一种消除毛细管电泳槽道中弯道扩散效应的方法

摘要

本发明公开了一种消除毛细管电泳槽道中弯道扩散效应的方法，对直角弯道内外壁上电势分布采用梯形线性分布，对半圆弯道内外壁上电势分布采用三角形线性分布；弯道内壁面上电势数值先线性增加后线性减少，弯道外壁处电势数值先线性减少再线性增加；直角弯管和半圆弯管内壁面上电势分布范围均为-1~0，外壁面上电势分布范围均是-1~；当弯道流动以对流为主时，对于直角弯道，当外壁电势极值为-1.88时，弯道效应最小，对于半圆弯道，当外壁电势极值为-2.68时，弯道效应最小，电泳的分离效果最好。本发明通过合理改变弯道中内外壁面的电荷分布，提高了毛细管电泳分离的效果，为在微流控芯片上实现高效分离提供了简单有效的方法。

说明书

技术领域

本发明属于毛细管电泳领域，特别涉及一种消除毛细管电泳槽道中弯道扩散效应的方法。

背景技术

毛细管电泳是微流控分析系统中一种重要的分离技术。研究表明，增加通道长度可以提高电泳分离效果。因此要在微流控芯片上实现高效分离，经常采用引进弯道来增加通道长度的办法。但引进弯道后的分离效果往往没有很大的提高，原因是引进弯道的同时也导致了弯道效应。初始时刻在流场中释放的若干粒子，在流体的带动下开始运动，在经过弯道时，位于内壁面的粒子走在了外壁面粒子的前面，形成弯道效应。在毛细管电泳分离中，为获得高效分离，总希望同一种样品在输运过程中的带宽尽量小，而弯道效应则会使样品的带宽增大，不利于分离。弯道效应产生的因素有：粒子在内外壁面上的迁移长度不同；内外壁面附近的电场强度不同；弯道部分产生的横向扩散。针对这些因素，有研究建议采用窄通道、控制流体速度及互补偿通道等措施来减小弯道效应；有建议改善弯道形状来减小弯道效应，并通过数值方法获得最佳弯道形状。上述方法虽能有效抑制弯道效应，使毛细管电泳分离取得较好效果，然而，改变形状的电泳通道在加工时有工艺上的困难，因而具有一定的局限性。因此，寻求另外的消除弯道效应的方法很有必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种消除毛细管电泳槽道中弯道扩散效应的方法，本发明通过改变弯道处内外壁面上的电荷分布来极大地消除毛细管电泳槽道中弯道导致的扩散效应。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种消除毛细管电泳槽道中弯道扩散效应的方法，对直角弯道内外壁上电势分布采用梯形线性分布，对半圆弯道内外壁上电势分布采用三角形线性分布；弯道内壁面上电势数值先线性增加后线性减少，弯道外壁处电势数值先线性减少再线性增加；直角弯管和半圆弯管内壁面上电势分布范围均为-1 ~ 0，外壁面上电势分布范围均是-1 ~                                                ；当弯道流动以对流为主时，对于直角弯道，当外壁电势极值为-1.88时，弯道效应最小，对于半圆弯道，当外壁电势极值为-2.68时，弯道效应最小，电泳的分离效果最好。

进一步地，对直角弯道内外壁上电势分布采用梯形线性分布，从直角弯道内壁起始点A到内壁直角拐点C电势线性递增（AC距离为壁宽w），从内壁直角拐点C到另一内壁直角拐点C^’电势不变，从C^’到内壁弯道终止点E电势线性减少（C^’ E距离为w）；而对于直角弯道外壁从外壁起始点B到外壁直角拐点D电势线性递减（BD距离为2w），从D到另一外壁直角拐点D’电势不变，从D’到外壁弯道终止点F，电势线性增加（D’ F距离为2w）。

进一步地，对半圆弯道内外壁上电势分布采用三角形线性分布，从半圆弯道内壁起始点A到内壁面C点电势线性递增，从C点到内壁面半圆弯道终止点E点电势线性递减（A、C和E点到半圆弯道圆心距离为壁宽w）；而从半圆弯道外壁面起始点B点到外壁面D点电势线性减少，从D到外壁面半圆弯道终止点F点电势线性递增（B、D和F到半圆弯道圆心距离为2w）。

本发明的有益效果是：本发明通过对毛细管电泳槽道中流动的弯道效应进行理论分析，数值模拟，提出了一种基于改变弯道处内外壁面上电荷分布的方法，以此使流场的弯道效应最弱，同时还建立了分析和确定弯道处最佳电荷分布的优化方法，极大地消除了毛细管通道中的流动弯道效应，可一定程度地提高毛细管电泳分离效果。本发明的原理不仅适用于对流运动，且可推广适用于对流-扩散运动。

