生物颗粒(如细胞等)高效分选和单个捕获等在医学、生物研究以及环境检测等领域具有广泛的应用。其中细胞分选是许多临床诊断和治疗过程中的第一步,比如在数百万个血细胞中检出少量扩散在血液中的癌细胞,有助于肿瘤的早期诊断。此外对单个细胞的捕获和培养分析,不仅可掌握单个细胞的生长变化行为,而且在遗传代谢和基因工程领域以及毒性检测方面具有极其重要的潜在价值。当前的生物颗粒分选和捕获技术(如抗原抗体的相互作用和荧光激活细胞分选技术(FACS)等)通常成本高、操作复杂、需要标记等,限制了其广泛的应用。而微流控芯片技术具有众多优势,如小容量样品、低成本、分析时间短和尺寸小等。因此,基于微流控技术开发具有生物颗粒分选、捕获及流体混合输送功能的集成微流控芯片系统在生物和医学等领域具有巨大应用前景。在微流控芯片上如何实现生物颗粒分选、单个捕获以及流体混合供应功能是当前需要解决的首要问题。本文首先结合双极性电极阵列,分析了在旋转电场下单个生物颗粒的大规模捕获机制(如感应电荷电渗、介电泳和电旋转等)。基于旋转电场下的感应电荷电渗旋涡或负介电泳力,提出了实现单颗粒大规模捕获的新方法。结合理论和仿真分析,实验中分析了影响聚苯乙烯微球和酵母菌细胞单个捕获效率的多个关键因素(如颗粒尺寸、电导率、颗粒的浓度、悬浮电极阵列的尺寸和间隙、施加电压及频率等)。通过调整相关参数(如电导率和电场频率等)改变了负介电泳力和感应电荷电渗旋涡在捕获过程中的主导性,仿真和实验结果验证了该方法在单个生物颗粒大规模捕获方面的独特优势。其次,为实现不同电导率溶液的高效混合,进行了适用于不同电导率溶液的交流电动微混合器的研究。针对适用于高电导率溶液的微混合问题,根据交流电热的强耦合模型,引入三维电极,建立了交流电热微混合仿真模型,分析了影响微混合性能的多个关键几何和电学参数。针对适用于低电导率溶液的微混合问题,研究分析了固定电势下的感应电荷电渗微混合机制,探索了栅电极上电信号对zeta电势及非对称旋涡形成的影响,分析了栅电极与激发电极上电信号相位角及波形(正弦波和方波)对混合性能的影响规律,验证了栅电极信号的变化在实现微流体高效混合过程中的重要性。设计并加工微混合芯片,通过实验分析了多个关键参数,修正了固定电势下感应电荷电渗理论模型。将本文的两种微混合器与其他多种微混合器进行了参数化比较,验证了当前微混合器的高效混合性能。最后,基于所设计的单颗粒捕获和微混合部件,开展具有颗粒分选、单颗粒捕获和操纵、溶液混合和供应功能的集成微流控芯片系统研究。在颗粒分选模块,基于介电泳机制建立了利用倾斜驱动电极实现细胞无标记分选的仿真模型。以酵母菌和聚苯乙烯微球为样本进行实验研究,分析了影响分离效率的多个关键参数(如结构尺寸、施加频率、溶液电导率和入口流速等),实现了对聚苯乙烯微球和酵母菌的高效分选。在细胞捕获和操纵模块中,对双极性电极阵列进行了深入研究、优化及扩展。基于旋转电场下的电旋转、行波介电泳、传统介电泳以及感应电荷电渗等机制,建立了单颗粒操纵仿真模型。研究了聚苯乙烯微球和酵母菌在双极性电极阵列的运动行为和规律,提出了在双极性电极边缘可实现对酵母菌细胞进行捕获、双向自旋转和双向运动的新方法。结合理论仿真,在实验中分析了影响细胞运动行为的关键因素。通过调整电极尺寸或生物颗粒浓度等实现了对两个或三个生物颗粒的高效捕获,在研究细胞相互作用方面具有巨大的应用前景。此外,通过与微混合模块结合,进行了不同葡萄糖浓度的混合和供应实验验证。研究表明,利用微混合部件对不同浓度葡萄糖溶液混合和供应时,酵母菌在感应电荷电渗漩涡或介电泳力作用下可被稳定捕获在电极上,便于长期分析和观察。综上所述,本文提出的集成微流控芯片系统不仅具有颗粒和细胞分选、单细胞捕获、驱动、自旋转以及药物或营养物质供应功能,而且具有成本低、加工方便、操纵简单的巨大优势,在生物和医学等领域具有极其重要的应用前景和研究价值。