基于AFM膠體探針測(cè)量液固界面DLVO力及表面電勢(shì)

田維芳, 鄭 旭, 李戰(zhàn)華, 徐 征

(1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024; 2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

基于AFM膠體探針測(cè)量液固界面DLVO力及表面電勢(shì)

田維芳1, 鄭 旭2,*, 李戰(zhàn)華2, 徐 征1

(1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024; 2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

表面電勢(shì)是微納流控芯片中流體流動(dòng)的重要參數(shù)。本文介紹了基于AFM膠體探針技術(shù)測(cè)量液固界面DLVO力并進(jìn)一步測(cè)量表面電勢(shì)及表面電荷密度的方法。本文改進(jìn)了膠體探針制作的技術(shù)手段，并提出用雙探針?lè)y(cè)量膠體探針的彈性系數(shù)。在0.1～1mM濃度范圍內(nèi)的NaCl溶液中，測(cè)量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面雙電層內(nèi)的DLVO力及表面電勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明膠體探針技術(shù)可以很好地測(cè)量液固界面的DLVO力，尤其對(duì)靜電力指數(shù)變化段非常敏感。通過(guò)DLVO力曲線可以間接測(cè)量表面電勢(shì)、表面電荷密度等重要參數(shù)，是微納流動(dòng)及界面屬性測(cè)量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的測(cè)量結(jié)果顯示了硅烷醇基密度對(duì)表面電勢(shì)起主導(dǎo)作用，可以通過(guò)選用不同硅烷醇基密度的材料來(lái)有效調(diào)控表面電勢(shì)，從而在硅基材料制作的微流控芯片中調(diào)控電動(dòng)流動(dòng)的強(qiáng)弱。

AFM；膠體探針；液固界面；DLVO力；表面電勢(shì)

0 引 言

水和氣體、固體間的界面問(wèn)題無(wú)處不在，且在生活及大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域都十分重要[1]。近年來(lái)隨著流動(dòng)尺度的進(jìn)一步減小，納流控應(yīng)運(yùn)而生，在生物芯片技術(shù)、新能源領(lǐng)域及微納尺度化學(xué)分析等方面都有廣闊的應(yīng)用前景[2]。溶液中，固體表面會(huì)從溶液中選擇性地吸附離子或是固體表面的帶電基團(tuán)解離而帶電。根據(jù)電中性原理，帶電表面附近的液體中必有與固體表面電荷數(shù)量相等但符號(hào)相反的反離子，帶電表面和反離子構(gòu)成雙電層。由于電荷分離而造成的液固兩相內(nèi)部的電位差稱為表面電勢(shì)。表面電荷/表面電勢(shì)引起的雙電層會(huì)對(duì)微納米尺度的流體流動(dòng)產(chǎn)生重要影響[1,3]。因此精確測(cè)量雙電層內(nèi)表面電勢(shì)/表面電荷密度，進(jìn)而有效調(diào)控表面電勢(shì)/表面電荷密度顯得尤為重要。

傳統(tǒng)測(cè)量液固界面表面電勢(shì)及表面電荷密度的方法有流動(dòng)電位法及電滲法[4-5]。Kirby[4]等人通過(guò)流動(dòng)電位法間接測(cè)量了硅基表面的zeta電勢(shì)。在外力驅(qū)動(dòng)下，微通道中液體流動(dòng)帶動(dòng)帶電離子沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，使電荷在下游沉積，產(chǎn)生電位差，即流動(dòng)電位，從而通過(guò)計(jì)算得到zeta電勢(shì)。電滲法則是通過(guò)測(cè)量電滲流速度間接測(cè)量zeta電勢(shì)。這2種方法都是測(cè)量雙電層中的擴(kuò)散層自由電荷相對(duì)液固界面的輸運(yùn)，其界面電勢(shì)是基于剪切滑移面定義的，即zeta電勢(shì)。DLVO理論[1]描述了液固界面帶電表面相互作用力，包括范德華力和靜電力。而由靜電排斥定義的表面電勢(shì)直接基于液固界面，不受滑移面位置的影響，是更能代表液固界面的本征屬性[1,6-7]?；贒LVO理論，本文改進(jìn)了AFM膠體探針測(cè)量表面電勢(shì)ψ的方法?？紤]到近年來(lái)硅基材料在MEMS傳感器上的廣泛應(yīng)用[8]，測(cè)量硅基材料液固界面作用力、表面電勢(shì)以及表面電荷密度對(duì)MEMS傳感器的研究有著重要的實(shí)踐意義，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)流體測(cè)量技術(shù)在微納尺度的重要發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