附图说明

图1是直角弯管尺寸示意图；

图2是半圆弯管尺寸示意图；

图3是直角弯管壁面电荷分布图；

图4是半圆弯管壁面电荷分布图；

图5 是优化参数随外壁面电势极值的变化图；

图6是优化电荷分布前后直角弯道中的粒子分布图；

图7是优化电荷分布前后半圆弯道中的粒子分布图；

图8 是优化电荷分布后直角弯道中粒子轨迹图。

具体实施方式

本发明分别以最常见的直角弯道和半圆弯道为研究对象，通过改变弯道处内外壁面上的电荷分布来极大地消除毛细管电泳槽道中弯道导致的扩散效应，对直角弯道内外壁上电势分布采用梯形线性分布，对半圆弯道内外壁上电势分布采用三角形线性分布，弯道内壁面上电势数值先线性增加后线性减少，弯道外壁处电势数值先线性减少再线性增加；直角弯管和半圆弯管内壁面上电势分布范围均为-1 ~ 0，外壁面上电势分布范围均是-1 ~。并且在此基础上从跟随粒子群的离散性和对称性两方面进行考虑，定义电势取值的优化参数，并通过数值计算对直角弯道和半圆弯道分别寻求到优化参数的极值来找到壁面的最优电荷分布，当弯道流动以对流为主时，对于直角弯道，当外壁电势极值为-1.88时，弯道效应最小，对于半圆弯道，当外壁电势极值为-2.68时，弯道效应最小，电泳的分离效果最好。

为了研究弯道效应，可以通过数值计算，分析跟随流体运动的粒子的运动轨迹来了解弯道效应，通过粒子群分布的离散情况来体现弯道效应，计算中流场的数值求解基于不可压流场的连续性方程和运动方程，其中运动方程中加入外加电压和壁面电荷产生的电势的源项，用有限差分法求解可得到流场速度分布，从而得到粒子的运动轨迹，计算中只考虑流场对粒子的作用，而不考虑粒子对流场的双向耦合。为了抑制弯道效应，本发明通过改善弯道处壁面电荷分布即电势的分布来改变粒子的运动轨迹及速度，即通过粒子运动轨迹和速度分布的差异来尽可能减小或消除内外壁上迁移长度的差异。该方法不需要改变弯道的形状，因此不存在加工工艺方面的困难，而改变电势的方法种类很多，较易实现，比如可以通过改变缓冲液的PH值，增加缓冲添加剂，改变通道壁面的涂层，以及沿通道横向施加电压等，且为了具体实施的方便，本发明采用线性方法对电势分布进行改善。

本发明立足于弯道中电渗流的数学模型，分别以最常见的直角弯道和半圆弯道为研究对象。图1是直角弯道计算模型示意图，图中ACC^’E为直角弯道内壁部分，BDD^’F为直角弯道外壁部分，C和C^’为内壁直角拐点处，D和D^’为外壁直角拐点处，w为道宽，AC距离为w，粒子释放点和C点距离3w，弯道宽度CC^’为2w。图2 是半圆弯道计算模型示意图，图中ACE为半圆弯道内壁部分，BDF为半圆弯道外壁部分，A和E为内壁弯道半圆起始点， B和F为外壁弯道半圆起始点， w为道宽，C距离半圆圆心为半径w，D距离半圆圆心为2w，粒子释放点和A点距离2w，半圆弯道半径为w。

图3和图4给出了改善电势分布的具体办法。如图3，对于直角弯道在内壁上从A到C线性增加，C到C^’不变，从C^’到E线性减少。而外壁上从B到D线性减少，D到D’不变，从D’到F线性增加。如图4，对于半圆弯道在内壁上从A到C线性增加，从C到E线性减少，而外壁上从B到D线性减少，从D到F线性增加。为不失一般性且方便计算，假定直角弯管和半圆弯管内壁面上电势分布范围均为-1 ~ 0，外壁面上电势分布范围均是-1 ~，其中是未知量，需要在优化过程中予以确定。为了确定的数值，定义一优化参数，综合考虑了粒子分布的离散率和对称率，，其中代表离散率（S为粒子的轴向坐标，2N+1为释放的粒子总数），为对称率，和为加权系数，其数值分别为0.65和0.35。本发明通过大量计算不断改变的分布，得到了的一系列数值，当最小时，即对称率和离散率的加权值最小时，粒子分布最为合理，此时的为最佳。图5给出了半圆弯道优化参数随外壁面电势极值的变化图，由图可知当为-2.68时，半圆弯道的弯道效应最小，同理得到了当为-1.88时，直角弯道的弯道效应最小。

图6和图7分别给出了直角及半圆弯道优化电荷分布前后粒子的分布图，由图可知经过如图3和图4电荷的优化分布后，粒子群经过弯道后轨迹发生了改变（如图8直角弯道中粒子沿内壁面轨迹线拉长），有效地抑制了粒子在弯道内外壁上迁移长度的差异，使粒子在经过弯道后保持了分布紧凑和良好的对称性，大大的减弱了弯道效应，有利于毛细管的电泳分离。