ナノチャネルにおける極性イオン多変量イメージング法と連動した電気二重層選択的制御

纳米通道中双电层的选择性控制与极性离子多元成像相结合

基本信息

批准号：
17686017
负责人：
佐藤洋平
金额：
$ 18.72万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17686017/
关键词：
マイクロ・ナノスケール電気二重層壁面ゼータ電位極性イオンナノLIF法ナノPIV エバネッセント波蛍光色素ナノスケールマイクロチャネルレーザ誘起蛍光法レーザー放射圧ゼータ電位 Gouy-Chapmanモデル Debye-Huckel近似

项目摘要

次世代のマイクロ・ナノ流体デバイスにおける革新的な機能創製の鍵を握るのは,マイクロ・ナノチャネル壁面極近傍に形成される極性イオンの層,即ち,電気二重層(あるいは壁面ゼータ電位)の選択的制御である.本研究では壁面ゼータ電位時空間分布センシングを可能とするナノスケール・レーザ誘起蛍光(ナノLIF)法,および壁面ゼータ電位選択的制御技術の開発し,ナノスケール流動現象の解明を行った.緩衝液中にてイオン化する蛍光色素,およびチャネル壁面極近傍のみを励起可能とするエバネッセント波に基づいたナノLIF法により,チャネル内緩衝液中のイオン挙動に応じた壁面ゼータ電位時空間構造の解明を行った.イオンの対流および拡散によりゼータ電位形成過程の違いを流体力学的観点に基づいて解明を行った.この実験結果に基づいて,チャネル壁面に単分子膜による化学表面修飾を施し,壁面ゼータ電位を変化させ,チャネル内電気浸透流流動構造制御を行った.電気二重層形成過程の過渡特性を実験的に明らかにした上で,表面修飾パターンを数値シミュレーションによって最適化を行うことにより,選択的に壁面ゼータ電位(あるいは電気二重層厚さ)の制御が可能となり,電気浸透流によるマイクロ・ナノ空間混合促進等の性能の劇的な向上が可能であることが示唆された.マイクロ・ナノチャネル壁面ゼータ電位制御により,チャネル内緩衝液中のイオン挙動制御,そしてバルク流動構造制御が可能となった.

在下一代微型流体设备中创建创新功能的关键是对微纳米渠道壁杆附近形成的极性层的选择性控制，即电动双层（或壁Zeta电位）。在这项研究中，我们开发了一种纳米级激光诱导的荧光（Nanolif）方法，该方法可以实现壁Zeta电位的时空分布，以及用于Wall Zeta电位控制的选择性控制技术。我们通过使用荧光染料在缓冲液中电离的荧光染料以及仅允许通道壁杆附近的区域的荧光波，阐明了通道缓冲液中的离子行为，根据通道缓冲液中的离子行为阐明了壁Zeta电位的时空结构。从流体动力学的角度阐明了苛性势形成过程的差异。基于实验结果，通道壁表面用单层对通道壁表面进行化学修饰，并更改了壁Zeta电位，并在通道中控制了电渗流流量结构。通过实验阐明电动双层形成过程的瞬态特征，并通过数值模拟优化表面修饰模式，建议可以选择性地控制壁Zeta电位（或电动双层层的厚度），并且可以大大改善性能，例如促进微型纳米液相结合的电流流量。微纳米通道壁Zeta电势控制允许控制通道缓冲液和大量流动结构中的离子行为。