Асимптотический анализ поведения тернарного электролита около ионоселективной поверхности
Автор: Максим Сергеевич Алексеев
Соавторы: Ганченко Г. С., Демехин Е. А.
Организация: Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве РФ
Разработка лабораторий на чипе является актуальной задачей в области медицинской диагностики. К задачам, решаемым такими лабораториями, относится задача предварительного концентрирования аналита – биомолекул, по наличию или отсутствию которых можно определить заболевание. Предварительное концентрирование необходимо, поскольку молекул аналита может быть в исходном объёме настолько мало, что обычные тесты дадут ложноотрицательный результат. В последнее время эффект суперконцентрации [1, 2] приобретает всё большую популярность в качестве решения этой задачи. Этот эффект возникает около ионоселективных поверхностей и связан с конкуренцией механизмов транспорта ионов за счет электрического поля и градиента давления, концентрирование может достигать до миллиона раз от изначального. Однако до сих пор известно мало об условиях возникновения этого эффекта, поэтому требуется проведение дополнительных исследований.
В данном докладе будет представлены результаты асимптотического анализа, проведённого для относительно простой постановки с целью лучше разобраться в причинах появления эффекта суперконцентрации. В общем случае рассматривается задача течения тернарного несимметричного электролита в микроканале, на выходе которого находится ионоселективная мембрана, на входе задаётся плотность концентраций, между входом и выходом задана разность потенциалов и градиент давления. Задача описывается системой Нернста-Планка-Пуассона-Стокса.
В ходе асимптотического анализа было получено несколько приближенных решений для разных случаев, которые дают неплохое представление о поведении системы [3]. Анализ полученного в ходе асимптотического разложения внешнего и внутреннего решений показал сложную зависимость решения системы от зарядового числа третьего сорта ионов.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-29-00307.
1. Wang S.-C., Lai Y.-W., Ben Y. & Chang H.-C. Microfluidic Mixing by dc and ac Nonlinear Electrokinetic Vortex Flows // Ind Eng Chem Res. 2004. 43, 2902–2911.
2. Wang, S.-C. et al. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes. Biomicrofluidics 2, 14102 (2008).
3.Demekhin E.A., Ponomarev R.R., Alekseev M.S., Morshneva I.V., Ganchenko G.S. Electrokinetic instability of a highly charged and weakly diffusing analyte in a buffer electrolyte near an ion-selective surface // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2024. https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-024-01154-x
