1.简介
过去几十年来，用于分析化学和生物样品的微/纳米流体系统的研究急剧增加[1,2,三,4,5,6,7,8,9]. 对各种微/纳米器件进行了各种实验研究；例如，微量总分析系统（µTAS）、样品预浓缩器和DNA分析仪[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. 众所周知，在这些微/纳米流体系统中，快速混合具有挑战性，因为在这种小规模下，雷诺数很低。研究人员已经证明了许多用于微/纳米流体系统的快速混合方案。一种很有前途的混合方法是基于微/纳米通道界面附近的涡流形成[22,23,24,25,26,27,28,29]. 非平衡电动现象引起的涡流与浓度极化（CP）和纳米多孔膜的非线性流动有关[17,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39]. 随着浓度极化坍塌现象的出现，微通道中产生离子浓度梯度，随后在微/纳米通道界面周围产生不稳定涡旋[22,23,38]. 我们之前报道了涡流产生的光谱分析[39]. 在本研究中，我们计算了涡流产生的时间功率谱，并研究了频率与两个主要操作参数：外加电压和溶液浓度之间的关系。这项工作表明，在较低的电解液浓度下，较高的外加电压会产生快速涡流[39]这与一项研究表明，使用相同的输入参数进行快速混合是一致的[23]. 然而，需要对微/纳米通道界面附近的速度场进行实验研究，并使用不同方法对微流体涡旋的产生进行更详细的速度分析。 对涡流产生的微流体混合系统进行了实验研究。Han等人可视化了非平衡电动现象产生的强涡旋结构[33,34,35]. Santiago等人报告了解释微/纳米通道界面周围涡流产生的理论和实验方法[36]. Kim等人提出了一种U型微流体装置，该装置利用微/纳米通道界面附近的旋涡实现混合[22]. Lee和Kim在他们的微流体装置中利用非平衡电动力学诱导的涡流实现了毫秒级的快速混合[23]. 在本研究中，我们重点研究了涡流产生的特征。我们使用基于荧光显微镜的粒子跟踪方法可视化了微/纳米通道界面周围的涡旋结构。我们利用时间功率谱分析报告了外加电压和离子浓度下涡旋产生的趋势，并根据粒子速度探讨了涡旋形成的特征。为了量化涡流，我们进行了粒子跟踪测速，并测量了粒子速度以研究流动不稳定性。我们展示了不同外加电压和电解质浓度下的不同速度场。我们还用平均速度和瞬时波动表征了非平衡电动力学的流动特性。
2.实验
非平衡电动微流控装置由一个U形微通道和一组跨越该微通道两部分的纳米通道组成，如所示图1微通道只有一条流，在U形转弯前后有短路流通过纳米通道。由于高流动阻力，通过纳米通道的流体流量预计可以忽略不计。这些纳米通道的目的是在微/纳米通道界面周围产生CP或涡流。我们在前面的论文中描述了这种微流体装置的制造步骤[39]，并且微通道的配置略有不同，因为我们在本研究中应用了额外的压力驱动流动。 微通道的深度为15微米，宽度为100微米，总长度约为1.2厘米。两个微通道段之间的距离为50微米，十个纳米通道集位于这两个段之间。因此，该距离与纳米通道长度一致。所有纳米通道的深度为50 nm，宽度为10µm。图1显示了一个红色矩形和两个黑色矩形，表示中所示结果的区域图3,图4,图5和图6。我们在下面描述了这些区域的计算。 我们使用1到1000 mM的氯化钾（KCl）溶液作为工作液。单个流包含KCl溶液和微量（约0.5µM）荧光微粒，这有助于涡流可视化。微粒的标称直径为2µm。我们测试了直径为500 nm和1µm的较小微粒。这些较小的微粒发出低于检测极限的非常低的荧光信号。使用我们当前的荧光显微镜设置，2µm大小的微粒可以产生足够的荧光信号。微粒的表面电位约为30 mV，微粒密度为1020 kg/m三[40]. 对于工作溶液，我们保持了较低的颗粒浓度（100微米×100微米区域中的10至12个微粒），因为颗粒追踪速度要求颗粒之间有足够的间距。 我们使用一个电源（IT 6834，Itech，南京，中国）通过插入两个储存器的铂丝为微流体装置供电。极性为正极，设备入口电压相同，出口接地。我们使用直接连接到入口的注射泵产生压力驱动流。我们在无外加电压条件下（仅压力驱动流）进行了控制实验，并可视化了微粒的路径。我们在跟踪微粒运动时施加50至150 V的电压。在可视化实验中，我们收集了100000多个微粒的图像，并使用MATLAB和PC图像处理工具获得微粒跟踪图像。
