微流控作为一种新兴的技术平台被广泛应用于生化分析、传感检测、药物输送和材料合成等领域。在微流控芯片系统中,灵活操纵微纳米颗粒的运动轨迹和行为特性,包括富集、轨迹调控、定向迁移和装载样本的释放等,往往是这些应用中一个必不可少的关键环节。鉴于此,科研人员提出了一系列的基于流体特性、通道结构、声-光-电-磁效应和特殊功能材料的颗粒操控方法。虽然这些方法具有各自独特的优势和应用场合,但也具备一些显著的缺陷,包括颗粒轨迹调控不够灵活、操控平台复杂、对溶液和颗粒的理化性质要求高等。而且现有的颗粒轨迹调控技术主要针对的是单相流溶液,两相流体界面上颗粒轨迹操控方法鲜有报道。因此,开发一种调控灵活、结构简单、对样本理化性质要求低的能应用于多种场合的微纳米颗粒操控方法将具有重要的意义和前景。根据以上背景,本文的研究内容包括以下几个方面:以热浮力/毛细对流作为颗粒运动轨迹和行为特性的调控机制,提出了基于热浮力-毛细对流效应的微纳米颗粒调控新方法。基于微纳尺度系统传热、流体对流和颗粒迁移的基本理论,建立电场-热场-流场的多物理场数值分析模型。通过仿真探究系统传热和流体对流随芯片结构参数和控制电压的变化规律,并比较重力、热浮力流、颗粒热泳和热毛细对流等对颗粒迁移的影响,为微纳米颗粒操纵芯片的设计提供理论依据。从溶液中颗粒样本富集操控出发,设计并搭建了基于热浮力对流原理的用于静态和连续单相流溶液中微纳米颗粒高效富集的微流控芯片系统。首先以静态单相流颗粒溶液为研究对象,采用工程微纳米颗粒为实验样本,系统地研究了电压、通道高度、流体粘度和溶液种类等因素对颗粒富集效率的影响。然后将研究对象拓展到连续单相流颗粒溶液,分析了单电极和多电极操控模式下颗粒富集效率和富集位置随操控电压组合的变化规律。微纳米颗粒在油性/水性的静态/连续单相流溶液中的高效富集操纵证明了所提出的颗粒热富集方法在多种工况下都具有良好的适用性。从溶液中单颗粒样本可控迁移出发,设计并搭建了基于热浮力-毛细对流原理的用于单相/两相流系统中单颗粒样本运动轨迹灵活调控的微流控芯片系统。首先分析了单颗粒样本在热场的作用下沿着通道方向的迁移特性,以及通道构型和操控电压对颗粒迁移效率的影响,证明所提出的颗粒热操控方法在微型通道内货物运输上的可行性。其次,研究了单颗粒样本在单相流溶液中的二维灵活操纵特性。通过单电极/多电极协同操控,溶液底部的颗粒样本的运动方向可以实现360°范围内的灵活调整。最后,将研究对象拓展到气-液/液-液两相流系统,研究了单颗粒样本在流体界面上的二维灵活操控特性,证明所提出的单颗粒样本可控热迁移方法的多适用性,可以为微纳马达和微纳机器人等的驱动提供新的原理。从双乳液滴颗粒迁移、释放及释放样本的富集出发,设计并搭建了基于热浮力-毛细对流原理的用于双乳液滴颗粒集成热操控的微流控芯片系统,并利用玻璃毛细管芯片制备所需的双乳液滴颗粒。首先研究双乳液滴颗粒在芯片内沿蜿蜒通道的可控热迁移特性。当双乳液滴颗粒迁移到目标区域后,分析双乳液滴颗粒在马兰戈尼效应下的内核释放行为随电压、壳厚和液滴核数的变化特性。接着将工程微纳米颗粒包裹到双乳液滴内部,分析颗粒的热释放特性以及释放颗粒在热场下的富集行为。最后以包裹在液滴内的酵母细胞为例,通过其迁移、释放和培养行为证明所提出方法在微型货物输运和材料保存等领域的可行性。