本實(shí)驗(yàn)基于原子力顯微鏡膠體探針技術(shù)測(cè)量表面電勢(shì)，儀器采用Asylum Research 公司的MFP-3DTM原子力顯微鏡。圖1為AFM液下工作原理示意圖。膠體探針由膠體球和無(wú)針尖懸臂梁粘結(jié)，在實(shí)驗(yàn)室自行加工而成(詳見(jiàn)下文1.2節(jié))。膠體探針由壓電控制器控制以恒定速度接近樣品表面，過(guò)程中受到靜電力、水動(dòng)力學(xué)阻力及范德華力作用，這些力的綜合作用使得懸臂梁(Cantilever)產(chǎn)生微小變形。所以當(dāng)激光(Laser)照射到懸臂梁末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)發(fā)生變化，造成偏移量的產(chǎn)生，懸臂梁的變形可由偏移量在光電位置敏感器件(Position sensitive detector)上的反饋得到。基于胡克定律，通過(guò)變形量及懸臂梁彈性系數(shù)可測(cè)得力。圖1中，Zs為系統(tǒng)基準(zhǔn)位置位移，向上為正方向，由AFM中壓電傳感器測(cè)量得出；drect為膠體探針彈性變形，大小可由前述激光反射位移偏移量決定；D由Zs和drect計(jì)算得到?；诖藴y(cè)試系統(tǒng)，由Igor Pro軟件可直接得膠體探針表面到基底之間距離D與膠體探針?biāo)蹹LVO力和水動(dòng)力學(xué)阻力關(guān)系曲線。在無(wú)滑移邊界條件下的牛頓流體中，球面接近平面過(guò)程中所受水動(dòng)力學(xué)阻力可由公式(1)描述[9]：

式中：η為水動(dòng)力學(xué)粘滯系數(shù)；r為球半徑；U為接近速度；h為球面與平面距離。所以，液體環(huán)境下，當(dāng)膠體探針(直徑為20.0±0.5μm)以極低的速度(10nm/s量級(jí))接近樣品底面時(shí)，在距離壁面10nm左右位置，水動(dòng)力學(xué)阻力最大只有約10-11N，而本實(shí)驗(yàn)關(guān)注的DLVO力量級(jí)在10-9N量級(jí)，相比之下水動(dòng)力學(xué)阻力可忽略不計(jì)，本實(shí)驗(yàn)只考慮靜電力與范德華力。

1.2 AFM膠體探針制作及其彈性系數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用直徑為20.0±0.5μm的二氧化硅小球(Duke Scientific，此種微球表面粗糙度最小[10])。取適量小球顆粒放到燒杯中，加入無(wú)水乙醇，超聲清洗5min，重復(fù)此步驟2次。清洗完成后用普通標(biāo)準(zhǔn)探針(Asylum Research)掃描小球工作區(qū)域形貌，表面RMS均方根粗糙度在1nm以下(掃描范圍5μm×5μm)，如圖2所示。

超純水超聲清洗蓋玻片30h，烘干備用。AFM膠體探針具體制作步驟如圖3所示：使用移液器量取100μL清洗后小球與乙醇混合液滴在干凈的蓋玻片上，烘干晾至室溫，如圖3(1)和(2)所示；然后將混合均勻的環(huán)氧樹脂AB膠粘取針尖大小到蓋玻片上。將此蓋玻片放到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，利用AFM測(cè)試系統(tǒng)使無(wú)針尖懸臂梁(Nano Sensors，彈性系數(shù)0.12N/m，厚2.0±1μm，長(zhǎng)450±10μm,寬50±7.5μm)接近膠水表面，黏著少量膠水，如圖3(3)和(4)所示；然后上移無(wú)針尖懸臂梁，左右移動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)水平XY調(diào)節(jié)平臺(tái)，找到合適的二氧化硅小球。慢慢使無(wú)針尖懸臂梁下降，同時(shí)左右移動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)XY調(diào)節(jié)平臺(tái)，使小球正對(duì)懸臂梁下方，懸臂梁下降至接觸到小球?yàn)橹?，等?min左右，上移懸臂梁，等待膠水完全凝結(jié)，此時(shí)膠體探針制作完成，如圖3(5)和(6)所示。

