Partikelsortering är grundläggande för biologisk och medicinsk forskning, även om befintliga metoder inte kan sortera stora partiklar via högkapacitetssortering. I en ny rapport, Y. Kasai och ett forskarlag i Japan, Tyskland och Polen presenterade en ny on-chip-sorteringsmetod baserad på resande virvlar genererade av on-demand mikrojetflöden. Metoden möjliggjorde sortering med hög genomströmning med hjälp av ett aktiveringssystem för fluorescerande detektion för att sortera 160 mikrometers pärlor och renat fossilt pollen från sjösediment. Metoden förbättrade uppnåendet av kronologier av fossilt pollen för paleomiljöregister av sedimentära arkiv. Metoden har tvärvetenskapliga tillämpningar inom genomik, metabolomik och regenerativ medicin. Det kommer att öppna upp nya möjligheter för pollenanvändning i geokronologi, paleoekologi och paleoklimatologi. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Cellsortering i labbet

Fluorescensaktiverad cellsortering (FACS) är en grundläggande metod inom biologi, medicin, växtvetenskap och jordbruk. Metoden kan tillåta forskare att upptäcka och sortera olika biogena fluorescerande partiklar, inklusive celler med hög genomströmning, baserat på flera fysikaliska och kemiska egenskaper inklusive storlek, morfologi och fluorescens. Det finns två grundläggande typer av FACS-enheter som använder olika sorteringsmetoder; en konventionell partikelsorterare som förlitar sig på aerosolgenerering och en on-chip partikelsorterare som inte förlitar sig på aerosolgenerering för att sortera partiklar i ett mikrofluidchip. FACS är en banbrytande metod inom paleoekologi och paleoklimatologi för att koncentrera och rena mikrofossiler för att rekonstruera tidigare miljö- och klimatförändringar för interaktioner mellan människa och miljö.

I det här arbetet, Kasu et al. presenterade en partikelsorteringsmetod på chip som kan bearbeta stora partiklar via spatiotemporala rörliga virvlar som genereras av en on-demand, mikrojetflöde med liten volym för att lokalt överskrida laminära förhållanden. Först, forskarna analyserade och experimentellt bestämde prestandan för generering av resande virvel. Nästa, de testade svarstiden och sorterbar längd av virvelbaserad flödeskontroll för hög genomströmning, storpartikelsortering. Därefter, de verifierade sorteringsmetoden för stora partiklar med hög genomströmning med hjälp av fluorescerande mikropärlor och körde sedan tester på förbehandlade forntida sjöavlagringar för att förstå metodens förmåga att sortera fossilt pollen. I det sista experimentsteget, de använde också acceleratormasspektrometri (AMS) koldateringstekniker.

Arbetsprinciper för sorteringssystemet på chip.

Teamet beskrev sedan arbetsprinciperna för sorteringssystemet på chip. Innan du sorterar, de införde partikelsuspensionen genom provinloppet med hjälp av en tryckpump. Nästa, de fokuserade partiklarna in i mitten av huvudmikrokanalen med hjälp av horisontella och vertikala mantelflöden från en hydrodynamisk 3D-cellfokuserare. De fokuserade partiklarna flödade till sorteringsområdet medan icke-målpartiklar leddes in i en avfallskanal. När forskarna upptäckte en målpartikel, de skickade den till de piezoelektriska ställdonen för att trigga membranpumparna på chipet och generera ett mikrojetflöde genom att trycka och dra i membranpumparna. Jetflödet genererade en vandringsvirvel omedelbart bakom väggen på huvudmikrokanalen. Forskarna sorterade kontinuerligt målpartiklarna via push/pull-aktivering av on-chip-membranpumparna. Kasu et al. studerade därefter jet-flow-hastighetseffekten för partikelförskjutning med COMSOL Multiphysics. Forskarna verifierade sedan experimentellt effekten av jethastigheten på virvelgenerering. Högre inspänningar leder till större förskjutning av det piezoelektriska ställdonet och kortare stigtider ledde till snabbare aktivering. Med hjälp av en experimentell uppställning, de visade sedan att det snabba jetflödet framgångsrikt genererade en virvel i mikrokanalen inom 100 mikrosekunder, medan det långsamma jetflödet inte gjorde det.

