电渗流 1. 基本概念与现象 电渗流是一种电动现象，指在施加外部电场时，毛细管或多孔介质中液体整体相对于静止固体表面的运动。其核心驱动因素是固液界面处的双电层。当固体表面（如玻璃、石英毛细管内壁）与电解质溶液接触时，表面会发生解离或离子吸附，导致表面带有净电荷（例如，石英表面硅羟基在pH>3时解离，带负电）。为了维持电中性，溶液中的反离子（带正电）会因静电吸引聚集在固液界面附近，形成一层紧密吸附的固定层（斯特恩层）和一层可以发生切向运动的扩散层。这个由表面电荷和异号离子云组成的结构即为“双电层”。 2. 双电层与滑移面 双电层内存在一个重要的假想面，称为“滑移面”或“切平面”，位于斯特恩层之外、扩散层之内。在滑移面之外，离子和溶剂分子在电场作用下可以发生相对运动。滑移面上的电势称为Zeta电势（ζ电势），它是决定电渗流强度的关键物理量。当施加一个平行于固液界面的外电场时，扩散层中带净电荷（与表面电荷异号）的离子会受到电场库仑力的作用而发生迁移。这些离子通过黏性力带动其周围的溶剂分子一起运动，从而在宏观上表现为整个液体（除了最接近表面的极薄层外）像一个“塞子”一样，以近乎平头的流型向前流动。 3. 亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基方程 电渗流的速度和强度可以通过亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基方程进行定量描述。电渗流的平均体积流速（或平面电渗流的速度）公式为： \[ u_ {eo} = \frac{\epsilon \zeta E}{\eta} \] 其中： \( u_ {eo} \) 是电渗流速度。 \( \epsilon \) 是介质的介电常数。 \( \zeta \) 是Zeta电势。 \( E \) 是施加的电场强度。 \( \eta \) 是溶液的黏度。 该方程表明，电渗流速度与Zeta电势和电场强度成正比，与黏度成反比。正负号由ζ电势的符号决定（通常ζ电势与表面电荷符号相反）。 4. 电渗流在毛细管电泳中的关键作用 电渗流是毛细管电泳技术的核心驱动力之一。在CE中，通常使用熔融石英毛细管，其内壁带负电，产生指向负极的电渗流（EOF）。这种EOF有几个关键特性： 平流型 ：与压力驱动的抛物线型层流不同，EOF的流型几乎是扁平的，这极大减小了谱带展宽，提高了分离效率。 泵送效应 ：EOF可以作为整个毛细管中液体的“电渗泵”，驱动所有离子（无论带电正负）向同一方向（通常为阴极）迁移。阳离子迁移方向与EOF一致，速度最快；中性物质随EOF迁移，速度居中；阴离子迁移方向与EOF相反，但因EOF速度通常大于其电泳速度，故仍被拖向阴极，但速度最慢。这使得所有组分都能在一次运行中被检测。 影响因素 ：EOF速度受溶液pH、离子强度、添加剂、温度以及毛细管壁涂层等影响，因为它们会改变ζ电势。 5. 应用、控制与其它场景 除了CE，电渗流在微流控芯片、电渗泵、土壤和岩石中的流体输运以及药物输送等领域有重要应用。在实践中，常常需要对EOF进行精确控制或抑制，常见方法包括： 改变表面性质 ：对毛细管内壁进行共价键合或动态涂覆，改变其电荷密度和ζ电势。 调节缓冲溶液 ：改变pH以影响表面解离，或使用高离子强度压缩双电层以降低ζ电势。 添加表面活性剂或聚合物 ：通过吸附或形成双层结构来修饰界面。 此外，在复杂多孔介质中，电渗流还与电泳、浓度梯度扩散等过程耦合，形成更复杂的电动输运现象，其在环境工程和石油开采中的渗流应用也是研究重点。