微流控芯片系统以其微型化、集成化以及经济化为目标,用以实现与生物化学等多学科交叉相关的检测与分析功能,是一项崭新的具有交叉学科背景的新技术。如何进行微流体的充分高效混合是实现微流控芯片系统功能的前提条件之一,在蛋白质结晶、高分子合成、生物反应、药物传输等领域均发挥关键作用。然而,微尺度条件下流体流动所处的雷诺数非常低,流体主要处于层流状态,因此流体间的混合过程异常困难,主要依靠缓慢的分子扩散来实现,导致许多微流控芯片系统的检测效率较低。因此如何有效控制微流体间的对流扩散过程是微流控系统亟待解决的一类重要问题。其次,三种或三种以上多组分流体间的高效混合在实际应用中具有更大的研究需求,但并不是所有的混合方法均能完成这一技术要求,使得三流体的混合是亟需解决的又一类关键问题。此外,在等温滴定测热（ITC）领域,现有ITC微流控器件乃至商用ITC设备,均采用混后式测热方法,其缺点是忽略混合过程中的热变化情况,而在快速或极快速化学反应的研究分析中,因配体与受体间一接触就会发生反应,所以不能忽略混合过程中的反应热变化,因此如何将微混合方法合理应用到ITC领域也是需要解决的又一重要问题。本文将针对上述问题展开以下研究。从微尺度下流体流动角度出发,基于微通道中两相流相关基本理论以及稀物质溶液中的对流-扩散理论,建立基于流体接触面分裂-重组（SAR）的三维微混合几何模型,掌握了微流道内流体间混合效果受雷诺数Re的影响规律,为设计并应用高效混合器提供理论支持。基于涡运动理论,建立微毛细管内在不同汇流条件下产生漩涡的三维仿真几何模型,揭示了因流体本身所诱导漩涡（单涡或涡对）对流体间微混合和物质交换的影响机制,为微流道内漩涡生成以及漩涡的选择进而设计高效高通量的漩涡诱导混合器提供理论支撑。从实验验证角度出发,首先设计了基于流体间界面分裂-重组概念的立体交叉的XH和XO新型微混合器,获得了不同雷诺数下的混合实验结果,精确表征了两微混合器的混合性能,验证了XH微混合器在较宽雷诺数范围内（0<Re<60）能够保持很高的混合性能优势,均达到89.4%以上。其次为了验证立体交叉序列对混合和传质的影响,设计了两种具有不同交叉序列的XRX型和XXX微混合器,实验发现XRX通道内流体间接触面左右摆动不利于混合,而XXX通道内持续的旋转接触面能够较强扰动流体对流,从而增强流体混合。另外,为了验证漩涡对流体间混合的影响,设计了四种具有不同汇流构型的毛细管微混合器件,发现了不同汇流条件下流体被动诱导的涡态不同,两流体汇流角度θ=90°的两个构型能产生绕沿x-轴的涡或涡对,能有效的拉伸旋转流体间接触面,在高雷诺数下显著提高了流体间的混沌对流和物质输运。面向高通量多组分化学反应的应用,首次提出了三流体微混合的概念,设计了具有三入口的直通道,SHM和XXX微通道,通过理论数值仿真结合实验的方法,综合研究了三种微通道对三流体的混合性能受雷诺数的影响规律,实验证实了SHM人字形通道对两侧边流体的混合性能较差,而XXX立体交叉通道对三流体的混合效果最佳,并确定了XXX立体交叉通道对三流体的最佳混合条件。最终选取了XXX型微混合器,在最佳混合条件下,进行了APTES,L-AA和DI水三种反应物微混合的应用实验,进而合成了硅纳米小球,并与传统搅拌方法对比,发现了Si纳米球的尺寸,光学特性在APTES和L-AA浓度固定时受DI水比例的影响很大,并且三流体微混合所合成的小球比传统搅拌所得的均一性更好并且尺寸更大。面向等温滴定测热领域的应用,结合所设计的三维XXX微混合器,设计并加工了一种以PDMS立体通道为滴定通道并以Sb-Bi金属热电堆为传感单元,进而集成的等温滴定器件,实现了混合中和混合后综合滴定测热,用于测量化学反应过程中反应热变化情况;实验研究了泵送溶液流速对器件的性能的影响;通过合理调节各影响因素的参数,发现该器件的感知极限为0.44微焦耳,与已有测热器件相比,灵敏度高出5倍以上。为验证所设计的ITC器件的量热功能,通过将配体BaCl₂滴定到受体18-C-6中,逐渐增加配体-受体溶液摩尔浓度比,确定了该结合反应体系的结合等温线,从而确定了一系列化学反应热动力学参数（结合常数,化学计量数,焓变等）,为生物化学领域分析配体-受体（尤其是未知反应）确定反应参数提供可靠参考。所以该应用研究将在快速或极快速化学反应方向有广阔的应用前景。