Электроосмотический поток жидкости: принципы и применение
Electro-osmosis
Электроосмотический поток: движение жидкости под воздействием электрического потенциала в пористых материалах. Применение в капиллярном электрофорезе и химии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Движение жидкости через проводник вследствие электрического потенциала
Movement of liquid through a conduit due to electric potential
В химии электроосмотический поток (EOF, дефис не обязателен; синоним электроосмоса или электроэндосмоса) — это движение жидкости, вызванное приложенным потенциалом в пористом материале, капиллярной трубке, мембране, микроканале или любом другом канале для жидкости. Поскольку электроосмотические скорости не зависят от размера канала, пока электрический двойной слой значительно меньше характерного масштаба длины канала, электроосмотический поток будет оказывать незначительное влияние. Электроосмотический поток наиболее важен в небольших каналах и является важным компонентом методов химического разделения, в частности капиллярного электрофореза. Электроосмотический поток может возникать в природной нефильтрованной воде, а также в буферных растворах.
In chemistry, electro osmotic flow (EOF, hyphen optional; synonymous with electro osmosis or electro endosmosis) is the motion of liquid induced by an applied potential across a porous material, capillary tube, membrane, microchannel, or any other fluid conduit. Because electro osmotic velocities are independent of conduit size, as long as the electrical double layer is much smaller than the characteristic length scale of the channel, electro osmotic flow will have little effect. Electro osmotic flow is most significant when in small channels, and is an essential component in chemical separation techniques, notably capillary electrophoresis. Electro osmotic flow can occur in natural unfiltered water, as well as buffered solutions.
История
Электроосмотический поток был впервые описан в 1807 году Фердинандом Фридрихом Рейсом (18 февраля 1778 года (Тюбинген, Германия) – 14 апреля 1852 года (Штутгарт, Германия)) в неопубликованной лекции перед Московским физико-медицинским обществом; Рейс впервые опубликовал описание электроосмотического потока в 1809 году в "Мемориях Императорского общества натуралистов Москвы". Он показал, что можно заставить воду протекать через пробку глины, приложив электрическое напряжение. Глина состоит из плотно упакованных частиц кремнезёма и других минералов, и вода течёт через узкие пространства между этими частицами так же, как через узкую стеклянную трубку. Любая комбинация электролита (жидкости, содержащей растворённые ионы) и изолирующего твёрдого тела генерирует электроосмотический поток, хотя для воды и кремнезёма эффект особенно выражен. Тем не менее, скорость потока обычно составляет всего несколько миллиметров в секунду. Электроосмос был открыт независимо в 1814 году английским химиком Робертом Порреттом-младшим (1783–1868).
Electro osmotic flow was first reported in 1807 by Ferdinand Friedrich Reuss (18 February 1778 (Tübingen, Germany) – 14 April 1852 (Stuttgart, Germany)) in an unpublished lecture before the Physical Medical Society of Moscow; Reuss first published an account of electro osmotic flow in 1809 in the Memoirs of the Imperial Society of Naturalists of Moscow. He showed that water could be made to flow through a plug of clay by applying an electric voltage. Clay is composed of closely packed particles of silica and other minerals, and water flows through the narrow spaces between these particles just as it would through a narrow glass tube. Any combination of an electrolyte (a fluid containing dissolved ions) and an insulating solid would generate electro osmotic flow, though for water/silica the effect is particularly large. Even so, flow speeds are typically only a few millimeters per second. Electro osmosis was discovered independently in 1814 by the English chemist Robert Porrett Jr. (1783–1868).
Причина
Электроосмотический поток возникает из-за силы Кулона, действующей на чистый подвижный электрический заряд в растворе под воздействием электрического поля. Химическое равновесие между твердой поверхностью и раствором электролита обычно приводит к тому, что граница раздела приобретает чистый фиксированный электрический заряд, вследствие чего вблизи границы раздела формируется слой подвижных ионов, известный как электрический двойной слой или слой Дебая. При приложении электрического поля к жидкости (обычно через электроды, расположенные на входах и выходах) чистый заряд в электрическом двойном слое приходит в движение под действием силы Кулона. Возникающий поток называется электроосмотическим потоком.
Electroosmotic flow is caused by the Coulomb force induced by an electric field on net mobile electric charge in a solution. Because the chemical equilibrium between a solid surface and an electrolyte solution typically leads to the interface acquiring a net fixed electrical charge, a layer of mobile ions, known as an electrical double layer or Debye layer, forms in the region near the interface. When an electric field is applied to the fluid (usually via electrodes placed at inlets and outlets), the net charge in the electrical double layer is induced to move by the resulting Coulomb force. The resulting flow is termed electroosmotic flow.
Физика
В топливных элементах электроосмос приводит к тому, что протоны, движущиеся через протонообменную мембрану (PEM), увлекают за собой молекулы воды с одной стороны (анода) на другую (катод).
In fuel cells, electro osmosis causes protons moving through a proton exchange membrane (PEM) to drag water molecules from one side (anode) to the other (cathode).
Биология сосудистых растений
В биологии сосудистых растений электроосмос также используется как альтернативное или дополнительное объяснение движения полярных жидкостей по флоэме, отличающееся от теории когезионного натяжения, лежащей в основе гипотезы массового потока, и других механизмов, таких как цитоплазматическое течение. Сопутствующие клетки участвуют в "циклическом" извлечении ионов (K+) из ситовых трубок и их последующей секреции вблизи мест извлечения между ситовыми пластинками, что приводит к поляризации элементов ситовой пластинки и созданию разности потенциалов давления, в результате чего полярные молекулы воды и другие растворенные вещества перемещаются вверх по флоэме.
In vascular plant biology, electro osmosis is also used as an alternative or supplemental explanation for the movement of polar liquids via the phloem that differs from the cohesion tension theory supplied in the mass flow hypothesis and others, such as cytoplasmic streaming. Companion cells are involved in the "cyclic" withdrawal of ions (K+) from sieve tubes, and their secretion parallel to their position of withdrawal between sieve plates, resulting in polarisation of sieve plate elements alongside potential difference in pressure, and results in polar water molecules and other solutes present moved upward through the phloem.
Недостатки
Для поддержания электрического поля в электролите необходимо, чтобы на аноде и катоде протекали фарадеевские реакции. Обычно это электролиз воды, в результате которого образуются пероксид водорода, ионы водорода (кислота) и гидроксид-ионы (щелочь), а также пузырьки кислорода и водорода. Пероксид водорода и/или изменения pH могут неблагоприятно воздействовать на биологические клетки и биомолекулы, такие как белки, а газовые пузырьки склонны "закупоривать" микрофлюидные системы. Эти проблемы можно смягчить, используя альтернативные электродные материалы, такие как сопряженные полимеры, которые сами могут участвовать в фарадеевских реакциях, значительно уменьшая электролиз.
Maintaining an electric field in an electrolyte requires Faradaic reactions to occur at the anode and cathode. This is typically electrolysis of water, which generates hydrogen peroxide, hydrogen ions (acid) and hydroxide (base) as well as oxygen and hydrogen gas bubbles. The hydrogen peroxide and/or pH changes generated can adversely affect biological cells and biomolecules such as proteins, while gas bubbles tend to "clog" microfluidic systems. These problems can be alleviated by using alternative electrode materials such as conjugated polymers which can undergo the Faradaic reactions themselves, dramatically reducing electrolysis.