我们使用倒置荧光显微镜（IX-51，Olympus，New York，NY，USA）在暗室条件下追踪这些粒子。显微镜光学透镜的数值孔径（NA）为0.6，放大倍数（M）为40。所有实验步骤中的帧速率为20帧/秒。曝光时间因粒子的路径线而异（1.25到1.5秒）。我们使用Image Pro Plus软件（7.0）执行粒子跟踪测速。与粒子图像测速相比，粒子跟踪可视化收集的信息非常有限。由于实验装置的限制，粒子图像测速的尝试失败了。然而，我们成功地获得了时间平均速度场和有关流速的有用统计信息。
在实验中，在用去离子水进行初始冲洗步骤后，我们用含有2µm大小微粒的KCl溶液完全填充微通道。然后，我们通过插入两个储液罐中的铂电极在微流体装置上施加直流（DC）电位，并使用倒置显微镜观察微/纳米通道界面。我们收集了超过100000个穿过微/纳米通道界面的微粒的图像，并分析了每个微粒的方向速度。根据每个粒子的定向速度数据，我们在同一平面上绘制了速度场，重点关注受产生的涡流影响的微/纳米通道接口区域。粒子的轴向运动指示生成的漩涡的方向和大小。
3.结果和讨论
图2显示了（a）纯压力驱动流和（b）电渗和压力驱动流组合的路径线。对于压力驱动流，流速固定为1µL/min。此流速在本研究中进行的所有实验中均相同。如所示图2a、 正如预期的那样，大多数微粒沿压降方向移动。粒子路径沿微通道显示为直线，几乎没有变形，即使在微/纳米通道界面附近也是如此。图2b显示了施加电压为150 V、KCl浓度为1 mM的纳米通道界面周围旋涡产生的三幅图像。这些图像显示了相同条件下不同情况下的不同涡旋结构。正如粒子跟踪测速法中通常需要的那样，我们在溶液中保持低浓度的微粒，以跟踪微粒的正确路径线。在图2b、 旋涡产生的上部图像显示，由于旋涡的存在，颗粒可以从微/纳米通道界面上耗尽。中的中间图像图2b表明微粒可以朝纳米通道旋转。下图图2b显示了微/纳米通道界面附近产生的多个旋涡。这三种不同的路径线类型表明，纳米通道界面上的涡流产生几乎是随机的。 我们根据连续时间步长之间的粒子位移差，从粒子轨迹计算出所有微粒的瞬时速度。我们将它们放在图中红色矩形所示的流动区域中图1然后，我们平均了每个仓中不同微粒的速度。图3显示了各种施加电压下微/纳米通道界面附近的时间平均速度场。溶液的离子浓度固定在10 mM。纯压力驱动流（零外加电压）的速度场在微通道中显示出典型的泊松流剖面。我们甚至在纳米通道界面附近也没有发现明显的流动变形，这意味着通过纳米通道的流动可以忽略不计。这是可以理解的，因为纳米通道的横截面积（深度50 nm）与微通道的面积（深度15µm）相比非常小。相反，施加电压后，微/纳米通道界面附近的速度场发生畸变。当外加电压从50 V增加到150 V时，纳米通道界面附近的速度场畸变变得更加显著，并且该涡流区域变得更大，如所示图3这种行为表明了外加电压增加对更大范围涡流产生的影响。我们定量地报告了这种影响，而以前的研究定性地考虑了同样的物理。我们提出了使用非平衡电动混合机制控制主动微流体混合器中混合区域大小的可能性，并且我们相信我们的定量速度场测量在未来的混合器开发中可能有用。 我们将涡流区域（涡流影响区域）的大小量化如下。（1） 我们首先从电渗和压力驱动流的速度场中减去纯压力驱动流速度场；（2）我们总结了这两个场之间非零箱的面积。