微流控芯片电泳(Microchip Electrophoresis，MCE)近年来发展迅速，不同于传统毛细管电泳装置，微流控芯片装置可以集成多种不同毛细管和流体通道，为高通量、大规模并行分析提供了可能。高压驱动可以减少电泳时间，提高电泳的分离效率，但由此带来的焦耳热效应也不可忽视。电泳过程中，首先控制电泳芯片达到设定温度，之后接通电压开始电泳分离，由于高压产生的焦耳热相当于一个内热源，干扰了温度的稳态，而通道内温度的升高或降低会影响溶液黏度、电渗流、分析物的迁移时间和峰面积变化，并影响分离效率以及再现的稳定性。因此设备内温度应当严格控制。　　本论文对芯片电泳的热现象进行了研究，在有限元的理论基础上，用COMSOL Multiphysics软件构建PDMS芯片电泳沟道模型和加热元件仿真模型，研究了如下内容:　　(1)理论分析仿真模型涉及的温度场、流场和电场的基本概念，分析加热元件和芯片之间的热传导、环境与表面之间的热对流，沟道溶液和沟道内壁之间的耦合传热、高温元件的辐射散热、溶液因高压产生的焦耳热等传热现象，建立电场、温度场、流场多物理场耦合控制方程。　　(2)构建芯片电泳沟道仿真模型，研究外加电场存在下芯片温度分布，包括沟道内温度分布和PDMS、玻璃基片温度分布，计算沟道内缓冲液焦耳热产热功率。研究分析外加电场强度、缓冲液浓度以及微流道尺寸对缓冲液焦耳热产热功率和芯片温度分布的影响。仿真考虑了缓冲液电导率随温度变化的性质。仿真结果显示芯片沟道内温度分布为:在垂直方向呈现近PDMS内壁处温度高，近玻璃内壁处温度低的状态，整体温度分布为中心最高，向沟道两端延伸温度逐渐降低。外加电场强度、缓冲液浓度以及沟道横截面积的增加均会带来焦耳热功率的增加。温度和焦耳热功率密度呈线性关系，场强、缓冲液浓度一定的情况下，沟道尺寸对沟道产热功率密度和温度之间的关系没有影响。分析从理论上证明了仿真温度分布结果的合理性。　　(3)构建芯片电泳加热元件仿真模型，观察并对模型中影响温度分布的一系列因素进行了研究和讨论，包括环境温度、对流换热系数、储液池尺寸、热介质层以及微流道尺寸。并实验测量不同热源功率下的升温速率，修正模型，验证模型的可靠性。仿真结果显示，高导热介质层可以改善沟道流体温度的均匀性。环境温度和对流换热影响芯片到达平衡的温度。可以通过使用高热导率介质层、调节环境温度的方法，控制沟道流体的温度均匀。　　（4)结合分析加热元件外热源和焦耳热内热源存在下的电泳芯片，设计控温模型。模拟芯片电泳试验流程，首先通过分析不同外热源功率下的沟道稳态温度和升温速率，设计了调节热源占空比的控温模型，将沟道温度稳定控制在设定温度。随后在稳定控制的电泳芯片中加入焦耳热内热源，仿真调节外热源占空比，降低焦耳热的影响，实现沟道内恒温控制。　　(5)本文通过仿真分析发现两个对温控有重要影响的因素:热惯性和焦耳热内热源。通过研究温控仿真时温度的瞬态发展变化，本文对芯片电泳温控设计提出如下建议:需要改变温度时，应预先调节占空比，减小温度变化。可以将焦耳热作为内热源，利用焦耳热功率将温度升到设定温度。