| 压力驱动双膜离子浓差极化系统中带电粒子分离与富集数值模拟研究 |
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| 引用本文： | 勾易行, 孙国伟, 孙润泽, 李子瑞. 压力驱动双膜离子浓差极化系统中带电粒子分离与富集数值模拟研究. 力学学报, 2024, 56(5): 1241-1250. doi: 10.6052/0459-1879-23-601 |
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| 作者姓名： | 勾易行 孙国伟 孙润泽 李子瑞 |
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| 作者单位： | 河北工业大学机械工程学院, 天津 300401 |
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| 基金项目： | 国家自然科学基金 12302353,12072100;河北省高等学校自然科学研究青年拔尖人才 BJK2023016;中央引导地方科技发展资金 226Z1701G 资助项目; |
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| 摘 要： | 
微纳流体器件中的离子浓差极化现象可以高效富集低浓度粒子, 但多种粒子的富集与分离仍然存在分离效果差的问题. 文章提出了一种基于离子浓差极化现象的粒子分离与富集系统, 该系统通过设置两个离子交换膜构建两个微纳界面调控带电粒子所受的电场环境, 以DNA和牛血清白蛋白(BSA)为例, 依据不同淌度粒子所受电场力和流体曳力的竞争机制使得DNA和BSA在不同膜前富集, 进而实现二者的区位分离. 数值模拟分析了外部压力和不同离子交换膜跨膜电压的影响, 其中, 入口压力控制通道内的流体流速以影响粒子所受的流体曳力, 跨膜电压调节离子浓差极化现象以影响粒子所受的电场力. 数值模拟分析表明, 双膜系统的分离机制为不同耗尽区产生的高电场对两种粒子施加的电场力与其本身所受的流体曳力的竞争作用, 即在第一个膜前BSA所受的电场力小于流体曳力, 而DNA的受力则相反.
同时, 本文揭示了离子浓差极化形成下带电粒子在压力驱动双膜系统的富集机制. 结果表明, 当Vcm1 = 5VT, Vcm2 = 10VT, P0 = 400 Pa时, DNA和BSA可实现高效的区位分离且二者的富集倍数可分别达到1.2 × 105和6.0 × 104, 这将为多带电粒子的同时富集并分离及多级离子浓差极化级联系统设计提供新的思路和理论指导.
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| 关 键 词： | 微纳流控 离子浓差极化 双膜系统 粒子分离 粒子富集 |
| 收稿时间： | 2023-12-15 |
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