本论文主要介绍了微流控系统在流体剪切力、分子逻辑门和离子检测方面的不同应用。微流控系统以其在尺寸上类似于生物体结构的特有优势，以及可控制微环境中物理化学特性的能力，使得可以通过改变芯片设计（包括改变通道、小室以及其它几何结构等）来方便地模拟细胞外周环境，这给体外研究细胞行为和功能提供了非常有价值的平台。将微流控系统应用于研究流体剪切力对细胞影响的平台更是发挥了其特长，使细胞分析实验变得高效省时并节约了成本。另外，将荧光化学传感器与微流控系统结合起来会成为芯片实验室(Lab-on-a-chip，LOC)一个非常强有力的工具。荧光化学探针以其能感知特异性底物、灵敏性高、可实现分子逻辑门等特点赋予了微流控芯片更强大的优势，使得微流控芯片可应用在开发溶液微处理器以及诊断和检测方面，这样的平台可实现溶液微处理器，并且在检测方面更加高效和灵敏。　　 在第一幸中首先对微流控芯片的优势、微流控的基本技术（微流控芯片加工，微流控系统模拟细胞微环境，微芯片混合技术）进行了背景介绍，接着对微流控剪切力系统在细胞行为方面的研究进行了概括总结，还进一步了介绍了流体剪切力对胞质钙浓度的影响的相关内容。然后对分子逻辑门相关的一些基本概念（荧光化学传感器，逻辑门，分子逻辑门等）进行了介绍，并综述了分子逻辑门领域的研究进展以及在微流控中进行逻辑门操作的相关实例。再接着概述了检测氰根离子和重金属离子的当前技术进展，以及利用微流控系统来检测这两类离子的相关报道。最后对该论文研究的立题依据，研究内容和主要成果进行了归纳总结和陈述。　　 第二章介绍了一个用于定量分析成骨细胞钙动态变化的多剪切力微流控芯片设备。微流控系统是研究剪切力刺激对钙动态变化影响非常便利的平台。已经证实剪切力可以影响骨细胞的功能和影响骨骼再造。我们开发了一个能在单个芯片中同时产生四种剪切力流体的微流控系统，来研究成骨细胞胞质钙离子浓度的钙动态变化。四种不同的剪切力随细胞培养小室宽度的变化而变化，同时我们增加了一些阻力通道来矫正每个分支的总阻力，从而使流体平均分配到四个分支中。另外，我们还通过数值模拟得到了细胞培养小室中局部剪切力的分布，找出了适用于测量钙动态变化的均一剪切力区域。在0.03-0.30 Pa，成骨细胞胞内钙浓度的升高与剪切力的强度成正比。另外我们发现剪切力刺激下成骨细胞的钙响应出现了延迟，这种钙响应的延迟对应的剪切力的阈值在0.03-0.06 Pa之间。总的来说，我们开发了一个可提供可控的多种剪切力的微流控剪切力芯片设备，并且该芯片设备可以对剪切力引起的胞质钙离子浓度变化强度进行定量分析。　　 第三章介绍了通过利用基于气动控制的多个微阀作为微蠕动泵来实现流体混合的微流控设备，实现了在不同pH和离子条件下荧光强度变化不同的荧光化学传感器的分子逻辑门。这里使用的PDMS微流控设备利用多层软光刻技术制备。在循环流通环形微通道中，逻辑混合则通过电脑控制的LABVIEW程序气动控制微流泵来实现。该微流控系统能可控制固定容量的流体，并且有5个小室用于双输入逻辑门的芯片上的条件混合和高效化学反应，以此来获得这些荧光化学传感器的分子逻辑门。结果中，通过芯片上的逻辑混合和荧光化学传感器荧光强度的变化，我们获得了INH和NOR两种双输入的分子逻辑门，并且通过整合分别表现为XOR和AND逻辑门的两种荧光化学传感器获得了OR逻辑门。我们还尝试了将能结合铜的转铁蛋白，transferrin和铜离子荧光化学传感器进行逻辑混合得到了与生物相关的NOT(INH)逻辑门。以上结果证实了以前认为只能工作于溶液中的分子逻辑门现在能实现在电子化控制的微流控设备中。这也暗示了我们的分子逻辑门平台会对开发溶液微处理器有很大意义。　　 在第四章中，我们介绍了一个能特异性检测氰根离子的流动注射微流控系统平台，含有微通道被动式混合器。这里利用了对氰根离子特异的荧光化学传感器，通过其在微流控系统中与氰根离子溶液被动混合后的荧光强度变化来检测氰根离子的浓度。在此系统中，荧光化学传感器和氰根离子溶液的混合是通过鱼骨状的被动式微混合器实现。这个微流控系统操作简单，只需要一个流动注射泵，不需要电脑程序控制。该荧光化学传感器与氰根离子的混合是在水溶液中即可实现。将荧光化学传感器与不同浓度的氰根离子混合后可观察到荧光化学传感器的荧光强度随着氰根离子的浓度增加而线性增强。在这种“关-开”型的发射光变化可在500nm观察到200倍的发射强度的增强。实验结果说明，我们设计的流动注射微流控芯片系统成功地利用了对氰根离子特异的荧光化学传感器实现了对氰根离子的在线检测。这给未来开发便携式检测设备给予了重要的启发。　　 第五章中介绍了另外一种流动注射微流控系统，该系统选择了三种对不同重金属离子有特异性的荧光化学传感器，通过被动混合反应实现在线同时检测多种重金属离子。该系统是对检测氰根离子的微流控系统的一个延伸，同样也利用了鱼骨状微通道的被动式混合原理。所不同的是，该微流控系统中包含并行的三个混沌混合通道，使得每个荧光化学传感器可在各自分支中单独与样品溶液（含有多种重金属离子）混合。荧光化学传感器与与样品完全混合后，可在每个分支的荧光检测区域观察到特定的荧光变化。我们挑选了三种分别对Cd2+，pb2+和Hg2+特异的荧光化学传感器，使之在微流控系统中与重金属离子混合液反应，每个荧光检测区域都观察到了不同的红色和黄色荧光变化，以此可判断样品溶液中重金属离子的浓度。但是该系统中所使用的荧光化学传感器和检测设备的灵敏性不是特别强，这成为了该微流控系统灵敏性差的直接原因。