Lo smistamento delle particelle è fondamentale per la ricerca biologica e medica, sebbene i metodi esistenti non siano in grado di smistare particelle di grandi dimensioni tramite l'ordinamento ad alto rendimento. In un nuovo rapporto, Y. Kasai e un gruppo di ricerca in Giappone, Germania e Polonia hanno presentato un nuovo metodo di smistamento su chip basato su vortici mobili generati da flussi di microgetti on-demand. Il metodo ha consentito lo smistamento ad alta produttività utilizzando un sistema di attivazione per il rilevamento fluorescente per ordinare perline da 160 micrometri e polline fossile purificato dai sedimenti lacustri. Il metodo ha migliorato il raggiungimento delle cronologie del polline fossile per i record paleoambientali degli archivi sedimentari. Il metodo ha applicazioni interdisciplinari in genomica, metabolomica e medicina rigenerativa. Aprirà nuove opportunità per l'uso del polline in geocronologia, paleoecologia e paleoclimatologia. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .

Smistamento delle cellule in laboratorio

Lo smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza (FACS) è un metodo fondamentale in biologia, medicinale, scienza delle piante e agricoltura. Il metodo può consentire ai ricercatori di rilevare e ordinare diverse particelle fluorescenti biogeniche, comprese le celle ad alto rendimento, basato su molteplici proprietà fisiche e chimiche tra cui dimensioni, morfologia e fluorescenza. Esistono due tipi fondamentali di dispositivi FACS che utilizzano metodi di ordinamento diversi; un selezionatore di particelle convenzionale che si basa sulla generazione di aerosol e un selezionatore di particelle su chip che non si basa sulla generazione di aerosol per ordinare le particelle in un chip microfluidico. FACS è un metodo innovativo in paleoecologia e paleoclimatologia per concentrare e purificare i microfossili per ricostruire i cambiamenti ambientali e climatici del passato per le interazioni uomo-ambiente.

In questo lavoro, Kasù et al. ha presentato un metodo di smistamento di particelle su chip in grado di elaborare particelle di grandi dimensioni tramite vortici itineranti spazio-temporali generati da un flusso di microjet di piccolo volume per superare localmente le condizioni laminari. Primo, i ricercatori hanno analizzato e determinato sperimentalmente le prestazioni della generazione di vortici itineranti. Prossimo, hanno testato il tempo di risposta e la lunghezza ordinabile del controllo del flusso basato su vortice per un rendimento elevato, smistamento di particelle di grandi dimensioni. Successivamente, hanno verificato il metodo di smistamento delle particelle di grandi dimensioni ad alto rendimento utilizzando microsfere fluorescenti e quindi hanno eseguito test su antichi depositi lacustri pretrattati per comprendere la capacità del metodo di selezionare il polline fossile. Nella fase sperimentale finale, hanno anche usato tecniche di datazione al carbonio con spettrometria di massa con acceleratore (AMS).

Principi di funzionamento del sistema di smistamento su truciolo.

Il team ha quindi descritto i principi di funzionamento del sistema di smistamento su chip. Prima di ordinare, hanno introdotto la sospensione di particelle attraverso l'ingresso del campione utilizzando una pompa a pressione. Prossimo, hanno focalizzato le particelle al centro del microcanale principale utilizzando flussi di guaina orizzontali e verticali da un focheggiatore cellulare 3D idrodinamico. Le particelle focalizzate sono confluite nell'area di smistamento mentre le particelle non bersaglio sono state dirette in un canale di scarico. Quando gli scienziati hanno rilevato una particella bersaglio, lo hanno inviato agli attuatori piezoelettrici per attivare le pompe a membrana su chip e generare un flusso di microgetti spingendo e tirando le pompe a membrana. Il flusso del getto ha generato un vortice mobile immediatamente dietro la parete del microcanale principale. Gli scienziati hanno ordinato continuamente le particelle bersaglio tramite l'attivazione push/pull delle pompe a membrana sul chip. Kasu et al. ha poi studiato l'effetto della velocità del flusso del getto per lo spostamento delle particelle utilizzando COMSOL Multiphysics. I ricercatori hanno quindi verificato sperimentalmente l'effetto della velocità del getto sulla generazione di vortici. Tensioni di ingresso più elevate portano a uno spostamento maggiore dell'attuatore piezoelettrico e tempi di salita più brevi hanno portato a un'attuazione più rapida. Utilizzando una configurazione sperimentale, hanno quindi dimostrato che il flusso a getto veloce ha generato con successo un vortice nel microcanale entro 100 microsecondi, mentre il flusso lento del getto no.

