基于离子浓度极化的颗粒预浓缩的精确多物理场数值分析

本文通过数值求解离子、带电颗粒和溶剂流体的耦合输运方程，在无任何简化假设下，研究了嵌入选择性渗透膜的直微通道中带电颗粒的预浓缩机制。结果表明，带电颗粒的捕获与预浓缩由电渗流体流动产生的拖曳力与通过电场施加的电泳力之间的相互作用决定。揭示了若干深刻特征，包括同离子与反离子的不同动力学、聚焦颗粒对同离子的替换、颗粒富集区离子浓度降低以及增强的电渗泵效应等。从颗粒与同离子的电荷、尺寸和电泳迁移率方面确定了可被浓缩的颗粒条件。分析了富集因子对跨膜电压、初始颗粒浓度和缓冲离子浓度的依赖关系，并阐述了潜在原因。最后，基于聚焦带电颗粒与缓冲同离子所带电荷，给出了解耦模拟模型有效性的后验条件。这些结果为纳流体预浓缩及其他相关器件的设计与优化提供了重要指导。