施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种施加压力控制纳米孔中离子传输选择 度的方法。
【背景技术】
[0002] 受到生物体中生物离子通道可以选择性地透过特定种类离子的启发，人们越来越 希望能够开发基于纳米孔的合成设备来主动控制离子、流体和生物粒子的传输，并为各种 生物传感应用探测小的生物分子。纳米加工技术的显著提高也使基于纳米孔的技术研究和 应用变为可能。近来，基于纳米孔的实验研究表明，当双电层的厚度与纳米孔的特征长度相 当时，其静电交互作用变得明显并能显著地影响纳米孔中的离子传输，导致一些有趣的传 输现象，如离子选择性、离子电流整流等。尤其当双电层的重叠变得显著时，在带电纳米孔 中施加电场后，由离子的选择性传输引起的离子浓差极化现象就会发生。随着近年来纳米 制备技术的进步，越来越多的实验结果表明，离子浓差极化现象在微流控或纳流控芯片中， 如离子电流整流、分析物的电预富集、生物大分子的分离等和海水淡化中的潜在应用。因 此，提高和有效控制纳米孔中的离子选择度具有深远的现实意义。
[0003] 到目前为止，人们大多采用调节溶液的pH值和浓度，以及电压的大小来获得较高 的离子选择度，但要获得较高的离子选择度，对这三个参数的要求较高，不易实现，且这三 个参数互相制约，且其对离子选择度的大小和变化速度的调节具有不可控性。
[0004] 因此，需要一种新的方法来有效控制纳米孔中的离子传输选择度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的缺陷，提供一种施加压力控制纳米 孔中离子传输选择度的方法，以获得较高的离子选择度，并实现对离子选择度方向确定、速 度可调的灵活控制。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] 在纳米孔水库系统的一端施加电压的同时施加压力，利用小面积下施加一定压力 产生的巨大压强来有效控制和提高离子传输的选择度。调节压力的大小控制选择度的大 小，调节电压的大小控制压力对选择度改变的快慢。
[0008] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0009] 采用的施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法，在施加电压的同时施加压 力，由于系统尺度非常小，施加较小的压力即可产生巨大的压强，实现容易，便于操作。获得 的离子选择度较高，并且不会受到溶液pH值和浓度的制约，增大压力，即可增大离子选择 度，减小电压，即可加快离子选择度随压力的变化速度，实现了对离子选择度单向且速度可 调的灵活控制。
[0010] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0011] 图1是根据本发明一个实施例的系统模型。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0013] 本发明一种施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法包括:在纳米孔水库系 统的一端施加电压的同时施加压力，调节压力的大小控制选择度的大小，调节电压的大小 控制压力对选择度改变的快慢。
[0014] 作为优选方案，采用如图1所示的实现方式，即一个包含着一个长度为匕和半径为 Rn的圆柱形纳米孔的固态膜将两个大的、轴向长度为Lr，半径为Rr的相同的水库分隔在两 边。纳米孔和两个水库都充满着一种包含X种离子的不可压缩的牛顿电解质溶液。被称为聚 合电解质层的聚合电解质刷被末端移植到整个膜壁表面。聚合电解质层是离子可穿透的、 结构均匀的，且有着均匀厚度1^的。一个外部电压差和压力被施加在位于远离纳米孔的两 个液体水库内的两个电极之间。经过纳米孔的离子传输导致了离子电流。
[0015]聚合电解质层携带两性离子官能团（如赖氨酸），PE~C00H和PE~NH2,能够进行以 下的分离/缔合反应：
[0018] 两个水库足够大，在远离纳米孔处的第j种离子的浓度保持为它的总体值，CJ0 (mM) 〇
[0019] 作为优选方案，水溶液中的背景盐是KC1，并且溶液的pHo( = -1 og[Η+ ]ο)由HC1和 Κ0Η来调整，其中[H+ ] ο是H+的总体摩尔浓度。
[0020] 纳米孔的选择度S可以由下列式子计算：
[0022] 1= I IC￡J + | Ian| 是纳米孔中的净离子电流，其中Ica=Ii+l3 = jQF(Ni · η+Ν3 · η)(1Ω 来自1(+和!1+，1311=12+14 =如？(吣*11+他*11)(1〇来自(：1_和0!1_，其中，％是第」种离子的通量密 度，η代表表面的单位法向量，F = 96490C/mol是法拉第常数，Ω表示水库的任何一个末端。
[0023] 在此系统中，增大压力，离子选择度变大;减小施加的固定电压，离子选择度随压 力的变化加快。
[0024] 本发明利用在纳米孔水库系统的一端施加电压的同时施加压力，实现了较高的离 子选择度。利用系统面积较小的特点，施加一定压力即可产生巨大的压强，实现方便，可行 性高。并且不会受到溶液pH值和浓度的制约，对离子选择度大小和变化的快慢控制灵活，提 供了设计针对pH值可调应用的带有聚合电解质刷的纳米孔的指导方针。
【主权项】
1. 一种施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法，其特征在于：在纳米孔水库系 统的一端施加电压的同时施加压力，利用小面积下施加一定压力产生的巨大压强来有效控 制和提高离子传输的选择度。2. 根据权利要求1所述的施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法，其特征在于： 运用压力的大小控制离子选择度的大小，运用电压的大小控制离子选择度变化的快慢。具 体做法是:增大压力，离子选择度变大;减小电压，离子选择度变化加快。3. 根据权利要求1所述的施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法，其特征在于： 使用如下的系统，用一个包含着一个长度为Ln和半径为Rn的圆柱形纳米孔的固态膜将两个 大的、轴向长度为k，半径为Rr的相同的水库分隔在两边。纳米孔和两个水库都充满着一种 包含X种离子的不可压缩的牛顿电解质溶液。一个外部电压差和压力被施加在位于远离纳 米孔的两个液体水库内的两个电极之间。经过纳米孔的离子传输导致了离子电流。4. 根据权利要求3所述的施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法所使用的系 统，其特征在于:使用带有pH值可调两性离子聚合物电解质刷的仿生纳米孔，聚合电解质层 携带两性离子官能团（如赖氨酸），PE~COOH和PE~N出，能够进行W下的分离/缔合反应：
【专利摘要】本发明公开了一种施加压力控制纳米孔中离子传输选择度的方法，在纳米孔水库系统的一端施加电压的同时施加压力，利用小面积下施加一定压力产生的巨大压强来有效控制和提高离子传输的选择度。本发明利用巨大的压强促进纳米孔中离子快速流动，通过电压对流动的离子进行筛选，从而获得较高的离子选择度，与单纯电压对离子选择度的控制相比，压力对离子选择度的控制不受溶液pH值和浓度的制约，且方向单一、速度可调，更加灵活可控。
【IPC分类】G05D16/20
【公开号】CN105573359
【申请号】CN201510916209
【发明人】单惠霞, 曾振平, 桂林卿, 季晓旭
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月10日