微流控技术实际上是一种利用特殊的微纳结构并配合一定的理化手段对于微量液体(10-9-10-18L)进行指定操作,从而在微米甚至纳米级别上实现对于特定生化现象或者过程的检测、分析以及操控的科学技术。微流控技术一方面能实现各类生化实验操作手段的集成化、自动化和小型化,另一方面在微纳空间尺度下对于流体运动的控制和利用能够为很多化学和生物学研究提供新的技术手段和研究思路。伴随着新型材料的涌现、微加工技术的深入、化学修饰方法的丰富以及检测手段的提升,微流控芯片的应用范围得以不断拓宽,并且逐步深入到化学、生物学、医学、药学等各个领域的研究和应用之中。在微流控技术的众多分支领域之中,液滴微流控技术以其高比表面积、高通量、无交叉污染、操作方式多样等诸多优势而成为分析化学、细胞生物学、制药学等学科及其交叉应用中的一个重要技术平台。通过芯片内部微结构的设计同时辅助以其他如力、热、声、光、电等理化操控手段,以两种互不相溶的液相为操控对象就能够实现微液滴的生成、分裂、融合、分选等一系列操作。液滴微流控技术发展至今,已经在材料合成、蛋白质结晶、功能性微颗粒制备、物质分析、药物筛选以及单细胞研究等领域得到了广泛应用。因此,本论文围绕液滴微流控技术及其在生化研究中的应用展开,研究了对于微液滴进行操控的各类方法,通过对于传统的水动力、微气阀以及电学方法等液滴操控方法的改进,提升了微流控器件对于液滴大小、形貌、运动、排布、内容物浓度等参数的调控能力,同时将这些高性能液滴微流控器件用于分析物检测、细胞分析、微颗粒制备等应用之中。本论文的主要工作有:1、制作了一种包含有Y型沟道和流聚焦结构的微流控芯片,通过调节流速,可以生成双色球液滴并且能控制双色球液滴在下游微沟道中的排列情况,同时对该现象的产生以及不同的液滴排列之间的转变过程进行了相应的理论分析。2、在微流控芯片中集成了两个平行排列的流聚焦结构以同时控制两种不同液滴的生成,再利用下游共用的融合沟道实现了这两种液滴的可控融合。一方面将这种多路液滴操控技术应用于制备包含有单细胞的碟形海藻酸钙水凝胶颗粒用于细胞染色与观测;另一方面利用这种芯片平台,结合金纳米颗粒和罗丹明的使用实现了低消耗、高灵敏度的水体汞离子的发光检测。3、发展了传统的软印刷和热键合技术来构建了一种具有三层结构的微流控芯片,使得在微沟道的水平和垂直两个方向上都能够集成微气阀结构形成形貌可控的三维“喷嘴”。利用这种在多个维度上都能对于微沟道形貌进行控制的方法,提高了对于液滴尺寸及内容物浓度的调控能力以及操控速度,同时配合芯片中流体通路的设计可以实现核壳结构微颗粒的制备。4、在微流控芯片中同时集成平行排列的两个流聚焦结构以及一套微气阀控制体系,一方面可控生成包裹有细胞的碟形海藻酸钙水凝胶颗粒,另一方面通过微气阀的控制,能够在芯片上对于这种颗粒进行固定和释放,从而实现对于其中包裹的细胞进行活性染色测试。5、利用直接注入导电银浆的方法在微流控芯片中制作了三维电极,并且在理论和实验上说明了三维电极在液滴操控能力和生物兼容性方面,对比传统二维电极而言有较大提升。同时发展了在微流控芯片中使得液滴带上异种电荷的方法,并进行了相应的理论分析,最后将这种方法用于细胞分选之中。