模拟电渗流和双电层

微流控设备非常小，因此控制和混合设备内液体的微泵和微混合器不能包含任何移动部件。作为替代，它们必须利用电渗流工作。这篇博客，我将介绍电渗流和双电层的概念，以及如何在 COMSOL 中建立这些模型，并演示 2 个实例模型。

微流控设备需要无移动部件的泵和混合器

近年来，微流控片上实验室系统在将传统的实验室规模的化学和生物分析的尺寸缩小到毫米到几厘米大小的片上形式上发挥了重要作用。这些设备通常被称为微型全分析系统（μTAS），并在医疗诊断、药物测试和输送、法医分析、DNA 分析，甚至免疫分析和毒性监测等方面都有着深度应用。由于尺寸极小，这些设备具有如即时检测（POCT）和诊断等众多优势。微流控设备需要的液体体积更小，适用于没有大量样品或试剂昂贵的应用。这些设备还可以一次处理多个样本（称为并行处理），并且对功率的要求低。

在典型的片上实验室系统中，片上混合和流体控制非常重要，通常这些系统需要使用微泵来控制通道内的流体流动，以及微混合器来加速混合过程。这些芯片中的流体通道的尺寸通常在 1µm 到 500µm 之间变化。在这种长度尺度上，使用任何移动部件来建造泵和混合器都是不实际的。没有移动部件的设备也更加可靠。那么，如何在没有任何移动部件的情况下激活流动？答案是：电渗。

什么是“电渗”？

在微流控领域，流动通常由电场驱动。顾名思义，电渗指由外加电势引起的液体在微通道上的运动。用电场驱动流动，可以制造出没有移动部件的泵和混合器。

是什么在驱动电渗流动？

为了更好地理解电场是如何驱动流动的，我们首先要了解在微通道内非常靠近壁的地方，即流-固界面处发生了什么。大多数的片上实验室设备是由硅玻璃制成的。当与流体（可以是水或任何缓冲溶液）接触时，玻璃表面参与酸碱反应和离子交换——我们把这个复杂的过程称为表面化学。由于表面化学作用，玻璃表面获得负密度电荷。为了对这种表面化学进行连续描述，引入了双电层的概念。双电层反映了流-固界面处的不均匀的电荷（离子）分布，且在物体表面分为两层：

1. 第一层，被称为表面电荷层，是由于化学反应而被表面吸收的离子（在这种情况下是负电荷）组成的。
2. 第二层，被称为扩散层，由受电吸引力和热运动的影响而被吸引到表面的自由离子组成。第二层电荷屏蔽了表面电荷，其净电荷与表面电荷相等，但极性相反。

双电层。

上图总结了双电层的结构，显示了离子的分布是到玻璃壁面距离的函数，以及双电层中的电位（上面的蓝线）与电中性体中的一个点的关系。如果我们仔细观察扩散层，可以注意到它可以进一步被分成由滑动平面隔开的两部分。这个平面将左边的不动的流体（附着在表面上）与在切向应力影响下自由运动的流体分开。然后，由于库仑力的作用，可以使用电场来诱导双电层中净电荷的运动。离壁更远的地方是第三层，即电中性体。

由于在微流体通道中很难在不破坏流动的情况下进行任何形式的测量，所以通常从计算的角度对这些芯片进行分析。那么，如何使用仿真软件对其进行建模呢？

双电层模拟

这个问题包含三个物理场：

1. 静电物理场包含方程、边界条件和空间电荷，用于求解电势问题。电场是由电势场(E=-\nabla V)的梯度恢复的。空间电荷是由阴阳离子的贡献加起来得到的。这些离子的浓度是通过稀物质传递接口计算出来的。
2. 稀物质传递接口求解了混合物中稀释物质的质量输送问题，求解了物质浓度问题。化学物质是通过扩散（菲克定律）、迁移（当与电场耦合时。在这种情况下，电场由静电接口计算）和对流（当与流体流动耦合时。在这里，流体流动是由层流接口计算的）模拟的。
3. 层流接口有方程、边界条件和体积力，使用的是纳维-斯托克斯方程边界条件模拟自由运动的流体，求解速度场和压力问题。体积力\rho_{e} E，其中\rho_{e}是电荷密度，由静电接口计算。

