随着微流控技术的快速发展,惯性效应在微流控芯片中的应用也越来越引起研究者的关注。对比其他微流控方法,惯性微流控芯片技术具有很多独特的优势,比如无需特殊标记即可以实现非侵入性操作,可以连续有效的处理实验进程,无需施加任何耗能的外力场即能够完成流体或粒子的精确操控等。然而,现有的惯性微流技术仍然存在诸多缺点,例如鞘液流的高度消耗性、操作程序的高度繁琐性、芯片制备的高度复杂性以及流体粘度的高标准性等,这些缺点严重制约它们的进一步发展来满足生物医学、工业生产、分析化学以及材料科学等领域的应用。本研究以现有惯性微流控技术为基础,通过引入不同微结构设计构建出三种不同功能类型的惯性微流控芯片（微结构辅助的缩扩管道惯性微流控芯片、微结构辅助的半圆形管道惯性微流控芯片以及微结构辅助的螺旋管道惯性微流控芯片）,并实现稀有细胞的分选、流体混合、血浆分离以及粒子/细胞操控等应用,为微流控芯片技术在生物医学、临床诊断以及工业生产等方面实现商业化用途提供新的技术手段。本论文研究结果如下:1.本研究将高通量的惯性微流方法（缩扩管道结构）与高回收率的微结构方法相结合,建立一种新型血液稀有细胞分离装置。首先利用AutoCAD软件设计微流控芯片结构,然后通过镀铬玻璃板做光掩膜,并采用光刻法制作芯片模具,最后使用软刻技术制备出结构清晰完整的PDMS微流控芯片。该芯片由四个不同的功能区域组成,包括过滤区域、惯性聚集区域、惯性分离区域和空间位阻区域。过滤区域能够有效的阻止外来碎片进入下游微管道引起堵塞。惯性聚焦区域中独特的惯性升力和二次流共同作用会使体积大的稀有细胞和血细胞经过惯性分离区域的中间管道,并进入空间位组分离区域。空间位阻区域可以对不同大小和变形性的细胞进行二次分选,进一步富集稀有细胞。2.通过计算流体力学模拟方法和荧光微球实验,阐述新型微流控芯片的分离机制。基于这种新方法,利用实验室所培养的人源性慢性粒白血病细胞,人源性乳腺癌细胞和人源性宫颈癌细胞分别混入正常的人体血液,从而模拟癌症患者血液。本研究可以在不用任何抗体标记的情况下从血细胞比容为1%的模拟血液样品中成功分离出三种稀有细胞,分离速率均达到每分钟2.24×107个细胞,稀有细胞回收率均达到90%以上,稀有细胞富集率也可达到2.02×105倍以上。对比目前存在的诸多稀有细胞分离方法,该技术具有高通量、高回收率以及高富集率的优势,为建立癌症患者微型诊断分析平台提供新的技术手段。3.本研究通过将混沌对流式微混合器的两大类型技术相结合,提出一种微结构辅助的半圆形管道惯性微流式混合器。该混合器可以同时利用管道壁上微结构产生的螺旋形涡旋流和半圆形管道产生的迪恩涡旋流来促进流体混合。首先利用AutoCAD软件设计出微流控芯片结构,然后采用光刻法制作芯片模具,并使用软刻技术制备出结构清晰完整的PDMS微流控芯片。该芯片是由简单的低高宽比半圆形管道和一系列等间距的微柱组成。另外,作为对照,制备出无微柱分布的相同尺寸半圆形管道芯片进一步验证所设计混合器的优势。4.通过计算流体力学模拟方法研究流体在两种半圆形管道中的运动分布和机理,并比较微结构半圆形管道和无微结构半圆形管道的流体运动情况。最后通过流体混合模拟研究和荧光素染料混合实验论证本研究所设计微混合器的高效混合性能,该混合器管道壁上微结构产生的螺旋形涡旋流和半圆形管道产生的迪恩涡旋流能够增加管道中水平面和竖直面的接触区域来实现流体的高效混合。与现有的混合方法对比,该混合式微混合器具有许多优势:（i）设计简单,制作方便（只需要单层刻蚀）;（ii）在大梯度流速范围内都具有高效的混合性能;（iii）易操作,无需外力刺激;（iv）混合通路和交界面的较强灵活性;（v）便于拓扑学结构优化和与其他微流控系统整合。这种新型的惯性微流控方法,为研制出各式各样的微流控混合器提供新的方向。5.本研究利用等序列分布的微结构和螺旋形管道相结合,构建一种新型的惯性微流操控芯片体系。首先利用AutoCAD软件设计微流控芯片结构。然后采用光刻法制作芯片模具,并使用软刻技术制备出结构清晰完整的PDMS微流控芯片。在粒子运动表征部分共设计八种不同低高宽比的螺旋管道装置,这些装置都是只有一个进口、一个出口以及四个圈数的管道组成的。其中作为空白对照,装置1是没有等序列微结构分布的螺旋管道,其他七个装置在装置1螺旋管道基础上循序排列不同大小或间距的微结构。在粒子和生物应用部分,装置的出口被拆分成三个出口来探索所设计的惯性微流控技术在粒子和生物分选上的优势。6.首先通过对八种不同螺旋管道中粒子运动的动态表征,优化出粒子灌注的最佳操作条件,为后续粒子和细胞操控研究打下基础。随后利用优化出来的操作条件对粒子应用（粒子聚焦和粒子分选）和细胞应用（细胞聚焦,血浆分离,细胞分选）分别进行实验研究,证明该芯片对比其他惯性微流操控方法具有许多优点。例如,芯片制作更为简单（单层和大尺寸管道设计）,重复性好、稳定性高（长时间操控仍能保持始终如一的操控质量）,操作方式简便（无需鞘液流的帮助）,处理通量较高（无平行化设计即能达到mL min-1级别）。这些优点有利于实现芯片的大批量生产和高效操作,为生物医学中微型诊断仪器的研制提供新的技术手段。