探針彈性系數(shù)的測(cè)量方法有幾何法[11]、熱噪聲法[12]、水動(dòng)力學(xué)法[13-14]和附加質(zhì)量法[15]等，本實(shí)驗(yàn)采用系統(tǒng)自帶熱噪聲法標(biāo)定普通探針彈性系數(shù)。實(shí)驗(yàn)所用普通探針為Bruker公司的探針，熱噪聲法測(cè)得彈性系數(shù)為krect=0.15N/m (誤差在4%內(nèi))。因膠體探針上小球質(zhì)量比懸臂梁大得多，故不能使用熱噪聲法測(cè)膠體探針彈性系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)欲采用雙探針?lè)y(cè)膠體探針彈性系數(shù)，即用普通探針壓迫膠體探針使其形變，測(cè)量原理如圖4所示。將膠體探針固定到蓋玻片上，普通探針安裝在AFM上，普通探針下壓膠體探針過(guò)程中，2探針產(chǎn)生形變，設(shè)變形量分別為drect、dprobe，彈性系數(shù)分別為krect、kprobe，彈性力為F。2個(gè)探針的受力變形過(guò)程可看作是2彈性體的串聯(lián)，則總彈性系數(shù)為k=krect×kprobe/(krect+kprobe)，總變形量為d=drect+dprobe。由AFM測(cè)試系統(tǒng)可得F與d關(guān)系曲線，斜率的絕對(duì)值即為k，此時(shí)可得到kprobe=krect×k/(k-krect)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得自行粘結(jié)膠體探針彈性系數(shù)為0.27±0.05N/m。本實(shí)驗(yàn)用此雙探針?lè)▽?shí)際測(cè)量了膠體探針的彈性系數(shù)，比僅僅通過(guò)幾何法或熱噪聲法得到的簡(jiǎn)單估算值更加可靠。由于2探針受力過(guò)程可相當(dāng)于一個(gè)兩彈簧串聯(lián)模型，一般認(rèn)為2探針變形量越接近則測(cè)得的彈性系數(shù)越接近真值，且不易因探針懸臂梁彎曲過(guò)大而受損壞。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明當(dāng)用來(lái)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)探針彈性系數(shù)接近膠體探針彈性系數(shù)時(shí)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較好。

Fig.4 Schematic of measuring colloidal probe spring constant based on cantilever to cantilever device

1.3 表面電勢(shì)測(cè)量方法

AFM膠體探針是通過(guò)測(cè)量膠體探針受到帶電表面的作用力來(lái)測(cè)量表面電勢(shì)及表面電荷密度的。基于DLVO 理論，膠體探針與表面之間的相互作用力為范德華力和靜電力之和，其相互作用能表達(dá)式為：