图4显示了与我们改变（a）施加电压时的纯压力驱动流相比的影响区域图；和（b）电解质浓度。该影响区域的大小显示了产生的漩涡的宽度。它也可以指示动电不稳定性的强度，动电不稳定性通常是涡流产生的结果[22]. 这些结果表明，施加的电压越大，影响范围越广。这与之前研究中增加的外加电压下的强涡流形成结果一致[23]. 不同电解质浓度下的结果表明，较低浓度下会形成较大的涡流区。众所周知，相对于德拜长度而言，纳米通道深度越小，涡旋产生越强烈，德拜长度与离子浓度成反比[22]. 在这项工作中，德拜长度范围在0.5到15纳米之间，随着浓度的降低而增加，而纳米通道深度是固定的。因此，浓度较低时，漩涡生成更强。该结果与我们之前的研究结果一致，其中我们报告了微流体混合器中较低浓度的混合性能得到改善[23]. 从粒子跟踪图像中，我们还计算了速度波动，以及迄今为止报告的平均流速。施加电压和离子浓度分别固定在100 V和10 mM。我们显示了两个区域（图1)比较旋涡的产生：（a）显示了几乎没有旋涡的区域；（b）显示了旋涡较强的区域。图5示出了微粒的瞬时速度（速度的绝对值）在两个区域中的分布。这个x个-和年-定向速度分布图1a显示出较小的速度波动，证实没有涡流产生。特别是年-定向速度几乎为零，表明微粒没有横向运动。相反图1b显示了数据在两个方向上的散射，从而证实了涡旋的存在。两种分布曲线均显示单峰分布，最大值分别为40 m/s和20µm/sx个-和年-方向。这个年-微/纳米通道界面附近的定向速度为非零，这解释了图2. 为了了解运行条件对该速度波动的影响，我们计算了图中红色矩形所示区域的归一化速度波动平均值图1。我们在实验中改变了外加电压和KCl浓度。计算的归一化速度脉动与湍流强度相当，湍流强度是流动不稳定性的一个有用指标。湍流强度（通常称为湍流水平）定义为，其中是湍流速度波动的平方根（RMS）U型是平均速度[41]. 我们的归一化速度波动与湍流强度明显不同，因为速度波动的RMS是根据x个-和年-方向，而不是所有三个方向。在我们的实验中，如果不使用共焦显微镜，我们就无法获得超常的速度分量。 图6显示了随电压和浓度变化的归一化速度波动。我们获得了高达0.12的归一化速度波动（对于大多数数据点，其值都在0.05以上）。根据水力直径和电渗速度，雷诺数估计为0.056。低雷诺数意味着微通道中发生层流。然而，我们计算的速度波动显示出显著的波动水平，这表明我们的设备可以用于有效的微流体混合。 图6此外，较高的外加电压或较低的电解液浓度会产生较强的速度波动。这一结果与图中所示涡流区域的大小一致图4产生涡流的条件是纳米通道深度应与德拜长度具有相似的数量级（随KCl浓度的不同而变化），并且施加的电压应足够高，以达到过限电流状态[34,38]. 涡旋产生现象基于CP效应，当耗尽区浓度很低时（即该区域存在相对较高的电场），涡旋产生。耗尽区的这种情况会导致所有电解液都具有很高的电泳速度。该条件可以在微/纳米通道界面区域放大，并导致背景电解质中的浓度梯度较大。浓度的急剧变化产生高电场梯度。这些电场梯度在微/纳米通道界面附近产生漩涡，特别是在耗尽侧。我们在实验中观察到，电解质的速度最终导致流动不稳定。 关于焦耳加热，我们测量了施加电压最高、浓度最高的贮存器的温度。温度的增加并不显著，我们认为微通道的短长度和储层的大尺寸减轻了焦耳加热的影响。
4.结论
我们使用微粒追踪方法研究了微/纳米通道界面附近非平衡电动涡旋的产生。粒子跟踪图像有助于获得平均速度场和速度波动。我们观察了外加电压和电解液浓度对涡流产生的影响。平均速度场证实了微/纳米通道界面附近的涡流产生很强。我们发现，随着电压的增加或浓度的降低，强涡区域变大。观测到的归一化速度起伏与速度起伏的增加趋势与涡流区的大小有关的结果是一致的。我们注意到，与湍流强度相当的归一化速度波动值高达0.12。这表明微流体平台中存在强大的旋涡，从而实现高效混合。
