粒子分类是生物学和医学研究的基础,尽管现有方法无法通过高通量分类来分类大尺寸粒子。在新的报告中,Y。Kasai和,德国和波兰的研究团队提出了一种新的芯片上分选方法,该方法基于由按需喷射微流产生的行进涡流。该方法允许使用用于荧光检测的激活系统进行高通量分选,以分选出160微米的珠子和来自湖泊沉积物的纯化的花粉。该方法增强了沉积物古环境记录中化石花粉年表的实现。该方法在基因组学,代谢组学和再生医学领域具有跨学科应用。这将为在年代学,古生态学和古气候学中使用花粉开辟新的机会。科学进展。

实验室中的细胞分选

荧光激活细胞分选术(FACS)是生物学,医学,植物科学和农业领域的基本方法。该方法可以使研究人员基于多种物理和化学特性(包括大小,形态和荧光),以高通量检测和分类包括细胞在内的多种生物荧光颗粒。FACS设备有两种基本类型,它们使用不同的分类方法。传统的颗粒分类器依赖于浮质的产生,而片上颗粒分类器则不依赖于浮质的产生来对微流控芯片中的颗粒进行分选。FACS是古生态学和古气候学中的开创性方法,用于浓缩和纯化微化石,以重建过去的环境和气候变化以实现人与环境的相互作用。

在这项工作中,Kasu等人。他提出了一种片上颗粒分选方法,该方法能够通过时空行进的涡流(由按需的小体积微喷射流产生,以局部超过层流条件)处理大颗粒。首先,研究人员分析并实验确定了行进涡流的性能。接下来,他们测试了用于高通量大颗粒分选的基于涡流控制的响应时间和可分选长度。此后,他们验证了使用荧光微珠的高通量大颗粒分选方法,然后对经过预处理的古代湖泊沉积物进行了测试,以了解该方法对化石花粉进行分选的能力。在最后的实验步骤中,他们还使用了加速器质谱(AMS)碳测年技术。

片上分类系统的工作原理。

接下来,团队描述了片上分类系统的工作原理。在分选之前,他们使用压力泵通过样品入口引入了颗粒悬浮液。接下来,他们使用来自流体动力学3D细胞聚焦器的水平和垂直鞘流将粒子聚焦到主微通道的中心。聚焦的颗粒流到分选区域,而非目标颗粒则被引导到废物通道。当科学家检测到目标粒子时,他们将其发送到压电致动器,以触发片上膜泵,并通过推动和拉动膜泵产生微射流。射流在主微通道壁的紧后面产生了一个行进的涡流。科学家们通过片上膜泵的推/拉驱动连续地对目标颗粒进行分类。Kasu等。接下来研究射流速度对粒子位移的影响使用COMSOL Multiphysics。然后,研究人员通过实验验证了射流速度对涡流产生的影响。输入电压越高,压电致动器的位移越大,上升时间越短,致动速度越快。然后使用实验装置,他们表明快速喷射流在100微秒内成功地在微通道中产生了涡流,而慢速喷射流却没有。

使用微珠进行流量分布和分选性能测试。

该团队接下来分析了所提出的基于涡流的流量控制的响应时间与可排序长度之间的关系。为了可视化流动剖面,Kasu等人。使用具有200 nm非荧光微珠的3D聚焦样品流。所提出的基于训练涡流的片上流量控制方法具有潜力,可通过5 kHz的高速驱动来控制高达520 µm的较大可分选长度。与以前的开发分类机相比,该结果代表了该装置的主要技术进步设计用于较小的颗粒。为了了解所提出的分类方法的性能,Kasu等人。用160 µm荧光微珠作为标准大颗粒进行了高速片上分选。在此实验中,他们使用酒精可视化分选流程。为了观察主流,他们介绍了山梨糖醇溶液,这也有助于降低微珠的沉降速度。微珠直接向检测点行进以进行发现,并且在设置中生成的行进涡流允许在上层或下层感兴趣通道中移动和检测微珠。相反,非荧光微珠进入废物通道而不受传播涡流的影响。该团队分析了片上分选相对于成功率,纯度和最大产量的性能。然后,他们对记录的视频文件中的目标粒子数和非目标粒子数进行了计数,以显示大型荧光粒子在芯片上进行高速分选的效果。

概念验证—化石花粉分类

该团队测试了新开发的大颗粒片上分选方法对浓缩和纯化化石花粉的适用性。为此,他们使用了两个来自Suigetsu湖和Biwa湖的冰川湖沉积物样本。在对样品进行分类之前,科学家对样品进行了物理和化学预处理,以去除尽可能多的非花粉颗粒,同时将工作量和费用保持在最低水平。研究小组将分类样品中的非花粉和孢子颗粒归类为未鉴定的有机碎片,包括植物纤维和微生物的残留物,因为它们与花粉的荧光性质不同。为了评估通过片上分选方法纯化的花粉浓缩物的准确性,Kasu等人。进行了14C对提取物进行约会。结果表明,其中三个年龄与参考年龄的现有时间顺序在统计学上一致。

这样,Y。Kasai及其同事提出了一种分选方法,该方法能够以高通量对大多数花粉类群进行分类,从最小的类型到最大的最大170 µm的花粉类型。这项工作可以有效地从任何沉积物中富集化石花粉,以进行14 C测年或其他分析应用。与传统的颗粒分选机相比,这是一项突破性的成就。但是,该方法由于无法在14 C测年中区分返工花粉和未返工花粉而受到限制。使用高纯花粉浓缩物由新型片上分选机Kasu等进行分选。提出了一种解决该问题的有价值的方法。该分选仪与生物医学中的多种方法兼容,具有潜在的应用前景,可用于获得高纯度的浓缩物以用于稳定同位素和古老的DNA分析,从而探索不同研究领域的新途径。