WDLVO(D)=

(2)式右側(cè)第一項(xiàng)表示靜電力的作用能，第二項(xiàng)表示范德華力作用能?；贒erjaguin近似，相互作用力為[1,6-7]：

由公式(2)、(3)得：

(4)式中，ε為介電常數(shù)，к-1為德拜(Debye)長(zhǎng)度，ψ1為探針表面電勢(shì)，ψ2為基底表面電勢(shì)，D為探針與壁面接觸面距壁面距離，R為探針球半徑，A為Hamaker常數(shù)，取1.2×1020J。此處含有3個(gè)未知數(shù)；к-1、ψ1和ψ2，由公式(4)可知，表面電勢(shì)ψ1和ψ2由靜電力部分決定。一般認(rèn)為，靜電力主導(dǎo)的作用范圍在距離壁面2к-1～3к-1的范圍內(nèi)，因此，對(duì)此范圍的力曲線進(jìn)行線性擬合即可得德拜(Debye)長(zhǎng)度 к-1的倒數(shù)к。理論上，如果確定了ψ1，就可以通過(guò)力曲線擬合唯一確定待測(cè)表面電勢(shì)ψ2。因此，表面電勢(shì)ψ2的確定需要2步：(1) 對(duì)稱結(jié)構(gòu)測(cè)探針表面電勢(shì)ψ1。選用和探針材質(zhì)相同的SiO2作基底，即SiO2-SiO2，此時(shí)，ψ1=ψ2。通過(guò)AFM測(cè)試系統(tǒng)可得DLVO力與距離D關(guān)系，將此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與公式(4)中理論曲線在2к-1～3к-1范圍內(nèi)擬合得探針表面電勢(shì)ψ1；(2) 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)測(cè)基底表面電勢(shì)，例如選用氮化硅表面做基底，即SiO2-Si3N4。將第(1)步中得到的探針表面電勢(shì)ψ1代入公式(4)，此時(shí)只剩一個(gè)未知數(shù)ψ2。采用同樣的方法，將在氮化硅表面所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論力曲線擬合可得氮化硅表面電勢(shì)ψ2。

此法也為測(cè)量表面電荷密度提供新思路。擴(kuò)散層中，由Grahame 方程可得表面電荷密度與表面電勢(shì)關(guān)系，

式中：ε為介電常數(shù)；kB為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；e為電子數(shù)。基于電中性原理，液固界面的表面電荷密度應(yīng)與擴(kuò)散層中的反電荷中和。因此，一定液體環(huán)境下，已知表面電勢(shì)就可以唯一確定表面電荷密度。

1.4 基底制備

等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)屬于化學(xué)氣相沉積的一種類型，主要是借助施加一個(gè)射頻功率產(chǎn)生輝光放電等離子體，使反應(yīng)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成介質(zhì)薄膜的技術(shù)。

本實(shí)驗(yàn)采用此技術(shù)制備氮化硅和二氧化硅薄膜，步驟如下：(1) 取直徑大小為2inch，厚500μm<100>的單面拋光硅片若干片，放入體積比為濃H2SO4∶H2O2= 7∶3的混合溶液中，在80℃水浴下加熱30min，然后用去離子水清洗，并用烘箱烘干備用；(2) 采用OXFORD-NGP80 DEP薄膜沉積設(shè)備，在烘干后的硅片上單面沉積氮化硅薄膜。采用同樣的步驟制備二氧化硅薄膜。然后用光譜橢偏儀分別測(cè)得沉積氮化硅薄膜厚度為53.4±0.1nm，二氧化硅薄膜厚度為48.5±0.1nm。 AFM掃描清洗后硅片表面形貌得表面RMS均方根粗糙度均為1nm以下(掃描范圍5μm×5μm)。氮化硅和二氧化硅薄膜表面RMS均方根粗糙度均為2nm以下(掃描范圍5μm×5μm)。

2 結(jié)果與討論

首先，對(duì)稱結(jié)構(gòu)SiO2-SiO2確定探針表面電勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)采用超純水與分析純氯化鈉配制0.1、0.3、0.8和1 mM 4種不同濃度氯化鈉溶液。電導(dǎo)率儀測(cè)得溶液pH為5.5左右，電導(dǎo)率分別為11.2、35.4、60.0和115.2μs/cm，通過(guò)電導(dǎo)率與濃度關(guān)系計(jì)算得溶液實(shí)際濃度分別為0.09、0.28、0.48和0.93mM。德拜(Debye)長(zhǎng)度可由下式近似計(jì)算，

式中：c為溶液濃度(mol/L)，κ-1為德拜(Debye)長(zhǎng)度(nm)。表1所示為電導(dǎo)率儀(METTLER TOLEDO，SevenMulti S40)測(cè)得上述4種濃度溶液的電導(dǎo)率、實(shí)際濃度、德拜(Debye)長(zhǎng)度理論值及德拜(Debye)長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 不同氯化鈉濃度下的電導(dǎo)率與德拜長(zhǎng)度對(duì)照表Table 1 Conductivity and Debye length in different NaCl solutions

