基于微/纳流道界面诱导空间电荷层极化的非线性电渗微流体驱动机制和实验研究

Microbioreactor is an important microfluidic technology, since we can obtain protein, generate biological energy, conduct immunoassay, dispose clinical samples and so on inside it. A balanced and stable environment of microbioreactor is the essential condition for achieving its function, while the complicated detection and operation in current solutions are not only time-consuming, but limit its development towards integration as well. Microfluidic pumps can transport fresh biofluid to microbioreactors, and carry away the metamorphic media, which is a simpler way to maintain the equilibrium and stability of its internal environment, while it is hard for existing pumping methods to satisfy its multiple requirements at the same time. A novel nonlinear electroosmotic pumping effect based on polarization of extended space charge layer at the micro-/nano- channel interface has substantial driving force for microfluidics, and is expected to resolve the issue aforementioned. In this project, we first establish the double-layer polarization model of nanofluidic channels according to ion perm-selective transport inside nanochannels made of different materials; Then, the forming process of ion depletion region in the microchannel is investigated; Next, on the basis of electrolyte pumping experiment, multi-scale fully coupled dynamics model is erected; At last, integrated pumping network with microbioreactors is constructed, validating the reliability and stability of this approach. This project involves the origin of polarization behavior of the induced space charge layer, which provides an effective power force of media pumping for maintaining the balance and stability of interior environment of microbioreactors.

生物微反应器是一项重要的微流控技术，在其内部能够获取蛋白质、产生生物能量、进行免疫检测、处理临床样本等。生物微反应器中均衡稳定的环境是其功能实现的重要条件，而目前解决方法中复杂的检测和操作不仅耗时费力，还限制了其集成化发展。微流体泵能够将新鲜的生物流体泵送至生物微反应器，将变质的媒介运走，是一种更为简单的维持其内部环境均衡稳定的方法，但是现存的泵送方式很难同时满足其多方面要求。基于微/纳流道界面延伸空间电荷层极化的新型非线性电渗效应具有可观的流体驱动力，有望解决上述问题。本项目首先基于不同材料纳流道内离子选择性输运建立纳流道极化模型；然后研究离子耗尽区的形成过程；其次基于电解液驱动实验建立跨越多尺度的全耦合动力学模型；最后搭建包括生物微反应器的集成泵送网络，验证该方法的可靠性和稳定性。本项目涉及空间电荷层极化行为的本源，将为生物微反应器均衡稳定内部环境的维持提供一种有效的媒介泵送动力源。

生物微反应器是一项重要的微流控技术，在其内部能够获取蛋白质、产生生物能量、进行免疫检测、处理临床样本等。生物微反应器中均衡稳定的环境是其功能实现的重要条件，而目前解决方法中复杂的检测和操作不仅耗时费力，还限制了其集成化发展。微流体泵能够将新鲜的生物流体泵送至生物微反应器，将变质的媒介运走，是一种更为简单的维持其内部环境均衡稳定的方法，但是现存的泵送方式很难同时满足其多方面要求。基于微/纳流道界面延伸空间电荷层极化的新型非线性电渗效应具有可观的流体驱动力，有望解决上述问题。本项目首先基于不同材料纳流道内离子选择性输运建立纳流道极化模型；然后研究离子耗尽区的形成过程；其次基于电解液驱动实验建立跨越多尺度的全耦合动力学模型；最后搭建包括生物微反应器的集成泵送网络，验证该方法的可靠性和稳定性。此外，揭露了多种非线性电渗泵送模态，以此为出发点对本课题进行了拓展。研究了旋转电场中的电热流体对流现象，探索了诱导在电场中心的水平行波电热旋涡分量的力学行为特征。提出了在一个金属-介电Janus纳米孔中产生可调表面电荷的一种独特机制，以用于开发纳米流体离子二极管。从理论的角度提出了一种全新的行波场效应电渗控制方法，以实现流体的同时泵送和混合。提出一种利用直流偏置交流电场驱动的液态金属电毛细流动来泵送室温离子液体的方法。提出了发生在驱动电极阵列表面的多频诱导电荷电渗的独特概念。引入了一种通过混合电动力学实现纳米颗粒的连续输运和局部化收集的有效微流控方法。研究了利用感应电荷电动现象来实现一径直的离子浓度极化系统中稀释电解液离子输运的灵活控制。提出了多频电热诱导流动的独特物理机制，作为微流控系统中液体和胶体混合物的一种全新的操控工具。上述研究无疑将为生物化学领域的贵颗粒处理、超低浓度样本分析、细胞学研究以及可控反应等提供重要的新型技术支持，同时也有望在机械学超精密磨削或抛光领域发挥作用。