通过微尺度泵送力增强微流控芯片中的电渗过程

《Journal of Water Process Engineering》：Enhancing electroosmotic processes in microfluidic chips via microscale pumping forces

研究通过耦合电渗流与微尺度泵送力提升低浓度Co2?离子传输效率，有限元模拟显示跨膜压力梯度显著促进离子迁移。协同芯片在标准电压（≤220V）下钴离子富集效率远超单一方法，其中泵效应通过增强离子与膜表面的接触频率和驱动力，使检测限从1.21×10?? mol/L降至2.42×10?? mol/L，提升两个数量级，缩短富集时间至18分钟。

　　

崔 Zhao|张雅静|李琪琪|高飞|吴浩诺|张萌

中国秦皇岛燕山大学环境与化学工程学院，水资源与重金属深度修复重点实验室，教师培训中心，066004

摘要

本研究通过将电渗流与微尺度泵送力结合，探索了离子传输效率的提升方法，以低浓度的Co²⁺离子作为富集目标。有限元模拟表明，这些力产生的跨膜压力显著促进了离子的跨膜传输。在标准电压范围内（≤220 V），泵电协同芯片的Co²⁺富集效率明显高于单独使用泵送或电渗流的方式。泵送作用通过直接驱动离子穿过膜并增加其与表面的接触频率来增强传输效率，从而在施加电场的情况下提高捕获效率。在固定控制电压（V_cn）下，减小通道尺寸和增加平行通道数量可以增强泵送效果，显著缩短富集时间。微尺度泵送力的大小受通道尺寸和壁面形态的影响，这些因素决定了动态接触角。凹形壁面会增大接触角并降低效率，而轴向折叠设计则减小了接触角，使110 V下的富集时间缩短至18分钟。使用低浓度Co²⁺样品的测试表明，泵电协同芯片将原子吸收光谱仪（AAS）的检测限从1.21 × 10^?6 mol/L提高到2.42 × 10^?8 mol/L，检测精度提高了两个数量级。

引言

重金属（HM）污染已成为一个严重的全球环境问题，因为它会干扰生理代谢过程、导致生物累积和放大效应、具有细胞和遗传毒性，并抑制免疫功能[1]、[2]、[3]。现有的检测技术（包括原子吸收/发射光谱[4]、[5]、电化学方法[6]、[7]和质谱[8]、[9]）可以达到微克级别的灵敏度，但在检测痕量重金属离子时存在显著限制。在超低浓度下，低信噪比阻碍了可靠的定量分析，尤其是在含有大量干扰物质的复杂环境或生物样本中[10]。此外，这些传统技术通常依赖于昂贵的仪器设备，并需要高度训练的人员，这限制了它们在资源有限的环境中的应用和常规监测[11]、[12]。因此，迫切需要快速、灵敏且用户友好的检测技术，以实现复杂样本中的痕量重金属分析。

最近，结合电渗流技术的微流控芯片在痕量重金属离子检测方面引起了广泛关注。在水质分析中，重金属通常以自由离子或带电复合物的形式存在，可以通过电场或电势进行定向驱动。一方面，具有高表面积和丰富官能团的纳米材料可以通过吸附和配位等界面过程选择性地捕获目标离子并提高富集效率[13]。另一方面，微通道的限制增强了“材料-离子”界面的质量传递动力学，通过浓度梯度驱动和流体剪切控制等机制减少了共存离子的干扰[14]。凭借其高选择性、灵敏度和快速响应能力，电渗流微流控系统代表了开发原位高性能传感技术的一个有前景的方向。

基于这一需求，人们探索了多种策略。在高精度电压控制方面，Akwasi [15] 提出了混合自适应学习控制（HALC）用于电网逆变器调节，通过模型预测控制（MPC）解决毫秒级电压波动问题，同时利用历史数据通过强化学习优化长期策略，将电压波动降低了40%以上。在微结构设计方面，Qavi [16] 在微通道中引入了人字形和圆柱形微柱阵列，流体动力学模拟证实人字形图案使流速降低了50%，延长了流体停留时间300%，并在涡流区域促进了颗粒捕获。在减阻技术方面，Peplow 等人[17] 使用钕铁硼磁铁创建了零磁场区域，用磁流体护套包裹液体核心。这种配置产生了反向内部流动（类似于“流体传送带”），将摩擦阻力降低到传统通道的1/70，并实现了在14 μm通道中无压力传输粘性流体（如蜂蜜）。在可重构结构方面，Venzac [18] 将不锈钢或树脂滑动壁嵌入PDMS芯片中，实现了通道的开闭、泵送和膜转移。在DNA预浓缩实验中，可移动的水凝胶膜将捕获效率提高了五倍，并促进了跨通道传输。在多物理场协同模拟方面，Chen [19] 使用切比雪夫多项式和几何映射分析了圆柱孔中的液态金属滴扩散，揭示了由边界诱导的主导涡流引起的迁移速率反转和停滞现象，以及不同粘度滴体表现出相同速度的“固化现象”。这些发现推动了微流控领域的理论完善和控制策略的发展。

