完全集成的自动微流控装置，用于颗粒的固定、分析及非选择性释放

《Micro and Nano Engineering》：Fully integrated automatic microfluidic setup for immobilization, analysis and non-selective release of particles

本研究开发了一种基于气动变形PDMS膜的微流控平台，能够自动捕捉、分析和释放微颗粒。通过设计可变形膜结构及集成自动化控制软件，实现了高效可靠的颗粒循环利用，适用于高通量单颗粒分析应用。

　　本文介绍了一种基于微流控技术的新型装置，该装置能够对单个微粒进行捕捉、分析和按需释放。这一创新设计采用了由气动驱动引起的膜变形机制，以实现对微粒的高效控制。研究团队借鉴了类似“弹珠机”的结构理念，设计了一种带有可变形膜的微流控芯片，该膜通过上方气动腔室的压力控制进行驱动，从而在微流控系统中实现动态的微粒捕捉与释放过程。

该装置的核心在于其独特的捕捉结构，由一系列陷阱组成，这些陷阱被安置在一个可变形的膜上，使得在压力变化时，膜能够发生相应的位移，进而实现对微粒的捕获与释放。相比传统的固定结构微流控系统，这种设计显著提升了捕捉膜的可移动性，通过引入一个宽而椭圆形的腔室以及悬浮的直行引导结构，使得微粒能够在更大的范围内被引导至捕捉点，而不是被限制在传统的固定边界内。这种结构设计不仅有助于提高捕捉效率，还为实现高通量、可重复的微粒分析提供了可能。

为了验证该装置的性能，研究人员使用共聚焦显微镜对膜在受控负压下的变形进行了测量。实验结果显示，膜在?100 mbar的负压下可以发生超过120 μm的垂直位移，这一位移幅度足以释放直径为80 μm的微粒。通过将实际测量数据与多种理论模型进行对比，研究团队发现“厚膜近似”模型与实验结果高度一致，表明该模型适用于进一步的系统扩展和优化。这一发现为未来在更大规模或更复杂系统中应用该装置提供了理论依据。

此外，该研究还展示了如何通过自动化手段控制整个捕捉与释放流程。研究团队开发了一种基于Python的自定义界面，利用μManager库实现了对显微镜、运动平台以及流体系统的统一控制。该界面允许用户通过简单的输入即可完成对捕捉区域的校准，并自动执行捕捉、成像和释放的完整流程。这一自动化特性极大地提升了系统的操作效率，使得实验可以在短时间内完成，并且能够重复使用同一芯片进行多次实验，从而节省成本并提高研究的灵活性。

为了进一步提升系统的实用性，研究人员还探讨了如何优化微粒的释放过程。例如，在捕捉直径小于80 μm的微粒时，由于微粒尺寸较小，它们可能会在膜的狭窄开口处“卡住”，导致释放效率降低。因此，研究团队建议将捕捉区域的尺寸调整至50–80 μm之间，以确保微粒能够顺利释放。同时，他们还提出了一种可能的改进方案，即在PDMS腔室的上方粘贴玻璃载片，以防止在负压作用下腔室顶部发生弯曲，从而避免因膜变形不均而影响捕捉与释放的准确性。

在实际应用方面，该装置被用于对微粒进行一系列实验，包括捕捉、成像和释放。实验过程中，研究人员通过控制流体和气动系统的压力，实现了对微粒的精确捕捉，并利用共聚焦显微镜对捕捉后的微粒进行了高分辨率成像。在释放阶段，通过调整气动腔室的压力，使捕捉膜离开焦点，从而释放微粒。实验结果表明，该装置能够稳定地完成捕捉与释放的全过程，其性能在多次实验中均表现出良好的重复性。

尽管该装置在捕捉和释放微粒方面表现出色，但研究团队也指出了一些可能的改进方向。首先，当前捕捉膜的设计适用于较大的微粒（如80 μm直径的聚苯乙烯微球），而对于更小的生物样本（如单细胞）可能需要进一步优化捕捉区域的尺寸和结构。其次，微粒的释放过程可能受到捕捉区域几何形状和流体流动模式的影响，因此对捕捉区域的布局进行优化可以进一步提高系统的整体效率。

在材料选择方面，研究团队使用了聚二甲基硅氧烷（PDMS），这是一种在微流控领域广泛应用的材料，因其良好的光学和机械性能而受到青睐。PDMS的弹性特性使其能够通过气动腔室的压力变化进行可控变形，从而实现对微粒的捕获与释放。然而，这种材料在长时间使用下可能会出现疲劳现象，因此在实际应用中，需要评估其长期稳定性和耐用性。对于需要长时间运行的实验，研究团队建议进行专门的疲劳测试，以确保系统的可靠性。

该研究还强调了该装置在生物医学和生命科学领域的潜在应用价值。例如，该系统可以用于高通量筛选实验，通过重复捕捉和释放过程，对大量微粒进行快速分析。此外，它还适用于动态成像实验，能够实时监测微粒的运动状态和相互作用。这种能力在研究细胞行为、药物反应以及生物分子相互作用等方面具有重要意义。

值得一提的是，研究团队还提供了该装置的完整实验流程和控制软件的源代码，使得其他研究者可以方便地复现实验并进行进一步的改进。通过在GitHub平台上公开这些资源，他们希望能够促进该技术的广泛应用，并鼓励更多科学家参与到微流控技术的创新与发展中。此外，他们还建议未来的研究可以探索如何将该系统应用于更复杂的生物样本，例如活细胞或组织样本，从而拓展其应用范围。

综上所述，这项研究提出了一种新型的微流控装置，其核心在于利用PDMS膜的可变形特性，结合气动控制和自动化成像系统，实现了对微粒的高效捕捉与可控释放。该装置不仅提高了微流控系统的功能性，还为未来的高通量生物分析提供了新的思路。通过进一步优化捕捉区域的尺寸和结构，以及改进材料的耐久性，该技术有望在更广泛的科学领域中发挥重要作用。