肿瘤细胞的检测和分析对于癌症的早期诊断、临床治疗以及抗癌药物的药效评估具有至关重要的意义。但肿瘤细胞数量极为稀少,且游离在血液等复杂环境中,处在大量杂质细胞背景下。因此进行肿瘤细胞高回收率、高纯度的分离和富集是对癌症研究分析,乃至多种生物学、生物医学和临床诊断研究的基础和前提。本文在综述基于微流控技术的细胞分选手段的基础上,围绕确定性侧向位移细胞分选技术开展工作,针对分选机理、分选结构形貌优化、芯片制备工艺、分选性能测试和表征、样品液稀释过程的集成进行理论和实验研究,提出了一种肿瘤细胞分选芯片,在肿瘤细胞高回收率、高纯度分选方面取得一定突破。本文的具体研究工作如下:1)提出基于贝塞尔拟合曲线的形貌优化方法,对确定性侧向位移分选微柱截面形貌进行逆设计。以控制流速分布、降低临界半径为目标,求解获得具有更小临界半径、更高分离性能的水滴型分选微柱,提升粒子分离的精度和通量。以控制压力分布、促进细胞变形为目标,求解获得桃型分选微柱,增加了确定性侧向位移分选的控制维度,为尺寸相近细胞的精确控制与分选提供有效途径;2)基于任意拉格朗日-欧拉法构建了流-固耦合模型,考虑双向耦合作用分析流场参量对粒子运动轨迹的影响,提高了精确性。对粒子在微柱阵列内运动进行数值模拟,分析流速、尺寸等控制参量,及吸附、碰撞等情况对分选的影响规律,提出粒子对间隙内流体的压缩作用导致相对临界半径的增大。3)揭示聚合物材料PMMA及环氧树脂的封装失效问题的机理,给出基于表面改性处理的微流控芯片封装工艺,针对PMMA芯片封装中龟裂翘曲失效问题,提出了蒸镀Parylene工艺和热退火工艺的解决方案。针对环氧树脂芯片封装中预聚物堵塞问题,提出局部疏水处理工艺的解决方案,为聚合物微流控芯片的封装提供稳定可靠途径;4)研制一种基于水滴形截面微柱的确定性侧向位移式分选芯片,在300μL/min流速下对15μm粒子的分选回收率为98.4%,纯度为97.8%。在血细胞背景下对前列腺癌细胞分选平均回收率为93.81%,平均分离纯度为90.35%;对胃癌细胞分选平均回收率为84.58%,平均分离纯度为91.95%,证明了芯片对肿瘤细胞的高精度高纯度分选性能。5)为进一步在前处理过程中对样品混合物进行高效自动稀释混合,对微流体片上主动混合器件的原理和方法进行了研究,提出一种主动式电渗微混合器的设计方法。基于最优化控制方法构造狄利克雷边界控制问题,逆向求解电渗微混合器电极在通道侧壁上的最优分布,以达到最佳混合性能。表征混合效果的混合测度函数为0.025,优于设定阈值0.050,证明了设计方法的有效性。