在微流控芯片系统中,对生物颗粒、工程颗粒和微液滴的操纵,包括聚集、定向输送、分选、捕获和排列等,是进行生物医学分析、化学检测、药物筛选和新型材料制备等前沿领域的核心内容。目前,在微全分析系统中,单独的交通管道往往只用来实现单一的微粒操纵功能,而伴随着对分析、检测等功能需求的日益增多,对系统集成化程度要求越来越高,因此,对微粒样本进行操纵的并行处理模块也相应增加,使系统交通管道网络变得尤为复杂,相应的外部驱动设备变得庞大,不利于芯片系统的微型化设计。鉴于此,亟待开发一种集微粒浓缩、捕获、合成、定向输送和分选等多种操纵功能于单一微通道内且便于集成的微流控技术,以简化整个微全分析系统。针对这一问题,本文开展如下研究:以介电泳和交流电热流动作为非线性电动调控机制,探讨了介电泳效应和交流电热流动同时产生的条件,提出了介电泳和交流电热耦合效应的微粒非线性电动调控新方法。建立了电场、温度场和空间流场多物理场耦合的数值和几何模型,并通过仿真分析得到了介电泳和交流电热漩涡随电极结构、通道尺寸的变化规律,为微粒操纵芯片的设计提供了理论依据。从连续流体流动形式下微粒的操纵出发,结合微粒在连续流体内的沉降特性及对介电泳、交流电热流体漩涡变化规律的仿真分析,分别设计并搭建了基于场效应晶体管芯片结构和双极性电极芯片结构的微粒操纵系统。通过仿真分析可知,在连续流体内,介电泳和交流电热在作用范围上互相补充,在作用强度上联合增强,从而协同作用形成一位置可控的停滞区;并研究了驱动电压、频率、相位差等关键因素对介电泳和交流电热变化规律的影响,探讨了对微粒运动的多功能调控机制。基于此,分别实现了微粒聚集、定向输送、分选、按需排列的多功能操纵实验。此外,根据设计的芯片系统能够同时操纵流体和微粒的特点,提出了粒子同步合成并即时定向输送的操纵功能,进一步验证和拓展了所设计芯片系统的多功能性。从单分散液滴流动形式下微粒的操纵出发,设计并搭建了基于交流电热场效应晶体管的液滴内微粒浓缩芯片系统。结合微粒动态分散在整个液滴内部的特征,分别通过仿真和实验分析,揭示了交流电热漩涡流动对液滴内部微粒的浓缩起主导作用。研究了电信号参数和流体参数对液滴内流场变化的影响,并利用荧光纳米粒子对液滴内部流体流动的变化进行表征,得到了液滴内部流体流态的变化规律。基于此,通过调节驱动电压,进行了液滴内微粒浓缩位置的灵活调控实验,实现了液滴内微粒的多样化浓缩。提出了液滴内粒子同步合成和浓缩理念,并通过液滴内微混合、普鲁士蓝微反应和纳米粒子的同步浓缩进行了实验验证,从而拓展了液滴微流控技术的应用范围。从多介质平行流动形式下的微粒操纵出发,设计并搭建了基于倾斜介电泳效应的微粒介质交换芯片系统,实现了在毫米量级宽通道内微粒的远距离跨介质输送。通过仿真着重分析了驱动电压和空间位置对介电泳力的影响,揭示了介电泳力对微粒的介质交换起主导作用。分别研究了驱动电压、频率、电导率、流体粘度和入口流量对微粒偏转特性及介质交换行为的影响,确定了微粒进行介质交换的电压-流量分布相图。在此基础上,分别实现了微粒的多循环介质交换、液滴的提纯、多种尺寸微粒的分选及同步介质交换功能。最后,将该介质交换策略应用到了微胶囊的制备中,实现了化学成分在液滴模板表面的层层自组装,制备了具有多层膜结构的微胶囊,验证该方法的实际应用价值。