微流控技术（Microfluidics）是多学科交叉的前沿科技领域之一。该技术将化学、生物及医学等领域中所涉及的采样、混合、反应、分离、检测以及细胞的培养、分选、裂解等基本操作集成到数厘米见方的芯片上，从而取代传统的生化实验室的功能，具有试剂耗量极微，检测速度极快，获取信息极多等优点。因此，微流控分析系统在生物、医学、节能、环境监测与保护等众多领域都具有十分广阔的应用前景。微流控技术的发展不仅依赖于生物、化学、材料及电子等多个学科领域的前沿技术，也依赖于对物质在微纳尺度下的热质传递等基本规律的掌握。在微流控芯片中，电磁场是控制物质输运的主要方式，与电场相比，磁场具有独特的优势：磁场力不受样品浓度及pH值等参数的影响；磁场作用下的磁性微球（磁珠）具有良好的可操控性，且其表面生化修饰具有多样性等，磁场（磁珠）与微流控技术的结合为近年来的一个重要研究热点。然而，目前国内外的相关研究集中于磁泳芯片传质过程的定性演示，缺乏对磁场作用下微系统内传质机理的定量研究，特别是对于高流速下分离小粒径磁珠的困难仍然没有有效的解决办法；关于集成电磁线圈磁泳芯片方面，对于如何解决提高磁泳分离效率和降低焦耳热效应之间的矛盾还缺乏简单的行之有效的技术手段；此外，功能磁珠与生化样品的混合效率也有待进一步提高。鉴于此，本课题采用理论分析、数值模拟和实验研究等综合手段，对磁场作用下微通道内的热质传递机理进行了深入的探索和研究，取得了以下一系列重要成果和结论：1．建立了微通道内磁珠在磁场和流场共同作用下的动力学模型，采用有限元法和龙格库塔法相结合的方法，研究了磁珠的动力学行为及特征，分析了单向耦合模型和双向耦合模型的适用条件，得到了微通道内的磁场力分布、磁珠的运动轨迹、运动速度、捕获时间及捕获效率等。讨论了三种集成软磁体布置方式：微通道单侧磁极布置，双侧磁极对称布置和双侧磁极交错布置对磁珠动力学行为的影响。结果发现：在集成微磁体阵列的作用下，通道内磁珠的运动轨迹呈现波动特征，与单侧磁极布置相比，双侧磁极对称布置可削弱这种波动，而双侧磁极交错布置则强化了这种波动；双侧磁极对称布置和交错布置尽管对磁珠运动轨迹特征有明显影响，但对捕获效率影响不大；双侧磁极布置比单侧磁极布置的捕获效率高，但其捕获时间也更长；双侧磁极布置由于两侧磁场力相互削弱的原因，其捕获效率明显低于单侧磁极布置的两倍。2.开展了微通道内高速流动下的磁泳分离实验研究，利用显微可视化技术观测了微通道内超顺磁磁珠的运动和捕获情况，利用图像分析技术获得了磁珠的捕获数量随时间、流速和磁场强度的变化规律。结果发现：在流速较高或磁场较弱时，磁珠的捕获数量随时间呈现线性增加的趋势，而在低流速或较高磁场强度时，其增加速度随时间增长呈现先快后慢的非线性趋势；存在一个临界流体速度，当流体速度小于此临界速度，相同时间内磁珠的捕获数量较多，高于此临界速度，捕获数量则迅速下降，并在流速较高时下降速度变缓；相同流速下，磁珠的捕获数量随磁场强度的增加而明显增加，且增加的速度越来越快。3.首次提出并证明了利用磁力场与流场的协同作用提高微通道内磁泳分离效率的方法。从微通道内磁珠运动基本方程出发，分析并证明了磁珠在微通道内的运动始终处于准平衡状态，据此进一步导出了影响磁泳分离效率的重要参数，即磁场力矢量和流体速度矢量间的夹角（该夹角越小，表明磁力场和流场的协同性越好），从而为提高磁泳分离效率找到了新的优化途径，即通过减小磁力场和流场矢量间的夹角，可明显提高微通道磁泳分离效率。4.基于上述磁力场与流场协同作用原理，设计并加工了集成有微型软磁体的新型L/T型微通道结构的磁泳分离芯片。通过数值研究，分析了流速、磁场强度、磁珠粒径及流体温度等参数对其分离效率的影响。结果发现：新型的L/T型结构磁泳分离芯片较常规的直通道磁泳芯片的分离效率有显著提高，如在流速为0.01m/s时，直通道芯片对直径为0.5μm的磁珠的分离效率仅为43.7%，而相同条件下，L型和T型通道的分离效率分别高达63.4%和100%。在此基础上，利用荧光超顺磁磁珠开展了直通道以及L/T型通道内的磁泳分离实验，验证了磁力场和流场协同作用提高磁泳分离效率的原理的正确性。5.基于提高磁泳分离效率、降低焦耳热效应，以及确保可视化的原则，提出并设计加工了集成电磁线圈的具有Glass/Si/Glass三明治结构的磁泳分离芯片，利用超顺磁荧光磁珠进行了磁泳分离实验，发现：集成微电磁线圈捕获磁珠的荧光强度分布与线圈的磁场分布存在关联；以红外热像仪测量了芯片磁泳过程中因焦耳热导致的温升，通过有限元法模拟了三明治结构芯片的热性能，并与文献中常用的PDMS/PDMS和PDMS/Glass结构芯片进行了比较，发现磁泳捕获效率为87.4%时，Glass/Si/Glass三明治结构微通道内的温升不超过10℃，明显低于相同条件下的PDMS/PDMS和PDMS/Glass结构内的温升（分别为62.4℃和30.7℃），为解决传统芯片结构在提高捕获效率和降低焦耳热效应之间的矛盾提供了一种新的并满足可视化检测要求的芯片结构选择。6.建立了磁场、流场和浓度场的多物理场耦合模型，数值研究了微通道内利用低频间歇性磁场强化功能磁珠的微混合过程，考察了施加磁场前后微通道内的磁珠浓度、流体速度和压力以及混合效率的变化情况，分析了雷诺数、斯特劳哈尔数（与磁场频率有关）、磁场力大小、微通道尺寸以及流体温度等参数对混合效率的影响。发现：低频间歇性磁场能够显著提高微通道内的混合效率；在一定条件下，存在一个最小扰动磁场力使得强化混合得以启动，并存在一个最佳磁场频率使得混合效率达到最高。上述研究，系统深入地揭示了微通道内磁珠的动力学行为及规律，同时在磁泳芯片分离效率的提高、磁泳芯片散热能力的增强以及强化微通道内混合效果等方面提出了一些新的理论和方法，相关研究成果可用于改善磁动力微流控芯片中的热质传递效率，指导磁动力微流控芯片的结构设计和优化，同时本文提出的磁力场与流场协同作用原理为涉及其它多物理场耦合过程的微系统的传递性能的提高提供了理论借鉴。