从20世纪90年代Manz等提出微全分析系统的概念开始,出现了用人造的微型规则结构来过滤和筛分分子的想法。这种微全分析系统具有微型化、集成化、分析速度快、需要样品少等优点,可实现实时、连续检测,并可用于无法接近的微环境下,为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。随着微纳米技术的不断发展,利用微纳米尺度的分离器件进行分子筛分逐渐替代了传统的凝胶电泳、凝胶筛析色谱等分离技术。分子运动,尤其是分子在微纳尺度受限空间中的运动行为是影响上述微型分离器件的分离效果的重要因素。因此,在此类分离器件的开发应用中,从微观层面深入研究并掌握分子在微纳受限空间中的运动规律具有非常重要的意义。计算机模拟作为一种重要的理论研究手段,在对分子运动过程的研究中有着显著的优势。随机行走理论提取了影响分子扩散行为的关键信息,对实际过程进行合理简化,提高了模拟效率,可以很好地用来描述微纳尺度下的分子运动。本论文基于课题组自主开发的随机行走模拟软件,通过建立合适的模型,研究了粒子在微纳尺度受限空间内的扩散行为及其影响因素,总结了粒子在微纳尺度受限空间中的运动规律；进一步设计了不同的微型分离器件模型,分析了不同条件下微型分离器件的分离效果。本论文提出的模拟方法对开发微型分离器件、优化操作参数等具有参考意义。1.通过对简单的势垒体系进行模拟,系统研究了势垒、空腔尺寸和定向驱动速度等因素对粒子扩散行为的影响。模拟实验可以得到与理论预测或实验相吻合的结果,说明随机行走模拟软件适用于研究粒子在微纳尺度受限空间中的运动。进一步的研究发现,反常扩散模式并不仅仅是来源于势垒对粒子运动的阻碍作用,更应该是来源于势垒体系所形成的空腔。另外,当只存在势垒或只存在定向驱动速度时,粒子在空腔中的位置分布不会产生趋向性,而当两者同时存在时则会产生趋向性。2.构建了一种基于不对称势垒的微型分离器件模型,对粒子在该器件中的扩散分离过程进行了模拟。结果表明,扩散系数不同的粒子将不同程度地偏离驱动速度的方向进而在二维空间得到分离；通过选择合适的驱动速度,可以调控不同组分偏离驱动速度方向运动的概率差值,从而达到最佳分离效果；同时通过分析样品带的展宽效应,可以定量推出分离器件的分离能力与其长度的关系。3.基于布朗棘轮效应构建了一种微型的单通道分离器件模型,模拟了准一维的分离器件中粒子的扩散分离过程。阐明了该体系的分离机理,并考察了不同条件对分子扩散分离运动的影响。模拟结果表明,通过调节驱动力对各组分粒子的作用周期,可以使粒子与分离通道两端的势垒发生不同程度的相互作用,从而在单分离通道内实现粒子向不同方向的有效分离；通过选择适当的实验条件,可以在此单通道分离器件中实现多组分的分离；适用于此分离器件的粒子其本身的扩散速度与受外力驱动速度的比值范围约为0.02-7。另外,通过调整分离器件本身的结构参数可以在实现最佳分离效果的同时有效地节约时间成本。