随着微纳流控技术在化学、生物和临床检验上的应用越来越广泛,对微纳流控技术的要求也就越来越高和越来越复杂。因而,如何在复杂的条件下实现对介质传输的调控是微纳流控技术必须面对的问题,它决定了微纳流控芯片的设计以及应用。尤其当芯片的尺度由微米缩小到纳米级时,介质传输过程会出现在宏观条件下观察不到的奇异现象。对这些现象进行阐述将对于微纳流控技术的广泛应用具有指导意义。所以,本论文在微纳流控系统介质传输理论方面开展了研究,主要研究对象是微型复合芯片电泳分离、流动注射系统微型化、双酶耦合反应动力学机理等。1.基于3D有限元模型研究复合芯片电泳分离展宽由于玻璃微芯片和毛细管的耦合构造的复合芯片在紫外可见和质谱检测上显示了极大的优势。本章通过建立3D有限元模型模拟了复合芯片电泳过程,研究了复合芯片接口截面积变化和zeta电势分布对该类芯片电泳分离的影响。研究中,以芯片与毛细管截面积之比(Sratio)作为复合芯片接口截面积变化的参数。理论模拟表明,在zeta电势分布均匀的条件下,复合芯片电泳分离的效率随着Sratio的减小而增大。当zeta电势在轴向分布不均匀时,也会影响复合芯片电泳的传质过程。因此,在3D模型中考虑了zeta电势分布的问题,模拟结果表明zeta电势分布对电泳分离的影响要超过截面积变化的影响。同时,理论和实验结果证明复合芯片在Sratio=1时分离效率最好。2.微型流动注射分析系统理论研究通过有限元方法研究了流动注射分析系统(FIA)微型化对流体传质与反应的影响。所建立的理论模型是基于一种重力驱动的微型流动注射分析系统。鉴于该系统的多尺度特性,采用不同尺度的网格划分模型以减小计算量。理论模拟研究了扩散对微型流动注射分析系统中物质混合的影响,确认了Taylor扩散在该系统的物质传质中占主导地位。同时,也运用理论模型研究了Taylor扩散对非平衡条件下准一级反应动力学过程的影响。随着反应速率常数的增加,准一级反应产物的浓度分布曲线的峰高降低。另外,理论模拟得到流速和进样体积对微型流动注射分析系统的影响和文献报道的结果一致。因此,借助有限元模型将有助于理解微型化流动注射分析系统的传质机制和设计优化微型流动注射分析系统的构型。3.双酶耦合反应理论研究双酶或多酶耦合反应是生物体内普遍存在的生化过程。现有对这类反应的实验研究都是对耦合反应进行整体分析,对于反应中耦合过程的研究由于实验条件的约束,无法将耦合反应分解成单个反应进行处理。因而,本章将结合实验研究和数学模型研究双酶耦合反应体系。实验中选择了乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶构成的耦合反应为静态条件下的研究对象。另外,选择了β-半乳糖苷酶和葡萄糖氧化酶构成的耦合反应为流动条件下的研究对象。在实验获得相关数据的基础上,通过数学处理对耦合反应分解进行了初步的探索,获得了不同反应阶段的分析结果。研究成果将为阐述复杂生物耦合反应提供理论依据。4.纳米通道性质的初步探讨利用有限元方法建立的3D模型研究了20和200 nm圆形通道的双电层变化以及对介质传输的影响。理论研究表明,对尺寸大于20 nm的纳米通道,宏观条件下的连续性定理能够反映出纳米通道限域尺寸产生的效应。圆形纳米通道中双电层变化的理论公式计算结果与数值计算结果较为一致,证明了理论近似结果在适当条件下是可行的。另外,对比20和200 nm通道中电渗流行为,发现双电层厚度在纳通道中占有的比例越大,其对电渗流的影响越大。