AFM接近基底表面過(guò)程中主要受靜電排斥力和范德華吸引力，將當(dāng)靜電排斥力不足以抵抗范德華吸引力時(shí)引起的探針跳變點(diǎn)處作為壁面，也就是距離零點(diǎn)。AFM測(cè)得DLVO力曲線如圖5所示：膠體探針距壁面D>100nm時(shí)DLVO力主要為0.01～0.1nN的噪音；逐漸靠近壁面，在1.5к-1～3к-1范圍內(nèi)主要是靜電力起作用，且以指數(shù)衰減；當(dāng)靠近到距壁面10nm時(shí)，范德華力開始顯現(xiàn)，隨著到壁面距離的進(jìn)一步減小，影響逐漸明顯。在1κ-1范圍內(nèi)，對(duì)0.09mM濃度的溶液，DLVO力在6～10nN之間，而0.93mM的在2～5nN之間，主要是因?yàn)楸砻骐妱?shì)及表面電荷密度隨著溶液濃度的增大而減小，導(dǎo)致靜電排斥力減小。表面電勢(shì)的求解主要由1.5κ-1～ 3κ-1范圍決定，由圖可知此范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值擬合較好，也與Ducker[17]及Horn[18]等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好。從圖中還可明顯看出，DLVO理論擬合曲線在距離壁面1.5κ-1內(nèi)與實(shí)驗(yàn)曲線相比存在一定偏差，此現(xiàn)象在前人實(shí)驗(yàn)中也被發(fā)現(xiàn)[16]。原因主要是公式(3)中靜電力的理論值是基于Poisson-Boltzmann 方程的線性解，會(huì)在距離壁面較近的位置存在一定的偏差；同時(shí)，在大表面電勢(shì)的稀濃度溶液中該偏差也明顯更大。

圖5 二氧化硅基底上膠體探針在4種不同濃度氯化鈉溶液下的對(duì)數(shù)坐標(biāo)力曲線，黑線為連續(xù)電勢(shì)假設(shè)下的PB方程擬合線

Fig.5 Force curves between the colloidal probe and silica in different NaCl concentrations. The black curves are fitted based on PB equation under the assumption of constant potential

圖6所示為膠體探針表面電勢(shì)與溶液濃度關(guān)系。由圖可知，表面電勢(shì)ψ與pC呈線性關(guān)系ψ=-28.98×pC+55.21，與Kirby[4]給出的線性理論相近(pC=-log10C,C為濃度)。本實(shí)驗(yàn)在與Ducker[17]及Horn[18]相似的實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)果與其也較為接近。二氧化硅表面電荷主要是由硅烷醇基電離產(chǎn)生的負(fù)電荷，吸附溶液中的陽(yáng)離子(氫離子和鈉離子)，中和部分表面電荷，液相剩余的凈電荷與固相形成電位差，即表面電勢(shì)。體溶液中的電勢(shì)為零電勢(shì)點(diǎn)，那么樣品表面電勢(shì)為負(fù)值。因此，隨著溶液濃度的增加(對(duì)應(yīng)pC減小)，表面電勢(shì)絕對(duì)值減小。表面電勢(shì)測(cè)量誤差通常在±5～10mV以內(nèi)，一般認(rèn)為是由膠體探針表面及基底表面粗糙度、膠體探針彈性系數(shù)標(biāo)定誤差及AFM系統(tǒng)誤差及外界噪聲干擾等因素造成。

圖6 二氧化硅表面電勢(shì)測(cè)量結(jié)果(紅點(diǎn))及與Ducker(圓圈)和Horn(矩形)在相似測(cè)量環(huán)境下的結(jié)果比較。pC=-lgC(C為溶液濃度)

Fig.6 Comparison of the surface potential on silica (red symbols) between Duckers’ (circles) and Horns’ (squares) under similar experiment conditions.pC=-lgC.(Cis concentration)

圖7所示為硅、二氧化硅及氮化硅表面電勢(shì)對(duì)比圖。一般認(rèn)為，由于硅表面易被氧化，硅與二氧化硅液固表面都是同樣排布的硅烷醇基。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)得硅和二氧化硅在氯化鈉溶液中表面電勢(shì)及表面電荷密度相同。而氮化硅表面電勢(shì)絕對(duì)值比硅和二氧化硅的小10～20mV左右。推測(cè)其原因?yàn)椋汗杌鶚悠繁砻骐姾芍饕怯捎诠柰榇蓟碾婋x產(chǎn)生。單位面積內(nèi)氮化硅表面所帶硅烷醇基比二氧化硅少[19]，濃度等環(huán)境一致的條件下，氮化硅表面比二氧化硅表面剩余凈電荷少，因此，表面電勢(shì)絕對(duì)值也較小。

