第32 卷

    2004 年8 月

    分析化学(FENXI HUAXUE) 研究报告

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第8 期

    988～992

    弯管电渗流场的数值模拟及研究

    聂德明1 林建忠

    3 1 石 兴2

    1 ( 浙江大学力学系,流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027)

    2 ( Department of Mechanical Engineering , National University of Singapore , Singapore 119260)

    摘 要 给出了管道中电渗流的物理模型和数学方程,采用坐标变换和有限差分法对电渗流场进行了数值

    模拟,对直管和180°弯管数值模拟的结果与现有的结果符合较好。在此基础上,对180°弯管的内壁形状进行

    改进,弯道内壁的弧半径增加了12. 5 % ,使内外壁弧长更接近并对其进行了数值模拟,结果发现这种改进能

    提高弯道电渗流场内外壁之间速度分布的均匀度,因而提高电泳分离的分辨率。

    关键词 电渗流,速度分布,均匀,数值模拟

    2003209227 收稿;2004204219 接受

    本文系国家自然科学基金重大项目资助课题(No. 20299030)

    1 引 言

    随着微系统技术的发展,利用电渗流驱动流体在微管道中流动逐渐受到关注。在微流体系统中,由

    于电渗流具有压力流无法比拟的优点,因此在生物和电泳芯片中,得到了广泛的应用,是目前最成功的

    微流体驱动和控制方法之一。

    在微米乃至纳米尺寸的微流装置中,与压力驱动流相比电渗流具有以下优势1 ,2 : (1) 在很大范围内电

    渗流速度与管道或槽道的横向尺度无关,有利于微尺度下流体的驱动和控制;而在压力驱动流中,为了保

    证一定的流速,所需的压力梯度与管道或槽道的横向尺度的平方成反比。(2) 与压力驱动流速度的抛物线

    分布不同。电渗流的速度剖面呈活塞状,横向的速度梯度很小,除了靠近壁面很小一部分外,其余地方的

    速度几乎相同。在这种均匀流场中,生物样品或化学试剂经过很长距离所产生的浓度扩散很小,有利于样

    品的传输和分离。Harrison 等3 用电渗流来驱动微流体,成功地实现了微芯片上的电泳分离实验。这种技

    术已被广泛应用于生物芯片等微型化学分析系统中样品的传输和控制4 ......