微流控芯片分析具有试剂用量少、分析时间短、自动化和集成化程度高等优势,在条件筛选、分离检测、药物合成和机理研究等方面具有广泛的应用。但是随着生命分析领域向大规模、高精度、高深度方向发展,单一、传统的微流控芯片已经越来越难满足人们的需求。微流控芯片正在向更多功能、更高通量、更系统化的方向发展。本论文基于以上研究背景,针对现有传统分析方法或者常规微流控芯片上难以解决的问题,通过更大程度利用微流控分析技术的独特优势,发展了一系列在微流控芯片领域的生物分析技术,对一些现有的常规芯片上的研究例如细胞培养筛选与分析,烟草气体分析等领域的研究提出了创新性的改进。主要包括以下方面:1.二维矩阵液体梯度芯片的制备及其应用为了实现芯片上药物浓度的高通量筛选,将浓度梯度扩展到二维,设计了两种微流控芯片反应平台。首先,利用多层芯片构建了两种独特的、适合细胞和微生物生长的阵列培养孔,然后设计了两种二维浓度梯度结构用于向处于良好培养环境中的细胞或细菌施加不同浓度的药物。第一种二维梯度利用混液和扩散两种不同的液体梯度发生机制相结合,克服了两者的缺点,芯片上溶液环境浓度恒定、可调又不会对细胞产生剪切力,同时在同等条件下相对一维芯片获得更密集的浓度条件,提高了信息密度和实验效率。这种芯片可以应用于药物的细胞毒性试验,测试不同浓度阿霉素对细胞的杀伤效果,实验证实细胞存活率与药物浓度呈现明显的负相关性。同样浓度的药物实验在培养板上的结果与芯片上有较大差别,这种差异可能是由于给药模式的不同造成的。最后,将阿霉素和槲皮素的叠加梯度应用于细胞的联合药物实验,实现了两种药物耦合作用下对细胞存活率的考察,证实两种药物浓度梯度成功实现了叠加。第二种二维梯度首先利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料和纸芯片复合结构,结合纸芯片廉价和利于加工的优势以及PDMS材料的表面性质,设计了一种从流体中获取半开放式液滴的结构。将这种结构与PDMS梯度发生芯片键合封装后可以使半开放液滴阵列具有浓度梯度。我们利用这种复合结构向凝胶培养阵列进行物质输送,完成了对凝胶培养阵列中大肠杆菌的梯度浓度药物刺激。上下贯穿的凝胶培养阵列可以同时接受两个液滴阵列的输送,从而实现梯度的二维拓展。这两种芯片的梯度形成机制和浓度分布经过理论和实验表征,成功应用于药物的高通量浓度筛选实验中,有潜力成为未来药物分析中的实用工具。2.多功能微流控液滴阵列芯片的制备及其应用开发了一种新颖的区域化亲疏水性芯片用于分液。将PDMS芯片进行区域化等离子体处理后使用壳聚糖修饰,通过将芯片和试剂接触可以自动形成一个液滴阵列。集成了梯度发生器芯片后,该阵列可用于硒化镉量子点高通量毒性筛选实验。芯片在负载抗体标记磁珠后可以用于快速检测癌胚抗原(carcinoma embryonic antigen,CEA)。在此基础上,我们使用快速获取的液滴阵列进行PDMS芯片表面区域功能化。在PDMS表面原位生成大量粒径均一的纳米金。然后通过基于小液滴过饱和现象的蒸发控制系统对液滴反应实现长时间的蒸发控制。这个蒸发控制系统能显著减少液滴蒸发甚至让蒸发速度趋近于零。这保证了后续检测中浓度的一致性。在PDMS芯片表面进行了区域功能化之后,通过在纳米金表面修饰荧光标记的发卡DNA探针,利用纳米金与竣基荧光素(Carboxyfluorescein,FAM)荧光分子随距离变化的猝灭与恢复现象设计了一种针对特定DNA序列的传感器,并且在芯片上成功完成了对目标DNA样品的检测。3.一种人工肺泡阵列芯片模型的制备及应用提出了一种用于模拟呼吸运动的人工肺芯片系统,并用来对烟气进行高通量多组分同时收集。首先构建了一种新颖、动态且稳定的PDMS肺泡模型,可以在单个肺泡尺度模拟呼吸运动,在这个基础上通过基本单元的阵列化实现了潮气量的累加,具有了吸入和呼出气体的功能。将人工肺通过气体分级通道与烟气发生室连接后,这个芯片可以将烟气抽吸到肺泡模型表面。在肺泡表面通过快速取样过程获得了一个收集液滴阵列,用于气体的批量化收集并利于与质谱检测结合。以尼古丁为示例对被动吸烟过程中尼古丁累积量随被动呼吸、距离等因素的变化规律进行了研究,并成功在芯片上完成了对烟气中多种类物质的同时收集和分析。