前　言

微流控芯片技术的特点，是把在化学、生物、医学等领域分析过程中涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元进行高度微型化、自动化和集成化。相对于对传统生化实验分析方法，这是一个巨大的技术革新。该技术在生物、化学、医学等领域有巨大潜力，已经发展为化学、生物、医学、电子、材料、机械、流体等学科的交叉研究领域。从应用的角度，目前微流控芯片技术在体外诊断、药物高通量分析、分子检测、实验手段革新等领域有巨大的市场应用前景。相应技术的知识、原理和方法是化学、生物、医学等工科领域本科生和研究生值得学习的内容。

微流控芯片建模是微流控芯片设计的重要前提步骤。建模设计有助于研究者从原理上评估方案的可行性，可以避免采用试错的方式来制造芯片，从而显著缩减研究成本、提高设计效率。一种好的芯片设计，不但要求设计人员深入了解微流控芯片的材料特性、制作流程、应用背景，还要求设计人员能熟练应用数学、物理、计算机等知识，因此微流控芯片建模设计对设计人员有较高的知识架构需求。然而，由于学科分野，从事生物、化学、医学研究的学生往往在数学、物理、计算机方面的知识十分薄弱，这严重制约了他们的研究能力。专业的划分虽然使学生能专注于某一方面的研究，但带来的负面效应就是学生知识架构的局限性，这是我国大学教育中不得不正视和需要改革的问题。在这样的情况下，如何让化学、生物、医学等领域从事微流控芯片设计与应用的大学生快速容易地获得建模知识及技能，是我们编写本书的初衷和动力。

本书是基于笔者近几年在北京理工大学的研究生教学经验以及研究经验编写的，可作为化学、生物、医学等学科研究生教材。全书分为5章，其中第1、4、6章由徐远清编写，第2、3章由耿利娜编写。第1章，简要介绍微流控芯片技术的应用前景和常见建模方法。第2章，主要介绍微流控芯片的制作材料、制作工艺、功能单元等知识。第3章，主要介绍微流控芯片技术的应用。第4章，主要介绍采用有限元方法建立微流控芯片功能单元模型，这一章重点介绍了偏微分方程、有限差分思想、有限元法原理等基本知识，并结合COMSOL Multiphysics软件对微流控芯片中的流动、通道设计、微混合、样品操控、液滴操控、微泵等常见微流控芯片功能单元进行了详细的建模示范。第5章，针对现有软件在模拟微流控芯片中颗粒操控能力的不足，主要介绍浸入边界-格子Boltzmann方法的基本原理和在细胞分离中的应用，并采用MATLAB进行了程序实现。根据笔者的设想，学生完整学习本书中的知识和案例，结合实际操作，将初步具备对微流控芯片功能单元进行建模和分析的能力。需要说明的是，受限于笔者的熟悉领域，本书侧重于介绍数值模拟方面的内容，对于建模中涉及的“电路等效模型”“宏-微结合模型”等未进行详细介绍。

本书的出版得到了北京理工大学研究生教材出版基金的资助，书中部分案例成果也得到国家自然科学基金(No.81771935、No.81301291)资助。我们对此表示衷心感谢!

在本书撰写过程中，研究生许都昌、李金洋、赖开澄、冯东伟、任明星进行了原始资料的辅助整理工作；研究生马景涛、魏强、祖文红等的研究成果为第5章的撰写提供了素材。在第3章中关于微流控芯片技术概述、偏微分方程理解及有限元方法原理的介绍中部分引用了网络资源；案例讲解中，微泵的案例引用了COMSOL案例库中的模型。我们对他们的贡献也表示深深的谢意!

由于微流控芯片建模涉及广泛而深入的多个领域知识，因此我们认为本书呈现给读者的不是一部完整的总结性研究成果，再加上笔者的水平有限，难免存在不妥之处，恳请读者对本书予以指正。

2021年1月于北京理工大学