渗流；微粒子图像测速；微管道 １ 引言 电渗是电动分离过程中的一个重要方式。固、液接触时，由于离子化、离子吸附和离子 溶解等复杂的化学作用，固体表面会产生电荷。这些表面电荷反过来又影响极性溶液中的离 子分布，形成双电层(EDL)。在外加电场强度的作用下，由于离子的溶剂化作用，或粘性力 的作用，当形成扩散层的离子发生迁移时，这些离子就会携带着液体一同移动，形成了电渗 流。这一电动理论在许多微流控系统中得到应用 ［１－４］ 。理论分析和实验研究表明，在壁面性 质一致的通道中，电渗流速度剖面成“柱塞”状，有利于提高微分析系统样品的分析准确度。 因此，在 DNA 分析和样品检测中得到广泛应用。 但 Microfluidic 中，微流道的材料和制作工艺不同，难以保证壁面性质的一致性。因 此，需要了解不同壁面材料对电渗流速度的影响。 流场速度测量可以参与粒子图像测速技术（PIV ）。Santiago(1998)[5]等最早将 PIV 方法应 用于微尺度下流体运动观测。Meinhart(1999)[6]等利用微观粒子图像测速技术（MicroPIV ）实 现了 30μm×300μm 矩形微管道内压力驱动下的速度观测。Cummings(1999) [7]使用 Ar 离子激 光器捕捉了电动驱动下的流动形态，结果表明，微管道壁面电荷影响了速度分布。聚二甲基 硅氧烷(PDMS)因表面具有惰性和憎水性[8] [9] ，电渗流的大小和稳定性均低于玻璃或石英材料 。 电渗流强烈地依赖于系统的物理化学性质，如固壁的表面特性、缓冲液浓度、PH 值，外加 电场强度等，这些因素加大了电渗流实验的控制难度。 本文主要利用微观粒子图像测速技术测量了不同外加电场强度下，不同深度处，由不同 材料壁面组成的 50μm×20μm 微流道中的电动速度剖面，剖面基本符合理论上的“柱塞”型。 实验进一步给出了沿深度 z 方向上的电动流场速度曲线，并且分析计算了粒子靠近不同材料 壁面附近的电动淌度，由此反推出，PDMS 和玻璃在此实验条件下表面的 Zeta，及该速度分 布形成的可能原因。 2 电动流模型 外加电场的作用下，扩散层中的带电离子定向移动，在粘性力的作用下带动整个管道中 的溶液移动，形成电渗流。电渗流控制方程如下： r ⎛∂V r r⎞ 2 r r （1） V V P V E + •∇ =−∇ + ∇ + ρ⎜ ( ) ⎟ μ ρe ⎝ ∂t ⎠ r 其中：ρ 为液体的密度， μ 为液体黏度，E 为外加电场强度，ρ 为液体中的电荷密度， e 在定常、无压力梯度影响下的充分发展电渗流中，方程（1）只由电动力和粘性力项决定。 [10] 电渗速度公式如下 ： εςE （