尽管取得了进展，但电渗流驱动的检测仍面临持续存在的瓶颈。基于电场的控制需要精确的电压调节，而微通道中不均匀的表面电荷分布常常导致局部堵塞，对芯片加工稳定性和成本提出了严格要求。此外，基于固液滑移效应的质量传递机制在微通道中难以克服粘性阻力，限制了宏观压力驱动原理的应用，常常导致流动阻塞或失败。这引发了一个基本问题：如何利用独特的微尺度流体力来克服电渗流驱动机制的固有局限性，以及可以建立哪些新的驱动原理？

毛细力作为微通道中的独特驱动机制，提供了一个有前景的解决方案。自2001年以来，Prins [20] 证明了毛细压力可以通过静电控制固液界面张力来调节三维多通道结构中的流体运动。这种方法可以在任何通道方向上实现可逆的流体操控，其流速几乎比现有的电动力学方法快两个数量级。在此基础上，我们的研究团队开发了一种称为“泵效应”的毛细力纵向应用[21]，显著提高了离子富集效率。泵效应源于两个由选择性膜分隔的微通道中毛细力的竞争性相互作用，产生了一种稳定、持久的驱动力，无需外部能量输入。重要的是，这种机制不是像永动机那样的无限能量源，而是有效利用外部循环压力来提高系统性能。

本研究的目的是探讨泵效应在微流控芯片中离子交换过程中的增强作用。首先，将使用COMSOL Multiphysics模拟验证中心假设的可行性。接下来，通过综合模拟和实验方法阐明微尺度力对离子交换膜效率的影响。然后，通过系统地改变微通道尺寸、阵列密度、施加电压、跨膜压力和表面修饰来确定最佳操作条件。最后，使用低浓度钴离子溶液评估浓缩性能，以评估相对于原子吸收光谱仪（AAS）的优化检测限。成功完成这些目标有望显著提高微环境中的膜分离效率，并为将膜技术集成到微型芯片平台上提供理论基础。

材料

硫酸钴（CoSO₄）购自北京MREDA科技有限公司。Fumasep FKS-30阳离子交换膜由SCI Materials Hub提供，其孔径为18 μm，离子交换容量为1.3–1.6 mmol/g，电阻小于1.2 Ω?cm²，有效过滤面积为直径1 cm的圆形。原子吸收光谱仪（WFX-120，BRAIC，中国）购自北京Raleigh Analytical Instrument有限公司。

微流控

电渗流中微观力影响的有限元模拟

本研究对离子交换膜中的离子传输效率进行了计算研究。该研究考察了膜与相邻流体之间的耦合动力学，特别关注微观力如何在瞬态流动条件下影响离子传递。为了捕捉这种复杂的相互作用，开发了一个多物理场模型，整合了三级电流分布、流体流动和稀释物种的传输。

结论

通过将有限元模拟与实验验证相结合，本研究阐明了微观力在提高电渗流泵效率中的作用。模拟表明，跨膜压力梯度有助于离子传输，而实验证实，结合泵送和电渗流效应的协同芯片显著提高了Co²⁺的富集效果，优于单独使用任一技术。

CRediT作者贡献声明

崔 Zhao：撰写——原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论，研究，资金获取，正式分析，概念化。张雅静：软件，正式分析，数据管理。李琪琪：验证，监督，软件，资源，正式分析，数据管理。高飞：可视化，验证，监督，软件，资源，研究。吴浩诺：可视化，资源，方法论，概念化。张萌：可视化，

资助

本研究得到了国家自然科学基金（52525005、U24A20188、52370003）、北京Nova计划跨学科合作项目（20240484737）、河北省科学技术局（236Z3606G）和河北省教育厅（C20230327）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

张萌确立了研究方向并监督了当前的工作。吴浩诺提供了语言帮助和写作协助。崔 Zhao和张雅静进行了实验，准备了手稿并开发了绘图解决方案。李琪琪参与了讨论和数据分析。所有作者都审阅并评论了手稿。感谢Jiusi Design Studio的UI设计师Han Cui提供的绘图和建模支持。