Flödesprofil och sorteringsprestandatest med mikropärlor.

Teamet analyserade därefter förhållandet mellan svarstid och sorterbar längd av den föreslagna virvelbaserade flödeskontrollen. För att visualisera flödesprofilen, Kasu et al. använde 3D-fokuserat provflöde med 200 nm icke-fluorescerande mikropärlor. Den föreslagna metoden för flödeskontroll på chipet baserad på träningsvirvlar har potential att styra en stor sorterbar längd på upp till 520 µm med höghastighetsaktivering på 5 kHz. Resultatet representerade det huvudsakliga tekniska framstegen i installationen jämfört med den tidigare utvecklingssorteraren designad för mindre partiklar. För att förstå prestandan för den föreslagna sorteringsmetoden, Kasu et al. utförde höghastighetssortering på chip med 160 µm fluorescerande mikropärlor som stora, standardiserade partiklar. Under detta experiment, de använde denaturerad alkohol för att visualisera sorteringsflödet. För att observera huvudflödet, de introducerade sorbitollösning, vilket också hjälpte till att minska sedimentationshastigheten för mikropärlorna. Mikropärlorna reste direkt mot detektionspunkten för upptäckt, och en resande virvel som genereras i installationen, tillät förskjutning och detektering av mikropärlor i den övre eller nedre intressekanalen. I kontrast, icke-fluorescerande mikropärlor färdades in i avfallskanalen utan att påverkas av rörliga virvlar. Teamet analyserade resultatet av sortering på chip i förhållande till framgångsfrekvensen, renhet och maximal genomströmning. De räknade sedan antalet målpartiklar och sorterade icke-målpartiklar på de inspelade videofilerna för att visa effekten av höghastighetssortering på chip av stora fluorescerande partiklar.

Proof-of-concept – sortering av fossilt pollen

Teamet testade användbarheten av den nyutvecklade sorteringsmetoden för stora partiklar på chip för att koncentrera och rena det fossila pollenet. För att åstadkomma detta, de använde två prover av glaciärsjösediment från sjön Suigetsu och sjön Biwa. Innan du sorterar provet, forskarna förbehandlade provet fysiskt och kemiskt för att ta bort så många icke-pollenpartiklar, samtidigt som arbetsinsatsen och kostnaderna bibehålls på ett minimum. Teamet klassificerade icke-pollen- och sporpartiklarna i de sorterade proverna som oidentifierat organiskt skräp, inklusive rester av växtfibrer och mikroorganismer, på grund av deras olika fluorescensegenskaper till pollen. För att bedöma noggrannheten hos pollenkoncentratet som renats med on-chip-sorteringsmetoden, Kasu et al. genomfördes ¹⁴ C-datering på utdragen. Resultaten avslöjade att åldern på tre av dem var statistiskt överensstämmande med de existerande kronologierna i referensålder.

På det här sättet, Y. Kasai och kollegor presenterade en sorteringsmetod som kan sortera de flesta pollentaxa från de minsta typerna till de stora typerna på upp till 170 µm vid hög genomströmning. Arbetet möjliggör effektiv koncentration av fossilt pollen från alla sedimentära fyndigheter för ¹⁴ C dating eller andra analytiska tillämpningar. Detta är en genombrottsprestation, jämfört med en konventionell partikelsorterare. Metoden är dock begränsad av dess oförmåga att skilja omarbetat pollen från icke-omarbetat pollen under ¹⁴ C dejting. Använder mycket rena pollenkoncentrat sorterade av den nya on-chip sorteraren, Kasu et al. presenterade ett värdefullt tillvägagångssätt för att lösa problemet. Sorteraren är kompatibel med olika metoder inom biomedicin med potentiella tillämpningar för att erhålla mycket rena koncentrat för stabila isotoper och gamla DNA-analyser för att utforska nya vägar inom olika forskningsområden.

© 2021 Science X Network