电场流分离微型化研究.pdf

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1、第33卷第3期东北电力大学学报Vo1．33，No．32013年6月JournalofNortheastDianliUniversityJun．．2013文章编号：1005—2992(2013)03—0014—05电场流分离微型化研究张学军，郭俊超(东北电力大学机械512程学院，吉林吉林132012)摘要：为了方便，快速，准确地完成对微粒子的分析，分离。电场流流道的微型化是一种行之有效的手段。介绍了一般场流分离理论及电场流分离的特点，分析了电场流流道的微型化对分离系统的影响。研究了电场流流道几何尺寸对系

2、统保持力，分离度的影响。结果表明，电场流流道微型化，可避免载液电解，提高分离度，减少分离时间，提高了电场流分离系统的效果。关键词：电场流分离；微型化；分离度；保持力中图分类号：O65文献标识码：A电场流分离技术(ElectricalFieldFlowFractionation-EFFF)作为微粒子分离技术最早出现于1972年，已用于多种蛋白质的分离上J。EFFF是场流分离技术中的一种，其分离场是电场。在电场流分离系统中，被分离的组分由于其电敏感性的不同，所受的电场作用力不同。当微粒所受的电场作用力与扩

3、散力达到平衡时，不同的微粒将处于距积聚壁不同的距离，因此不同的微粒在流道中就有了不同的速度。这样就造成了不同的微粒在不同的时间出现在分离流道的出口，从而完成分离。电场流分离原理见图1。宏观电场流分离系统已应用多种微粒的分析，分离并获得了成功。随着微制造技术的发展，电场流分离系统的微型化在技术上成为可能。样品注入样品流出早期的研究并没有发现场流分离系统微型化的内在优势，近年FFF的理论研究表明，大多数场流分离(FieldFlowFractionation-FFF)亚型系统微型化不会带来显著益处，但对少数

4、FFF亚型系统却有益图1电场流分离原理图处¨。这些亚型包括电、热、磁FFF，即以力的梯度作为分离机理的亚型。目前，电场流分离主要应用于高分子材料，胶体，糖和泥土特性的测定。也可应用在多种生物材料的检查、分离。如，细胞，，细菌，病毒加，蛋白“，DNA。EFFF在生物和医学上具有广泛的应用前景，在环境水检测应用也获得了成功。分离系统微型化可使其潜能得到充分的发挥。1FFF理论保持力理论论述了引起不同粒子不同保持程度即流道中流速不同的原因。对所有场流分离系统来说均有H：R=6A[coth(1／2A)一2A]

5、，(1)收稿日期：2013一O1—14作者简介：张学军(1964一)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学机械工程学院副教授，主要研究方向：数控加工技术及场流分离技术．第3期张学军等：电场流分离微型化研究15式中：R为保持率，A为无量刚参数，它与流道高度(W)及被分离粒子的特性有关，可由下式得出：A=D／Uw，(2)式中：D为粒子的扩散系数，为粒子横向迁移速度，它取决于作用在粒子上场强大小。可由下式得出：U=5+／f，(3)式中：5为应用的场强，为粒子对应用场的感应系数，厂为样品的摩擦系数。粒子云的位置及

6、厚度由扩散力与粒子所受场力的平衡确定。扩散系数D由改进的Einstein方程求出：D=kT／3cmid，(4)式中：k为Boltzmann常数，为绝对温度，叼为粘度，d为粒子直径。在高保持水平(即A和趋近于零)情况下，方程(1)简化为：R=6A．(5)由于绝大多数FFF系统是在高保持水平(R<0．2)情况下运行的，因此这种简化是可取的，并且更方便于FFF系统的分析。根据方程(2)(5)可知，R与W成反比。即，W减小尺增加。而对FFF系统来讲，这一结果将降低系统效能。若实现FFF系统的小型化，在减小W的

7、同时，其它参数必须变化，以消除或减小W带来的不利影响。2流道尺寸对R的影响在EFFF系统中，施加电场垂直于流道，粒子的迁移速度取决于它们的电泳迁移率。由于双电层效应的影响，系统有效电压的损失巨大，测量到的有效电场一般不超过外加电场强度的3％¨】引，多数情况为1％左右H]。双电层的形成与多种因素有关。这些因素包括：电极材料，载液的化学成分，载液浓度，载液与电极接触面的温度。有效电场强度与有效电压间的关系如下：=Ee#w．(6)对于给定的应用电压，有效电场强度E与流道高度成反比。由于双电层的厚度远小于微型

8、化后的流道高度，所以微型化不会对EFFF系统的运行造成太大的影响。在电场的作用下样品组分的迁移速度为：U=／zE．(7)由于双电层效应，EFFF系统中样品组分的迁移速度应为：U=／zE．(8)将(5)式代人(8)式有：U=W．(9)将方程(4)和(9)代入方程(2)得：AKT·、(10)，由式(5)及(10)可知EFFF系统的值与系统的几何尺寸无关。根据塔板理论，系统总的塔板高度(日)为多种因素共同作用的结果，表达式为：H=H+Hn+H，+HD．(、11