基于液滴操控的数字微流控技术,由于其精准度高、样品消耗量小、反应迅速、可控性好、高通量等特点,已逐渐在化学反应、生物医学、单细胞分析、药物合成等方面展现出独特的优势。传统的基于微流体管道的液滴操控技术主要是通过微管道结构的几何限制结合微泵和微阀结构的控制作用,来实现微液滴的操控。然而,该技术一方面需要通过昂贵的微加工工艺实现复杂微泵、微阀结构的集成,制作成本较高;另一方面,由于管道尺寸的限制,所能操控液滴的尺寸范围存在较大局限性,越来越不能满足复杂体系下多元分析的需求。相对于传统的基于微流体管道的数字微流控技术,开放式液滴操控技术主要是利用超疏液表面的润湿性和粘附性,依靠自身重力或者外部激励(电场、磁场、声场等)来实现液滴的操控,完成微量、快速、高效的生化反应。其中,液滴磁操控技术因其具有制备简单、操作灵活、响应时间短、生物相容性好且兼容磁分离技术等特点,近年来引起了国内外科研工作者浓厚的兴趣。因此,对开放式液滴磁操控技术的研究具有十分重要的学术意义和广泛的工程应用前景。目前开放式液滴磁操控技术的研究主要集中在磁场驱动方式和新型超疏液表面制备两个方面。在磁场驱动方式上,主要采用永磁体或者集成于芯片表面的微磁线圈,驱动液滴在芯片表面完成输运和混合等操控,但是两种方式均有各自的局限,不利于广泛应用。在新型超疏液表面研究上,则主要集中在构建多功能化和智能化磁响应的超疏液表面,在磁场激励下完成液滴的操控。虽然这方面的研究已经取得一些成果,但是在制备方法的简易性、液滴操控的灵活性以及可控性等方面仍然存在着很多问题。因此,立足于开放式液滴磁操控技术实际需求和超疏液表面技术的发展前沿,深入研究具有制备简单、成本低、操控灵活、分辨率高、响应时间短、适用范围广、自动化和智能化程度高等特点的液滴磁场操控系统,使其在即时诊断、分析化学、生物工程和精准医疗领域更具有实际价值。本论文从基础理论和实验两方面对基于超疏液表面的磁激励开放式微流控技术进行了深入研究。论文的主要工作和具体研究内容如下:(1)提出了一种采用超疏水电磁棒操控液滴的方法。以经过超疏水表面处理的电磁棒和基片为平台,基于磁力、表面张力和重力三者之间的竞争,通过电磁棒的开关和移动,在三维空间上完成对含磁珠液滴的输运、融合、混合、分配操作以及固相磁珠与液相的分离操控。同时,建立了含磁珠液滴在磁场作用下的力学平衡模型,理论分析了磁力、表面张力和重力三者之间竞争关系,对不同液滴运动形式进行了区域划分,确立了边界条件,并通过实验测试了磁珠含量、液滴体积以及电磁棒线圈电流大小等因素对液滴运动学产生的影响,结果表明实验值与理论值相吻合。(2)在超疏水电磁棒的研制基础上,为了拓宽液滴操控类型的范围,提出了基于超疏油电磁棒的液滴操控的方法。通过喷涂法制备出了基于二氧化硅/环氧树脂/含氟化合物的超疏油涂层,这使得电磁棒不仅仅只能对水性液滴进行操控,而且对有机溶剂和油性液滴也可以实现操控,拓展了基于电磁棒的液滴操控技术的应用范围。(3)研究设计了一种新型的基于超疏水磁弹薄膜和电磁棒阵列的可编程化液滴磁操控的平台。利用聚二甲基硅烷(PDMS)和磁性颗粒的材料特性,结合数控雕刻加工工艺和二氧化碳激光烧蚀技术,制备出了超疏水性、磁性和弹性多功能超疏水磁弹薄膜。通过超疏水磁弹薄膜和电磁棒阵列的完美结合,构筑了可编程化液滴操控平台。在电磁棒阵列的磁场驱动下,超疏水磁弹薄膜的表面形貌会依次发生变化,驱动液滴完成移动过程。实验结果表明,这种新型液滴操控平台可以实现自动、精准、高效、有序的液滴操控,包括可编程化的液滴输运和混合,多个液滴的同时操控等。(4)研制出了基于润湿性和粘附性可控的磁响应超疏水表面的智能化液滴操控系统。作为系统的核心元件,磁响应超疏水表面主要是通过喷涂技术和磁控自组装技术在基底表面构造出磁流变弹性体微柱阵列制备而成。利用表面磁流变弹性体微柱的磁场刚度调控效应,可以实现表面粘附性和润湿性的可逆变化。通过将磁响应超疏水表面与电磁棒相结合构造成液滴操控的“机械手”,实现了液滴的无损运输和灵活操控。实验结果表明,基于磁响应超疏水表面的液滴操控系统具有制备简单、操控灵活、响应时间短、自动化程度高等优势,为新一代智能化液滴操控技术提供了新的思路。