病原体和醇类蛋白等和人类/动物的健康状况息息相关,因此对多种生物分子的快速检测是全球面临的重大课题。大规模传染性疾病频发时,更加凸显了生物分子快速检测的重要性。传统生物分子检测的方法有免疫检测、光学检测、质谱检测、表面增强拉曼散射等,需要不同的专业设备。但其检测过程中生物分子的运动均依赖于自然扩散,且往往需要对被检测目标样品进行特殊标记、浓缩、分离等预处理,因此操作复杂,检测成本较高,检测时间通常为几小时甚至几天。本文提出基于交流电场的生物分子快速检测方法,通过交流电场对微流体和微纳粒子的操控实现生物分子的富集,不仅无需对被检测的目标样品进行标记处理,而且将检测过程缩短为几分钟。微流控芯片技术通过对微尺度下流体的控制,可以实现对细胞、蛋白质、核酸及其他微纳尺度生物分子的操控和高效分析,具有消耗样品少、分析速度快、自动化程度高等优点,非常适合用于细胞分析、疾病的快速诊断等领域。在微流控芯片上引入交流电场后,微流体的流动有交流电渗和交流电热两种机制。前者针对低电导率流体在低频下的流动,后者则是高电导率流体在较高频率下,或较低电导率流体在外加热源/光源情况下的流动。非匀强电场下,溶液中生物分子的运动形式主要为正负介电泳运动。若粒子比溶液更易于极化,则粒子会受到正介电泳力的作用而富集到电场强度最强的区域;反之,若溶液比粒子更易于极化,则粒子会受到负介电泳力的作用而被富集到电场强度最弱的区域。微流体的漩涡和流动将微通道内的生物分子输送到电极表面,此区域为介电泳力的有效作用范围,继而粒子在介电泳力作用下富集到特定位置,提高了粒子的局部浓度,从而实现了生物分子的快速检测。随着目标生物粒子的富集,电极/溶液界面双电层的厚度和面积产生变化,进而导致双电层电容的快速变化。通过对电极/溶液界面双电层电容变化率的计算,实现了生物分子的快速检测,时间仅需几分钟。本文以血清免疫检测为例,对生物分子快速检测进行了仿真分析。仿真模型耦合了电场、流体场、温度场、浓度场等多个物理参数,综合考虑了焦耳热效应、对流与传导、对流与传质、对流与扩散、介电泳效应等物理过程对被检测目标分子浓度变化的影响,对免疫反应过程中抗体的浓度变化进行了数值求解。随着抗体浓度的变化,电极/溶液界面双电层的电容发生变化。针对牛副结核杆菌、人类肺结核杆菌、奶牛孕激素等多种生物分子,分别利用对称叉指电极阵列和非对称叉指电极阵列,进行了快速血清免疫检测实验研究。结合仿真和实验结果,分析了电压和频率对检测效率的影响,并研究了电极排布形式、电极厚度、电极表面改性等因素对检测效率的影响。实验的稳定性、可重复性和双盲测试的结果,验证了生物分子快速检测机理和仿真模型的有效性。此外,由于介电泳对生物分子的富集效果意义重大,此项技术还可用于研究生物粒子的介电泳属性。本文给出基于电极/溶液界面的双电层电容的变化率研究两种DNA(p UC18和λDNA)的介电泳属性的实验和机理分析,并通过荧光实验验证此方法的可行性。DNA样品的缓冲溶液和稀释用较高离子浓度的溶液完成,以此来完成对较高电导率溶液环境中DNA生物分子介电泳属性的研究。通过对生物分子快速检测的机理分析、仿真研究和大量的实验验证,利用微流控芯片平台,基于交流电场的生物分子快速检测技术,通过分析电极/溶液界面双电层电容的变化率,几分钟内可实现对多种生物分子的快速检测。