Fig.7 Comparison of surface potentials on silicon, silica and silicon nitride

3 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了膠體探針的制作過(guò)程及其彈性系數(shù)標(biāo)定方法，通過(guò)AFM膠體探針測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了不同硅基表面液固界面的DLVO力，從而間接測(cè)量了表面電勢(shì)及表面電荷密度，主要結(jié)論如下：

(1) AFM膠體探針技術(shù)可以很好地測(cè)量出靜電力的指數(shù)衰減段，并可以單獨(dú)由此段力曲線確定德拜 長(zhǎng)度，表征靜電作用的特征。通過(guò)DLVO理論擬合實(shí)驗(yàn)曲線可以得到表面電勢(shì)，表面電荷密度等重要參數(shù)?？紤]到PB方程的適用性以及靜電作用主導(dǎo)的強(qiáng)弱，0.1～1mM濃度是該技術(shù)的最優(yōu)測(cè)量范圍。

(2) 硅和二氧化硅在條件相同下表面電勢(shì)絕對(duì)值較為接近，而氮化硅要小10～20mV，原因主要是單位面積內(nèi)氮化硅表面所帶硅烷醇基比二氧化硅少，導(dǎo)致在濃度等環(huán)境一致的條件下氮化硅表面比二氧化硅表面剩余電荷少，因此，表面電勢(shì)絕對(duì)值也較小。此結(jié)果表明，可以通過(guò)選取不同硅烷醇基密度的材料來(lái)有效調(diào)控表面電勢(shì)，從而在硅基材料的微流控芯片中調(diào)控電動(dòng)流動(dòng)的強(qiáng)弱。

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(編輯：楊 娟)

Measuring DLVO force and surface potential based on AFM colloidal probe technique at liquid-solid interfaces

Tian Weifang1, Zheng Xu2,*, Li Zhanhua2, Xu Zheng1

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China; 2. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Surface potential is an important parameter of the fluid flow in microfluidics. This study develops a method to measure the surface potential and surface charge density based on the DLVO force obtained by colloidal probe technique using atomic force microscope (AFM). A novel procedure of colloidal probe fabrication is proposed, and then a cantilever-to-cantilever calibration method is used to determine the spring constant of the colloidal probe. We thus measure DLVO forces and surface potentials of silicon, silica and silicon nitride substrates, in 0.1 mM to 1 mM NaCl solutions respectively. The results show that our approach could well measure the DLVO forces at the liquid-solid interfaces, which is especially sensitive to the exponential variation of the electrostatic force. The surface potential, the surface charge density and other important parameters can be obtained via fitting the force curves. Additionally, the variation of surface potentials at different silicon-based surfaces indicates that the density of silane groups plays a dominant role on the surface potential. Thus it is possible to effectively control the surface potential by changing the silane density of the silicon-based materials. The findings could be valuable to regulating electro kinetic flow intensity in microfluidic chips.

AFM;colloidal probe;liquid-solid interfaces;DLVO force;surface potential

1672-9897(2017)04-0016-06

10.11729/syltlx20160163

2016-10-31;

2017-01-09

自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11202219);遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(LZ2014005)

TianWF,ZhengX,LiZH,etal.MeasuringDLVOforceandsurfacepotentialbasedonAFMcolloidalprobetechniqueatliquid-solidinterfaces.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 16-21. 田維芳, 鄭 旭, 李戰(zhàn)華, 等. 基于AFM膠體探針測(cè)量液固界面DLVO力及表面電勢(shì). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 16-21.

O363.2；O363.9

A

田維芳(1993-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生。研究方向：液固界面雙電層內(nèi)表面電勢(shì)測(cè)量及調(diào)制研究。通信地址：遼寧省大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)大連理工大學(xué)機(jī)械東樓(116024)。E-mail：tianweifang1993@163.com

*通信作者 E-mail: zhengxu@lnm.imech.ac.cn