离子浓差极化是在电化学、微流控和生物传感等领域非常重要的现象。
ICP：通常指离子浓差极化，也指实现该现象的器件或芯片。
**Ion Concentration Polarization：**现象的完整名称，描述其物理过程。
一 ICP定义
离子浓差极化是一种在电场的作用下，离子在具有离子选择性的界面，如使用离子交换膜、纳米通道、纳米孔，在这些界面附近发生耗竭或富集，从而导致局部离子浓度剧烈变化的现象。
离子选择性界面、外加电场、一侧稀（耗竭）一侧浓（富集）。
局部浓度的巨大变化会引发一系列独特的流体、电学和化学效应，可以用来进行样品的预浓缩、分离、去盐等操作。
二 ICP物理过程
ICP的发生包含三个基本要素：
（1）必须是离子溶液，即含有电解质的溶液。
（2）需要有离子选择性元件，只允许阳离子或阴离子选择性通过。
例如阳离子交换膜、阴离子交换膜、纳米通道、纳米孔
（3）需要外加电场，是ICP的驱动力，驱动离子定向移动。
过程：假如我们使用了阳离子交换膜作为离子选择性元件
（1）初始状态膜两侧是均匀的溶液。
（2）施加电场后，阳离子被阴极吸引，阴离子被阳极吸引。
（3） 但是存在阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
（4）形成耗竭区： 在膜靠近阳极的一侧，阳离子不断被电场"抽走"通过膜，而阴离子却被堵住无法离开。为了维持局部电中性，阴离子也必须有阳离子配对。因此，该区域的整体离子浓度急剧下降 ，形成一个离子耗竭区。此区电导率极低，电阻极高。
形成富集区 ： 在膜靠近阴极的一侧，从上游来的阳离子不断通过膜涌入，但阴离子却无法通过膜离开，导致离子不断堆积 ，形成一个离子富集区。此区电导率高。
（5）稳态形成 ： 最终，耗竭区极低的电导率导致大部分电压降都发生在这个区域，电场强度在此区变得非常强。这个强电场会驱动产生电渗流 或引发水的电离，以补偿离子传输，系统达到动态平衡。
三 ICP关键特征
（1）平台电流：随着电压的升高，电流会先逐渐变大，呈线性增加。一旦形成稳定的离子耗竭区，此处的电阻极高，导致电流达到一个饱和值，不随电压升高而明显增加，在I-V曲线上呈现出一个电流平台，这也是判断ICP发生的标志性电学信号。
（2）极限电流：平台电流对应的电流值与溶液的浓度和离子扩散系数有关。
：极限电流密度（A·m⁻²）
：每摩尔电解质解离产生的离子电荷数（例如 NaCl 中 n=2n=2）
：法拉第常数（96485 C·mol⁻¹）
：离子的平均扩散系数（m²·s⁻¹）
：本体溶液的浓度（mol·m⁻³）
：扩散边界层厚度（m）
与溶液的浓度和离子扩散系数呈正比。
（3）强电场与流体运动：耗竭区内的高电阻导致强电场的产生。
强电场会导致：
电渗流： 耗竭区边界（空间电荷区）的净电荷会产生强烈的电渗流，通常方向是从耗竭区指向富集区。
涡流 ： 在微流道中，这种电渗流与压力驱动流相互作用，常会在耗竭区边界形成涡旋，这对颗粒捕集和聚集至关重要。
（4）界面不稳定性：在高电压下，耗竭区与本体溶液的界面可能变得不稳定，出现指状或波形的扰动。
四 ICP典型结构
实现ICP的常见结构是双通道或者三通道结构：
主通道： 样品流动的通道。
侧通道/缓冲通道 ： 与主通道通过一个离子交换膜 或纳米孔阵列相连。
电极： 放置在主通道和侧通道的末端。
当在主/侧通道间施加电压时，离子选择性传输发生在连接处，从而在主通道内连接处的上游 形成离子耗竭区，下游形成富集区
五 ICP的应用
生物分子预浓缩 ：可以在几分钟内将目标物浓度提高数百、数千甚至百万倍，极大地提高了下游检测的灵敏度。
脱盐与海水淡化：在耗竭区，所有盐离子都被排除，只留下几乎无离子的水。通过巧妙的通道设计，可以将这部分脱盐的水收集出来。
生物颗粒分离与聚焦：细胞、细菌、病毒等颗粒在ICP产生的流场和电场中会受到不同的作用力（电泳力、介电泳力、流体阻力），从而可以实现按大小、电荷、介电性质的分离或聚焦成一条窄带。
生物传感器 ：目标分子与固定在耗竭区附近的探针结合后，会改变表面的电荷或几何结构，从而显著影响ICP的电学信号。这种信号放大作用使得检测非常灵敏。
非平衡电化学系统研究 ：作为研究极端离子浓度梯度、界面电荷传输和流体动力学的理想模型系统。