1．目的及意义

微流体(microfluidics)是一种处理液体（包括液滴和悬浮颗粒）的技术，其系统的理论和技术使用尺寸为几十到几百微米的通道来处理或操纵小的流体量（10-9到10-18升），在几何上局限于一个很小的范围内，通常大于1μm，小于1mm。最初发展微流体体系的原因是因为生物和化学领域的微量分析工具的需要，特别是由于20世纪80年代基因组学的爆炸式发展。同时，在精密加工技术迅速发展的基础上，随着集成电路的普遍应用、各种微型设备的快速更新、微电子工程的迅速发展，微流体的传输与传热现象已成为具有广泛应用前景的新型研究领域。

随着管道、器件尺寸的缩小，传统的体积力，如重力、惯性力等不再重要，相对于宏观流动，微流控系统的主导驱动力是表面力(如电场力，毛细作用等)。 微流控芯片中的流动相比宏观流动，往往会引起“尺度效应”和“表面效应”。传统的压力驱动逐渐失效，因此出现一些微流动特有的操控方式，比如：表面张力驱动控制、热(气泡)驱动控制、电水力驱动控制、电渗驱动控制等等。同时，微流体系统往往包含有机、电、热、流体等多种物理因素的影响，而且各种物理因素之间又往往会产生耦合，因而微流体系统是一个复杂的多物理场耦合系统。

微流体技术的这些独有的特征，也为它提供了许多有用的功能：能够使用非常少量的样品和试剂，以高分辨率和高灵敏度进行分离和检测（低成本，分析时间短，分析设备尺寸小）。微流体利用其最明显的特征——小尺寸和微通道中流体的不太明显的特征（例如层流）在控制空间和时间中的分子浓度方面提供了全新的能力。关于微流体系统的分析研究正在受到越来越多的重视，对其进行深入的研究具有非常重大的意义。

对微通道内流体的操控是完成微流控芯片系统中生物溶液的进样、混合反应和分离检测等功能的重要前提。其中利用电渗效应操控微流体的方法由于其高效、灵活、易于操控等特点，受到越来越多的关注。在普通的直流电渗流动中，速度轮廓呈现柱塞状，无剪切，保证了输送的样品不产生如压力驱动流中易出现的化学组分区带弥散现象。但直流电渗流动存在局限性，一是由自然双电层产生的电渗流量很低，驱动效应弱，二是所需要直流驱动电压很高，易产生电化学反应。在壁面上嵌入微电极并施加交流电的交流电渗流（AlternatingCurrent Electro-Osmosis, ACEO）可以大大降低驱动电压，减弱电极上的电化学反应，同时产生一些更加灵活的流动状态。

2004年，Bazant和Sqaires^[34]等人指出，ACEO所蕴含的物理原理，在极化表面上电场作用于它自身诱导产生的双电荷层，是广泛存在的，它的产生并不依赖于电极或交流电场，并提出了一个更能描述这种现象的名称——诱导电荷电渗流(InducedCharge Electro-Osmosis, ICEO)。他们通过一系列的案例说明可以被极化的表面无论在直流电场中和交流电场中都有ICEO的存在。这一现象早先已由Mrutsovkin^[38,39]等在关于金属胶体研究的俄文文献中描述过。

国外众多学者对诱导电荷电渗流的研究现状：近年来许多学者对ICEO进行了实验研究，大部分都集中在理论研究或者数值模拟。2005年，Levitan^[40]等人采用微粒子图像测速技术(Micro-PIV)发现了直管道中嵌入的金属圆柱体周围出现电渗流，同时给出了关于该现象的数值模拟描述和实验现象描述。2008年Harnett^[35]等人通过针对10x5的镀金不锈钢圆柱阵列周围的流场情况进行实验研究，也证明了导电障碍物周围诱导电渗流的存在。2009年，Squires^[30]综述了诱导电动力学(ICEK)现象的理论基础以及其在微流控芯片应用领域的广泛应用前景。2011年Sharp^[41]等人利用ICEO实现了对存在于基本压力驱动流中的导电障碍物周围的流场控制，并采用Micro-PIV技术对障碍物下流区域单个或多个流型变化进行观察。2015年Cunlu Zhao^[20]等人首先提出将感应电荷电渗流扩展到具有导电（理想可极化）壁的纳米流体通道。并提出了一个数值模型来描述这种导电纳米流体通道中的电动传输。2017年Feng, HC ^[42]等人发现反向涡流出现在去离子水中。随着电场增加或略微添加NaCl，ICEO涡流恢复，与薄双电层（EDL）模型的预测不同，观察到的ICEO流量相对于汽缸中心是不对称的。不对称性呈现电解质依赖性，并且随着施加的电场增加而增强。

国内众多学者对诱导电荷电渗流的研究现状：国内有关诱导电渗的报道较少，其中有大连海事大学、华中科技大学、西安交通大学、中国计量学院和哈尔滨工业大学等相继展开了相关研究。2014年，大连海事大学王成法^[13]等人在微通道两侧壁面布置一对平行金属板，并在通道两端施加直流电压，金属板表面将诱发对称的两个涡流，依靠其挤压作用使粒子在通道中心聚焦。中国计量学院秘晓静^[18]等人采用Fluent对直流诱导电渗流进行了数值模拟，对完全可极化障碍物及两侧异性障碍物周围的诱导电渗流场进行了研究。2015年，哈尔滨工业大学任玉坤^[43]等人提出在通道底部铺设不接电的长条金属板，在两侧电极施加交变电场以获得悬浮电极表面的诱导电渗漩涡，粒子则被聚集在此流动停滞区。西安交通大学的刘维宇^[44]等人在低频条件下，在悬浮电极上通过ICEO实现颗粒装配的方法。2016年，哈尔滨工业大学的任玉坤^[45]等人通过对ICEO的机理的深入研究设计了非对称电极，发现了悬浮电极收集的粒子的数量与悬浮电极的宽度呈现线性关系。并设计了一种能够将微粒分为一定比例的微流控芯片。2017年哈尔滨工业大学的陈晓明^[2]等人将ICEO微粒收集和DEP微粒分离两种技术有效的结合在一起，提出了一种新的颗粒分离方法，设计一种新型微流控芯片，该技术的开发为昂贵药品或稀有生物样本的定比例聚集提供了理论支撑。

综上所述，ICEO是由于极化作用在界面上产生双电层，引发离子的运动去带动流体运动。利用ICEO实现微粒收集，具有对样本无伤害，高效等特点。利用诱导电荷电渗进行泵送、混合的研究己引起了较多关注，但更多的潜力应用如利用诱导电渗操控粒子运动在国内外都鲜有报道。经过以上国内外现状分析可以看出，近些年我国在诱导电荷电渗的研究方面已经取得了不错的进展，但是由于我国对电动力学的研究起步相对较晚，且对实验微流控芯片设计等关键技术和理论研究掌握较少，在诱导电荷电渗流等相关设备技术方面的研究更是少之又少，与国外相比存在较大差距。因此，对诱导电荷电渗流的学习研究并优化改进，缩小国内与国外的差距，具有一定的理论意义和工程实际应用价值。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2．1研究内容

诱导电荷电渗透流包含有机、电、热、流体等多种物理因素的影响，各种物理因素之间又往往会产生耦合，因而整个系统是一个复杂的多物理场耦合系统。对诱导电荷电渗透流的分析研究正在受到越来越多的重视。基于COMSOLMultiphysics软件，可以完成诱导电荷电渗透流的数值模型建立，分析诱导电荷电渗透流的流动传热特性。

2．1研究目标