電泳晶片中帶電離子之運動現象
圖一、帶電離子在壁面附近之運動現象
毛細管電泳 (capillary electrophoresis) 為近年來發展迅速的一種分析方法，在外加直流電場中，帶有不同質量與電荷的分析物會有不同的移動速率，因而產生分離的機制。其優點為分析速率高、所需樣品量小、攜帶方便、靈敏度高及儀器操作方便，也易於發展自動化，因此廣泛應用於分析上，如生化、藥物、離子、石化產品、環境及食品化學等領域。
毛細管電泳的流場特性不同於壓力驅動的流場，在管壁會產生電雙層的效應，也因此流體的速度剖面圖並非拋物線形的，這與壓力驅動的流體相當不同，如圖一所示。當毛細管電泳充滿緩衝溶液時，管壁會形成約 1–100 奈米厚的電雙層。管壁的物質會因解離而產生陰離子，並緊密地分布在管壁上，而液體區的陽離子被陰離子吸引，在管壁形成約 0.5 奈米的固定層，固定層中的陽離子固定緊密地吸附在管壁上。離管壁更遠處溶液中尚有其他帶正電的物質被吸引，但隨著離管壁距離增加，電荷密度急遽下降，而這一層即為擴散層，約幾個奈米至數百奈米左右。
目前電動力學的數值模擬仍需要更正確的物理模型和健全的數值方法，我們需要精確的電雙層模型，而且也需要滿足電中性，此時計算流體力學的方法將極為複雜，因此電雙層的研究仍有許多發展空間。在毛細管電泳數值模擬中，通常使用濃度方程式來計算溶質在毛細管電泳晶片中的流動，但使用濃度方程式僅能看出毛細管電泳內之流場及電場之分布情形，而無法實際看出毛細管電泳微流道內不同帶電性質溶質離子之運動現象，且溶質離子帶電之正負和大小皆會影響溶質離子的運動狀態。
帶電溶質離子在毛細管電泳內的移動主要取決於電滲流流場及外加電場的合力作用。帶電離子之移動速度 Vobs 決定於電場力之作用速度 Vion 及電滲流之作用速度 VEOF， 如圖二。
圖二、不同電性之溶質離子在毛細管電泳內運動情形
圖三、(a) 十字管道內流線分布圖、(b) 十字管道內電力線分布圖
本研究使用絕對遷移率來計算帶電溶質離子在毛細管電泳內之移動情形。已有實驗證明在乙(月青) (acetonitrile) 溶劑中四酚基磷酸鹽 (tetraphenylphosphonium) 及四酚基硼酸鹽 (tetraphenylborate) 兩種帶電溶質離子之移動模式。當帶電溶質離子進入十字管道時，由於流場力及電場力的複合作用，使帶正電及負電的溶質離子有不同的運動現象。圖三 (a) 是流線分布圖，代表流場 VEOF 的運動方向。圖三 (b) 是電場線分布圖，代表電場 Vion 的運動方向。
毛細管內當外加電壓加在上方入口及下方出口時，帶電離子開始從上方向下方移動，由圖五可以得知帶正負電溶質離子由於電場及流場力的作用，造成兩者在毛細管電泳內移動速度不同。
圖四中顯示了當帶電溶質離子在毛細管電泳管道內流動時，由於電場力的影響使帶負電離子慢於帶正電離子。由此結果可以得知，正負離子的分離現象並不是在分離流道內才會發生，當外加電壓一開始加入毛細管電泳晶片時，正負離子的分離就開始發生。
圖四、帶正電離子較先進入十字管道內
圖五、帶電溶質離子在十字流道內分布情形
由圖五所示，在十字管道內紅色帶正電溶質離子與綠色帶負電的溶質離子流出至分離流道，而綠色帶負電溶質離子會聚集在分離流道的上方。這是由於帶電離子在十字管道中，所帶電性不同會造成速度向量之合力方向不同。圖六顯示帶正電離子會有流線及電場線經過而影響其運動方向。由於正電離子受電場力與流場力的方向相同，離子會沿著流線運動，且速度會隨著離開注入流道而減小。
圖六、帶正電溶質離子在十字管道內分布及速度向量
圖七、帶負電溶質離子在十字管道內分布及速度向量
圖七顯示帶負電離子會有流線及電場線經過而影響其運動方向。由於負電離子受電場力與流場力的方向相反，負離子會被電場力往上游推擠，故負電離子會向分離流道兩邊擴散，且速度會隨著離開注入流道而減小。由此結果可看出當帶電溶質離子的極性不同時，在十字管路內有不同的運動方向。這是一般濃度方程式無法顯示的移動特性。
本文模擬帶電流質離子在毛細管電泳晶片中運動情形，可以發現離子帶電性對於其運動方向有重大的影響，本文所發現的現象是過去無法用濃度方程式所計算出來的，透過此方法可以更了解帶電溶質離子之運動模式，對於毛細管電泳晶片之設計有更大的幫助。