Profilo di flusso e test delle prestazioni di smistamento mediante microsfere.

Il team ha quindi analizzato la relazione tra il tempo di risposta e la lunghezza ordinabile del controllo di flusso basato su vortice proposto. Per visualizzare il profilo di flusso, Kasu et al. utilizzato flusso di campione focalizzato 3D con microsfere non fluorescenti da 200 nm. Il metodo di controllo del flusso su chip proposto basato su vortici di addestramento ha il potenziale per controllare una grande lunghezza selezionabile fino a 520 µm con attuazione ad alta velocità di 5 kHz. Il risultato ha rappresentato il principale progresso tecnico della configurazione rispetto al precedente selezionatore di sviluppo progettato per particelle più piccole. Per comprendere le prestazioni del metodo di ordinamento proposto, Kasù et al. ha condotto lo smistamento su chip ad alta velocità con microsfere fluorescenti da 160 µm altrettanto grandi, particelle standardizzate. Durante questo esperimento, hanno usato alcool denaturato per visualizzare il flusso di smistamento. Per osservare il flusso principale, hanno introdotto la soluzione di sorbitolo, che ha anche contribuito a ridurre la velocità di sedimentazione delle microsfere. Le microsfere hanno viaggiato direttamente verso il punto di rilevamento per la scoperta, e un vortice viaggiante generato nel setup, consentito lo spostamento e il rilevamento di microsfere nel canale di interesse superiore o inferiore. In contrasto, le microsfere non fluorescenti hanno viaggiato nel canale di scarico senza essere influenzate dai vortici di viaggio. Il team ha analizzato le prestazioni dell'ordinamento su chip rispetto al tasso di successo, purezza e massima resa. Hanno quindi contato il numero di particelle bersaglio e ordinate le particelle non bersaglio sui file video registrati per mostrare l'effetto dell'ordinamento su chip ad alta velocità di grandi particelle fluorescenti.

Proof-of-concept:smistamento del polline fossile

Il team ha testato l'applicabilità del nuovo metodo di smistamento su chip di particelle di grandi dimensioni per concentrare e purificare il polline fossile. Per realizzare questo, hanno usato due campioni di sedimenti lacustri glaciali del lago Suigetsu e del lago Biwa. Prima di ordinare il campione, gli scienziati hanno pretrattato fisicamente e chimicamente il campione per rimuovere il maggior numero di particelle non polliniche, mantenendo al minimo lo sforzo e le spese di lavoro. Il team ha classificato le particelle non polliniche e di spore nei campioni selezionati come detriti organici non identificati, compresi i resti di fibre vegetali e microrganismi, a causa delle loro diverse proprietà di fluorescenza rispetto al polline. Per valutare l'accuratezza del concentrato di polline purificato con il metodo di smistamento su chip, Kasù et al. condotto ¹⁴ C datazione sugli estratti. I risultati hanno rivelato che l'età di tre di loro è statisticamente in accordo con le cronologie esistenti nelle età di riferimento.

In questo modo, Y. Kasai e colleghi hanno presentato un metodo di smistamento in grado di selezionare la maggior parte dei taxa di polline dai tipi più piccoli ai tipi grandi fino a 170 µm ad alta produttività. Il lavoro consente un'efficace concentrazione del polline fossile da qualsiasi deposito sedimentario per ¹⁴ C datazione o altre applicazioni analitiche. Questo è un traguardo importante, rispetto a un selezionatore di particelle convenzionale. Il metodo è tuttavia limitato dalla sua incapacità di distinguere il polline rielaborato dal polline non rielaborato durante ¹⁴ C incontri. Utilizzando concentrati di polline altamente puri selezionati dal nuovo selezionatore su chip, Kasù et al. presentato un valido approccio per superare il problema. Il selezionatore è compatibile con vari metodi in biomedicina con potenziali applicazioni per ottenere concentrati altamente puri per analisi di isotopi stabili e DNA antico per esplorare nuove strade in diversi campi di ricerca.

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