近年来,微流控芯片技术已广泛应用于化学、分析、生物、医疗等领域,该技术具有样品用量少、分析时间短、高通量、灵敏度高、仪器小型化、污染小等优点。微芯片流体控制方法中的被动式微阀门基于其自身的结构和性质即可实现流体控制,运行过程中无需借助外部控制设备。其中,基于功能性微纳结构表面的被动式阀门可对流体实现较为精准的操控,这归功于阀门结构位置吉布斯能不平衡效应和气液固三相线的稳定性。由于制备和修饰手段的局限以及对微纳结构图案化设计拓展的不足,基于功能性微纳结构表面的被动阀门一直停留在对流体流动和流向的基本操控,缺乏对其应用的进一步探索。本论文从功能性微纳结构阵列的设计出发,制备出特定排布的各向异性浸润结构阵列,分别用于微芯片中的刺激响应性微阀门、网络微阀门、流体分流器等,并成功实现了气液分离、超微量液体的获取和混合、微芯片中各向异性纳米粒子合成、液体压力传感等。具体研究工作如下:1.温敏各向异性浸润微结构用于微芯片中液体智能操纵提出了一种易于制备的微孔道中液体的智能控制方法。通过光刻、刻蚀、自由基聚合技术制备了聚异丙基丙烯酰胺修饰的条带状温敏各向异性浸润表面,与微孔道结合后,实现了孔道中液体流动行为的智能调控。在形貌条带结构表面接枝聚异丙基丙烯酰胺,通过调控温度可使此表面液体在强和弱各向异性浸润之间转换。我们以此温敏表面为芯片基底,实现了双出口孔道中液体流动行为的智能调控。经进一步研究发现,这种调控行为受液体驱动压力影响,当液体压力大于某一值时,将无法实现这种温敏调控行为,我们将这个压力值定义为阈值压力。同时我们讨论了条带结构和孔道等多个维度参数对温敏调控行为的影响,展示了各个芯片维度参数下的阈值压力。最后,基于液体的这种温敏浸润性行为,我们在微孔道中实现了连续的温敏阀门。这种温敏阀门易于集成,可以应用于多种微芯片的孔道表面,并且加工手段较为简便,为微流控芯片提供了一种可重复的连续性温敏阀门。2.特定排布的功能性微条带结构用于网络微孔道中的气液分离和液体分流提出了一种网络微孔道中单相或多相流体分流方法。在本部分工作当中,我们大幅度简化了微孔道中基于形貌结构的被动阀门构筑策略,并构建了特定排布的被动阀门阵列,成功实现了网络微孔道中的液体分流和气液分离。各向异性结构阵列表面可用于制备孔道中的被动阀门,我们发现结构阵列中实际起到阀门作用的为微孔道交叉口处的结构。通过光刻、干法刻蚀两步法制备单个条带结构,并垂直放于直线形微孔道中,即可实现被动阀门功能。接下来,我们讨论了不同维度的条带和孔道对这种条带式阀门阈值压力的影响。同时,系统解释了条带式被动阀门的整个液体控制过程,其阀门功能主要归功于条带最高点下边缘处放大的接触角和吉布斯能不平衡效应。接下来,我们在T形孔道交叉口接入条带式阀门,实现了气液两相流体的连续分离。同时,我们发现当液体的驱动压力大于阈值压力时,液体流过条带式阀门的时间与阀门的数量呈正相关关系。基于这个原理,我们将不同数量的条带式阀门排布于孔道交叉口,实现了多出口孔道液体流动状态的独立控制。网络微孔道出口开关功能的实现往往需要借助于主动式微阀门,本研究工作通过特定排布的条带式被动阀门即可实现多孔道中流体的精准调控,极大程度地提高了被动式微阀门的应用潜力,为微流控芯片提供了一种有效的流体控制工具。3.基于条带式阀门阵列的亚皮升超微量注射器提出了一种超微量体积液体获取方法。通过在梯形微孔道下表面特定排布间距不同的条带式微阀门,我们实现了亚皮升级液体的连续获取,即超微量注射器,并成功合成了多种超微量梯度各向异性纳米晶。条带式微阀门的阈值压力与条带的长度呈负相关关系,在微孔道中排列梯度长度的条带结构,即可通过调节液体驱动压力来控制液体前端在孔道中的位置。通过调整条带结构间距,梯形微孔道被条带阵列分割为空间体积相等的微腔室。在不同液体压力条件下,液体会停留在相应的条带位置,利用气体在腔室初始位置截断液体,即可得到体积等比例增大的液体。为进一步降低可获得液体体积的最小值,我们制备了玻璃-硅材质的注射器芯片。通过调整条带的间距、长度和孔道的高度、形状,我们制备了量程和分度值不同的注射器,最小的可连续获取液体体积达1.5 pL。此外,这种超微量适用于不同表面能和不同种类液体,包括醇水溶液、菜籽油、血液以及各种盐溶液。通过在同一芯片中构筑两个注射器,实现了两种超微量液体的精确混合,三个注射器的集成则可用于合成超微量梯度各向异性纳米晶。超微量注射器的构筑拓展了被动式微阀门的应用,这种超微量体积液体获取方法易集成于芯片的多种应用,为微流控芯片提供了切实可行的超微量定量液体获取方法。4.基于条带式阀门阵列的液体压力传感器提出了一种高灵敏、低成本、小体积液体压力传感器的制备方法。通过对孔道的设计和基底上条带位置、维度的特定排布,我们成功制备了原位、高灵敏液体压力传感器。条带式微阀门的阈值压力与其在孔道中的长度呈负相关关系,所以梯形微孔道中条带式阀门阵列的阈值压力是梯度增大的。在微流体孔道中,由于孔道与流体界面摩擦水层的存在,恒定压力驱动下的液体流动是存在压力降的,即液体前端的驱动压力会随着液体流动而逐渐降低。基于此原理,我们在流体孔道侧壁连接多个等间距的梯形微孔道,并在这些梯形孔道下表面构筑了条带式阀门阵列。我们发现入口液体压力与梯形微孔道中液体经过的阀门总量呈正相关关系,根据液体流过的阀门总量即可准确测量出芯片入口的液体压力。同样,通过调整孔道的形状和维度,我们制备了不同量程和灵敏度的液体压力传感器,量程可达2-800 mbar,灵敏度最高为16.7 mbar^-1。除了水之外,这种压力传感器适用于乙醇、菜籽油、正十六烷等多种表面张力和种类的液体压力测量。条带式液体压力传感器同时适用于孔道中局部液体压力的测量,可以检测不同形状微孔道中的液体压力变化。液体压力传感器的检测范围也可拓展到动物的疾病模型,大鼠的高低血压、血容量不足、血栓等疾病可通过此传感器检出,血液消耗量仅为1.3μL,并且通过手机自带相机即可成功对检测结果进行记录,为血压的即时诊断提供了高灵敏、低成本的测量手段。