Banebrydende oprensning af fossilt pollen ved hjælp af en ny storpartikel-on-chip sorterer

Partikelsortering er grundlæggende for biologisk og medicinsk forskning, selvom eksisterende metoder ikke er i stand til at sortere store partikler via high-throughput sortering. I en ny rapport, Y. Kasai og et forskerhold i Japan, Tyskland og Polen præsenterede en ny on-chip-sorteringsmetode baseret på vandrende hvirvler genereret af on-demand mikrojetstrømme. Metoden tillod high-throughput sortering ved hjælp af et aktiveringssystem til fluorescerende detektion til at sortere 160 mikrometer perler og oprenset fossil pollen fra søsedimenter. Metoden forbedrede opnåelsen af ​​kronologier af fossilt pollen til paleo-miljøoptegnelser af sedimentære arkiver. Metoden har tværfaglige anvendelser inden for genomik, metabolomics og regenerativ medicin. Det vil åbne op for nye muligheder for pollenbrug i geokronologi, palæøkologi og palæoklimatologi. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Cellesortering i laboratoriet

Fluorescensaktiveret cellesortering (FACS) er en grundlæggende metode inden for biologi, medicin, plantevidenskab og landbrug. Metoden kan give forskere mulighed for at detektere og sortere forskellige biogene fluorescerende partikler, inklusive celler med høj gennemstrømning, baseret på flere fysiske og kemiske egenskaber, herunder størrelse, morfologi og fluorescens. Der er to grundlæggende typer af FACS-enheder, der bruger forskellige sorteringsmetoder; en konventionel partikelsorterer, der er afhængig af aerosolgenerering og en on-chip partikelsorterer, der ikke er afhængig af aerosolgenerering til at sortere partikler i en mikrofluidisk chip. FACS er en banebrydende metode inden for palæoøkologi og palæoklimatologi til at koncentrere og rense mikrofossiler for at rekonstruere tidligere miljø- og klimaændringer til interaktioner mellem mennesker og miljø.

I dette arbejde, Kasu et al. præsenteret en on-chip partikelsorteringsmetode, der er i stand til at behandle store partikler via spatiotemporale vandrende hvirvler genereret af en on-demand, lille volumen mikrojetstrøm for at lokalt overstige laminære forhold. Først, forskerne analyserede og eksperimentelt bestemte ydeevnen af ​​rejsende hvirvelgenerering. Næste, de testede responstiden og den sorterbare længde af vortex-baseret flowkontrol for høj gennemstrømning, sortering af store partikler. Derefter, de verificerede højgennemstrømningsmetoden til sortering af store partikler ved hjælp af fluorescerende mikroperler og kørte derefter tests på forbehandlede gamle søaflejringer for at forstå metodens evne til at sortere fossilt pollen. I det sidste forsøgstrin, de brugte også accelerator massespektrometri (AMS) kulstofdateringsteknikker.

Arbejdsprincipper for on-chip sorteringssystemet.

Holdet beskrev derefter arbejdsprincipperne for on-chip-sorteringssystemet. Inden sortering, de introducerede partikelsuspensionen gennem prøveindløbet ved hjælp af en trykpumpe. Næste, de fokuserede partiklerne ind i midten af ​​hovedmikrokanalen ved hjælp af vandrette og lodrette kappestrømme fra en hydrodynamisk 3D-cellefokuser. De fokuserede partikler strømmede til sorteringsområdet, mens ikke-målpartikler blev ledt ind i en affaldskanal. Da forskerne opdagede en målpartikel, de sendte det til de piezoelektriske aktuatorer for at udløse on-chip membranpumperne og generere en mikrojetstrøm ved at skubbe og trække i membranpumperne. Jetstrømmen genererede en vandrende hvirvel umiddelbart bag væggen af ​​hovedmikrokanalen. Forskerne sorterede kontinuerligt målpartiklerne via push/pull-aktivering af on-chip membranpumperne. Kasu et al. dernæst studerede jet-flow hastighedseffekten for partikelfortrængning ved hjælp af COMSOL Multiphysics. Forskerne verificerede derefter eksperimentelt effekten af ​​jethastigheden på hvirvelgenerering. Højere indgangsspændinger fører til større forskydning af den piezoelektriske aktuator og kortere stigetider førte til hurtigere aktivering. Ved hjælp af en eksperimentel opsætning, de viste derefter, at den hurtige jetstrøm med succes genererede en hvirvel i mikrokanalen inden for 100 mikrosekunder, mens den langsomme jetstrøm ikke gjorde det.

