简单多细胞生物的活体光学成像分析，以非侵入方式获取生物真实生理信息，提供可视化数据进而指导复杂生物系统的研究。秀丽隐杆线虫以其培养简单、遗传稳定和进化保守等优势，迅速成为生物学研究领域的热门模型，而线虫通体透明的特性，使其进行光学成像成为可能。　　线虫活体光学成像分析面临的挑战在于：亟需建立有效平台，灵活操纵这些微小的生物个体，给以精确可控的环境信息，并输出高分辨的成像结果。传统手段采用麻醉剂固定线虫，以获取高质量成像信息，由于线虫处于非清醒状态，其神经活动的结果可靠性受到质疑。微流控生物芯片，凭借精确的流体操控力、良好的生物兼容性和光学透明性，极大降低了传统手段对生物体的损伤，突破时间和空间精度的限制，同时提高了分析通量。本文以模式生物秀丽隐杆线虫为研究对象，建立基于微流控芯片的刺激平台，实现活体动态光学成像分析，探究细胞或基因如何应对外界环境的扰动，主要研究结果如下：　　首先，本文提出了一种“气体芯片”，用于研究生物应对气态化学刺激的神经元响应。借助梳状薄膜阀高效固定线虫身体，同时以液-气层流切换的方式将气体刺激物准确输送至线虫头部。通过基因编码的钙指示蛋白 G-CaMP实时追踪神经元活动，成功监测到非极性气体O2诱导的URX神经元钙信号，以及高浓度CO2气体对神经元的抑制现象。进一步，通过输出极性气体刺激，首次记录到ASH神经元对挥发性气体辛醇的动态响应，并对比了不同突变株系的钙波信号差异。　　为在更加精细的时间尺度上探究神经元的时间响应特性，本文以“气体芯片”为基础发展了一种“可控分段流芯片”。通过程序控制芯片薄膜阀与流体，交替输出时间可控的气流与液流，气态化合物输出精度可达亚秒级（0.1 s）。借助芯片输出21％的氧气脉冲，发现URX神经元对持续时间大于0.5 s的刺激敏感。输出重复刺激，发现神经元在短脉冲（1 s）刺激下能快速恢复，而延长刺激时间（10 s），则出现信号逐级降低的神经元适应性。　　将“分段流芯片”进一步扩展至挥发性气味与气压机械应力的刺激输出研究中，初步探索了线虫的嗅觉神经元AWC与伤害感受神经元ASH的应激反应。结果表明，AWC神经元不仅参与了对气味撤去的感知，还能同时响应流体压力变化。另一方面，输送高压强的气流至线虫头部并形成包裹，监测到鼻尖碰触敏感的ASH神经元响应，提示此方法或能实现有效的机械碰触刺激。　　线虫能在数秒内通过嗅觉神经感知病原菌气味，却通常需要数小时启动免疫响应。借助荧光标记手段，能直观显示相关免疫基因表达。为监测单个线虫的免疫动态过程，本文发展了以腔室阵列培养和微阀固定为核心的集成化微流控芯片，模拟线虫-病原菌共生环境。以铜绿假单胞菌 PA14侵染线虫为模型，通过高效固定采集成像数据，并定量其肠部免疫基因irg-1表达变化。食物种类与浓度的变化，影响irg-1免疫表达的进程。此外，加入不同浓度药物，研究了线虫感染后的恢复。该方法为研究线虫先天性免疫、以及基于线虫模型的药物筛选提供高效研究平台。　　综上所述，本文借助集成化微流控芯片实现了良好的线虫固定，并输出多种模式的刺激，研究活体线虫细胞内分子的瞬时响应和长时间动态表达，为线虫研究提供了新的技术手段。