双电层的厚度一般在几纳米左右，离子浓度在壁附近呈指数级变化。由于双电层的厚度非常小，在这个区域使用近似值可能是有利的。COMSOL 包含一个电渗速度边界条件，它忽略了壁面和滑动平面之间的流场，并根据 Zeta 电位用 Helmholtz-Smoluchowski 关系分析计算壁面的速度：

由此创建的模型的计算要求将大大降低。对许多实际工程应用来说，这是一种非常有用的方法。

因此，我们建议您在使用 COMSOL Multiphysics 建立模型之前，首先计算德拜长度，即双电层的长度。如果这个长度比要模拟的几何长度尺度小得多，就使用电渗速度边界条件。如果不是，则使用传统的无滑移速度壁边界条件，并求解双电层中的流动问题。请记住，浓度随双电层的电位呈指数变化；如果不使用电渗速度边界条件，就必须使用细的边界层网格来求解双电层的突然变化。

在下一节中，我将向大家展示两个适用于此方法的例子。第一个例子是一个微型泵，它在整个几何中被解析，包括双电层。第二个例子，是一个使用电渗速度边界条件的微混合器。

应用实例

示例1：微泵

在这个例子中，微通道（长 60nm，高 10nm）的上下壁均带负电(-0.02C/m^{2})，在入口（左边界，6mV）和出口（右边界，0V）使用电极驱动流动。由此产生的电势、空间电荷分布和速度场如下图所示：

用静电物理场接口计算的可视化电势图。

净空间电荷的绘图，即阴离子和阳离子的贡献之和。带正电的净电荷屏蔽了带负电的壁。

速度绘图显示了在库仑力的作用下，双电层中净电荷的运动。

为了介绍下一个例子，即微混合器，让我们先看看当上部和下部玻璃壁的部分（在下一幅图中以蓝色显示）带正电 (0.06C/m^{2}) 而不是负电时会发生什么：

电势、空间电荷和速度场的模拟结果如下所示：

虽然空间电荷在带负电的壁周围带正电，但在带正电的壁面周围是负的。空间电荷的反转导致壁附近的电渗速度相反。这种相反的近壁速度导致在通道中引入漩涡（如流线图所示），这可以用来混合不同的化学物质。

例2：微混合器

在微观层面上，流动通常是高度有序的层流，湍流的缺乏使得扩散成为混合的主要机制。虽然小分子（以及快速扩散的物质）的扩散混合可以在几十微米的距离内发生，但较大的分子，如肽、蛋白质和高分子量的核酸的混合可能在可比的距离内需要几分钟到几小时的平衡时间。对于许多化学分析来说，这种延迟是不切实际的。这些问题导致对微流控系统的更有效的混合器的强烈需求。在下面的例子中，壁是带负电的，就像我们刚看过的微泵例子一样，在入口（左边边界）和出口（右边边界）使用电极来驱动流动。为了引入一些混合，四个额外的电极被放置在混合室的壁上。这四个电极在壁上引起波动的电渗速度：

说明混合器如何运行的示意图。在入口处使用了两种不同浓度的流体来研究混合过程。

当不施加电场时，流动为层流，扩散系数非常小，所以两种流体在出口处分离良好。

当施加交变电场时，由于流动中的交变漩涡，混合大大增加。

结束语以及后续操作

这篇博客简要介绍了电渗流和双电层的概念，并演示了如何在 COMSOL 中对这类问题进行建模。如果你想了解更多关于电渗微混合器模型的信息，可以从 COMSOL案例库中下载该模型和模型文档。您可以在此处了解 COMSOL 微流体模块的整体介绍，或者联系我们，了解如何使用 COMSOL Multiphysics 为各种应用建模的更深入的信息。

最后，别忘了 COMSOL 是一个多物理场仿真软件，具有将这个模型中的物理场与其他物理场结合起来的能力。例如，加入粒子追踪物理场，可以对电动力学现象进行建模，如电泳和介电泳。