Flowprofil og sorteringsydelsestest ved hjælp af mikroperler.

Holdet analyserede derefter forholdet mellem responstid og sorterbar længde af den foreslåede vortex-baserede flowkontrol. For at visualisere flowprofilen, Kasu et al. brugt 3D-fokuseret prøveflow med 200 nm ikke-fluorescerende mikroperler. Den foreslåede on-chip flowkontrolmetode baseret på træningshvirvler har potentiale til at kontrollere en stor sorterbar længde på op til 520 µm med højhastighedsaktivering på 5 kHz. Resultatet repræsenterede det vigtigste tekniske fremskridt ved opsætningen sammenlignet med den tidligere udviklingssorterer designet til mindre partikler. For at forstå ydeevnen af ​​den foreslåede sorteringsmetode, Kasu et al. udført højhastigheds on-chip sortering med 160 µm fluorescerende mikroperler så store, standardiserede partikler. Under dette eksperiment, de brugte denatureret alkohol til at visualisere sorteringsflow. For at observere hovedstrømmen, de introducerede sorbitolopløsning, hvilket også hjalp med at reducere sedimentationshastigheden af ​​mikroperlerne. Mikroperlerne rejste direkte mod detektionspunktet for at blive opdaget, og en rejsehvirvel genereret i opsætningen, tillod forskydning og påvisning af mikroperler i den øvre eller nedre interessekanal. I modsætning, ikke-fluorescerende mikroperler rejste ind i affaldskanalen uden at blive påvirket af vandrende hvirvler. Holdet analyserede effektiviteten af ​​on-chip sortering i forhold til succesraten, renhed og maksimal gennemstrømning. De talte derefter antallet af målpartikler og sorterede ikke-målpartikler på de optagede videofiler for at vise effekten af ​​højhastigheds-on-chip-sortering af store fluorescerende partikler.

Proof-of-concept - sortering af fossil pollen

Holdet testede anvendeligheden af ​​den nyudviklede store partikel-on-chip-sorteringsmetode til at koncentrere og rense det fossile pollen. For at opnå dette, de brugte to prøver af gletsjersøsedimenter fra søen Suigetsu og søen Biwa. Før du sorterer prøven, videnskabsmændene forbehandlede prøven fysisk og kemisk for at fjerne så mange ikke-pollenpartikler, samtidig med at arbejdsindsatsen og udgifterne holdes på et minimum. Holdet klassificerede ikke-pollen- og sporepartiklerne i de sorterede prøver som uidentificeret organisk affald, herunder rester af plantefibre og mikroorganismer, på grund af deres forskellige fluorescensegenskaber til pollen. For at vurdere nøjagtigheden af ​​pollenkoncentratet renset ved hjælp af on-chip-sorteringsmetoden, Kasu et al. gennemført ¹⁴ C-datering på ekstrakterne. Resultaterne viste, at alderen på tre af dem var statistisk i overensstemmelse med de eksisterende kronologier i referencealdre.

På denne måde Y. Kasai og kolleger præsenterede en sorteringsmetode, der er i stand til at sortere de fleste pollentaxa fra de mindste typer til de store typer på op til 170 µm ved høj gennemstrømning. Arbejdet muliggør effektiv koncentration af fossilt pollen fra enhver sedimentær aflejring for ¹⁴ C dating eller andre analytiske applikationer. Dette er en gennembrudspræstation, sammenlignet med en konventionel partikelsorterer. Metoden er dog begrænset af dens manglende evne til at skelne omarbejdet pollen fra ikke-omarbejdet pollen under ¹⁴ C dating. Ved at bruge meget rene pollenkoncentrater sorteret efter den nye on-chip sorterer, Kasu et al. præsenteret en værdifuld tilgang til at løse problemet. Sorteringsenheden er kompatibel med forskellige metoder inden for biomedicin med potentielle anvendelser til at opnå meget rene koncentrater til stabile isotop- og gamle DNA-analyser for at udforske nye veje inden for forskellige forskningsfelter.

© 2021 Science X Network