Het sorteren van deeltjes is fundamenteel voor biologisch en medisch onderzoek, hoewel bestaande methoden niet in staat zijn om grote deeltjes te sorteren via sortering met hoge doorvoer. In een nieuw rapport Y. Kasai en een onderzoeksteam in Japan, Duitsland en Polen presenteerden een nieuwe sorteermethode op de chip op basis van bewegende wervels die worden gegenereerd door on-demand microjetstromen. De methode maakte sorteren met hoge doorvoer mogelijk met behulp van een activeringssysteem voor fluorescerende detectie om kralen van 160 micrometer en gezuiverd fossiel stuifmeel uit meersedimenten te sorteren. De methode verbeterde het bereiken van chronologieën van fossiel stuifmeel voor paleomilieuregistraties van sedimentaire archieven. De methode heeft interdisciplinaire toepassingen in de genomica, metabolomics en regeneratieve geneeskunde. Het zal nieuwe mogelijkheden bieden voor het gebruik van pollen in de geochronologie, paleoecologie en paleoklimatologie. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Celsortering in het lab

Fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS) is een fundamentele methode in de biologie, medicijn, plantenwetenschap en landbouw. Met de methode kunnen onderzoekers diverse biogene fluorescerende deeltjes detecteren en sorteren, inclusief cellen met een hoge doorvoer, gebaseerd op meerdere fysische en chemische eigenschappen, waaronder grootte, morfologie en fluorescentie. Er zijn twee basistypen FACS-apparaten die verschillende sorteermethoden gebruiken; een conventionele deeltjessorteerder die afhankelijk is van aerosolgeneratie en een on-chip deeltjessorteerder die niet afhankelijk is van aerosolgeneratie om deeltjes in een microfluïdische chip te sorteren. FACS is een baanbrekende methode in paleo-ecologie en paleoklimatologie om microfossielen te concentreren en te zuiveren om milieu- en klimaatveranderingen uit het verleden te reconstrueren voor interacties tussen mens en milieu.

In dit werk, Kasu et al. presenteerde een on-chip deeltjessorteermethode die in staat is om grote deeltjes te verwerken via ruimtelijk-temporele reizende vortices gegenereerd door een on-demand, microjetstroom met een klein volume om lokaal de laminaire omstandigheden te overtreffen. Eerst, de onderzoekers analyseerden en experimenteerden experimenteel de prestaties van het genereren van reizende vortexen. Volgende, ze testten de responstijd en sorteerbare lengte van op vortex gebaseerde stroomregeling voor hoge doorvoer, sortering van grote deeltjes. Daarna, ze verifieerden de sorteermethode voor grote deeltjes met hoge doorvoer met behulp van fluorescerende microbeads en voerden vervolgens tests uit op voorbehandelde oude meerafzettingen om het vermogen van de methode om fossiel stuifmeel te sorteren te begrijpen. In de laatste experimentele stap, ze gebruikten ook accelerator massaspectrometrie (AMS) koolstofdateringstechnieken.

Werkingsprincipes van het sorteersysteem op de chip.

Het team beschreef vervolgens de werkingsprincipes van het sorteersysteem op de chip. Voordat u gaat sorteren, ze brachten de deeltjessuspensie door de monsterinlaat met behulp van een drukpomp. Volgende, ze concentreerden de deeltjes in het midden van het belangrijkste microkanaal met behulp van horizontale en verticale omhulselstromen van een hydrodynamische 3D-celfocuser. De gefocusseerde deeltjes stroomden naar het sorteergebied terwijl niet-doeldeeltjes in een afvalkanaal werden geleid. Toen de wetenschappers een doeldeeltje ontdekten, ze stuurden het naar de piëzo-elektrische actuatoren om de on-chip membraanpompen te activeren en een microjetstroom te genereren door de membraanpompen te duwen en te trekken. De straalstroom genereerde een reizende vortex direct achter de wand van het belangrijkste microkanaal. De wetenschappers sorteerden continu de doeldeeltjes via push/pull-activering van de on-chip membraanpompen. Kasu et al. bestudeerde vervolgens het jet-flow-snelheidseffect voor deeltjesverplaatsing met behulp van COMSOL Multiphysics. De onderzoekers hebben vervolgens experimenteel het effect van de straalsnelheid op het genereren van vortex geverifieerd. Hogere ingangsspanningen leiden tot een grotere verplaatsing van de piëzo-elektrische actuator en kortere stijgtijden leidden tot een snellere activering. Met behulp van een experimentele opstelling, ze toonden vervolgens aan dat de snelle straalstroom binnen 100 microseconden met succes een vortex in het microkanaal genereerde, terwijl de langzame straalstroom dat niet deed.

Stromingsprofiel en sorteerprestatietest met behulp van microbeads.

Het team analyseerde vervolgens de relatie tussen responstijd en sorteerbare lengte van de voorgestelde op vortex gebaseerde stroomregeling. Om het stromingsprofiel te visualiseren, Kasu et al. gebruikte 3D-gerichte monsterstroom met 200 nm niet-fluorescerende microbeads. De voorgestelde on-chip stroomregelingsmethode op basis van trainingswervels heeft het potentieel om een ​​grote sorteerbare lengte tot 520 µm te regelen met een snelle activering van 5 kHz. Het resultaat vertegenwoordigde de belangrijkste technische vooruitgang van de opstelling in vergelijking met de vorige ontwikkelingssorteerder die was ontworpen voor kleinere deeltjes. Om de prestaties van de voorgestelde sorteermethode te begrijpen, Kasu et al. snelle sortering op de chip uitgevoerd met 160 µm fluorescerende microbolletjes zo groot, gestandaardiseerde deeltjes. Tijdens dit experiment wordt ze gebruikten gedenatureerde alcohol om de sorteerstroom te visualiseren. Om de hoofdstroom te observeren, ze introduceerden een sorbitoloplossing, wat ook hielp de sedimentatiesnelheid van de microbeads te verminderen. De microbeads reisden direct naar het detectiepunt voor ontdekking, en een reizende vortex gegenereerd in de opstelling, maakte de verschuiving en detectie van microkralen in het bovenste of onderste interessekanaal mogelijk. In tegenstelling tot, niet-fluorescerende microkralen reisden het afvalkanaal in zonder te worden beïnvloed door bewegende wervels. Het team analyseerde de prestaties van on-chip sorteren in verhouding tot het slagingspercentage, zuiverheid en maximale doorvoer. Vervolgens telden ze het aantal doeldeeltjes en sorteerden niet-doeldeeltjes op de opgenomen videobestanden om het effect te laten zien van het op hoge snelheid sorteren van grote fluorescerende deeltjes op de chip.

Proof-of-concept—sorteren van fossiel stuifmeel

Het team testte de toepasbaarheid van de nieuw ontwikkelde sorteermethode voor grote deeltjes op de chip om het fossiele stuifmeel te concentreren en te zuiveren. Om dit te bereiken, ze gebruikten twee monsters van gletsjermeersedimenten uit het Suigetsu- en het Biwameer. Voordat u het monster sorteert, de wetenschappers hebben het monster fysiek en chemisch voorbehandeld om zoveel mogelijk niet-pollendeeltjes te verwijderen, terwijl de werkinspanning en -kosten tot een minimum worden beperkt. Het team classificeerde de niet-pollen- en sporendeeltjes in de gesorteerde monsters als niet-geïdentificeerd organisch afval, inclusief de overblijfselen van plantenvezels en micro-organismen, vanwege hun verschillende fluorescentie-eigenschappen voor pollen. Om de nauwkeurigheid te beoordelen van het pollenconcentraat dat is gezuiverd met de sorteermethode op de chip, Kasu et al. uitgevoerd ¹⁴ C datering op de uittreksels. Uit de resultaten bleek dat de leeftijd van drie van hen statistisch overeenkwam met de bestaande chronologieën in referentieleeftijden.

Op deze manier, Y. Kasai en collega's presenteerden een sorteermethode waarmee de meeste pollentaxa van de kleinste soorten tot de grote soorten tot 170 µm met een hoge doorvoer kunnen worden gesorteerd. Het werk zorgt voor een efficiënte concentratie van fossiel stuifmeel van elke sedimentaire afzetting voor ¹⁴ C dating of andere analytische toepassingen. Dit is een doorbraak, in vergelijking met een conventionele deeltjessorteerder. De methode wordt echter beperkt door het onvermogen om herwerkt stuifmeel te onderscheiden van niet-bewerkt stuifmeel tijdens ¹⁴ C daten. Met behulp van zeer zuivere pollenconcentraten gesorteerd door de nieuwe on-chip sorter, Kasu et al. presenteerde een waardevolle benadering om het probleem op te lossen. De sorteerder is compatibel met verschillende methoden in de biogeneeskunde met potentiële toepassingen om zeer zuivere concentraten te verkrijgen voor stabiele isotoop- en oude DNA-analyses om nieuwe wegen in diverse onderzoeksgebieden te verkennen.

© 2021 Science X Network