Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
Deze studie presenteert een microfluïdische chip met een hybride-inlaat voor pinched flow fractionatie die de retentie van deeltjes en focusinstabiliteit overwint om een uiterst efficiënte, reproduceerbare en labelvrije groottegebaseerde scheiding van microalgen te bereiken met sorteersnelheden van meer dan 90% en zuiverheden boven de 92%.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de microscopische wereld van water vormen minuscule plantjes, microalgen genoemd, de basis van het aquatische leven. Deze eencellige organismen zijn essentieel voor het vastleggen van koolstof, het reinigen van afvalwater en het potentieel voeden van de toekomst, maar het bestuderen van hen of het gebruiken van hen voor de industrie vereist een moeilijke eerste stap: het scheiden van specifieke soorten uit een rommelig mengsel. Natuurlijke watermonsters zijn overvol met cellen van verschillende groottes, vormen en dichtheden, evenals puin dat traditionele filters verstopt of delicate cellen beschadigt tijdens het centrifugeren. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om deze kleine levensvormen te sorteren zonder labels, chemicaliën of dure machines die zware apparatuur vereisen. De uitdaging ligt in het creëren van een methode die zacht, continu en nauwkeurig genoeg is om een kleine cel van een grote te onderscheiden, enkel door te kijken naar hoe ze door een vloeistof beweegt.
Onderzoekers aan de National Tsing Hua Universiteit in Taiwan hebben een nieuwe aanpak voor dit probleem ontwikkeld met behulp van een techniek genaamd pinched flow fractionation. Stel je een smalle gang voor waar een menigte mensen tegen een muur wordt geduwd door een snel bewegende luchtstroom; de mensen die het dichtst bij de muur staan worden strak tegen de muur gedrukt, terwijl degenen die een paar stappen verder staan meer ruimte hebben. In dit microfluïdische apparaat wordt een watermonster dat algen bevat, tegen de zijkant van een klein kanaal gedrukt door een snellere stroom schoon water. Omdat grotere cellen niet zo dicht bij de muur kunnen komen als kleinere cellen, eindigen ze in iets andere banen. Wanneer het kanaal plotseling breder wordt, spreiden deze banen zich uit, waardoor de verschillende groottes in aparte uitgangen kunnen stromen. Hoewel dit concept niet nieuw is, hadden eerdere versies van deze apparaten vaak moeite met het verwerken van echte biologische monsters. De cellen raakten vast in de ingang, of de stroming werd instabiel, waardoor de sortering mislukte.
Om deze problemen op te lossen, ontwierp het team een microfluïdische chip met een aangepaste ingang. Ze testten drie verschillende manieren om de inlaat te openen waar het monster het apparaat binnenkomt. Eén ontwerp liet de opening gedeeltelijk geblokkeerd, wat hielp bij het geleiden van de cellen maar ervoor zorgde dat er te veel vastliepen. Een ander ontwerp liet de opening volledig breed, wat het vastlopen verminderde maar de startpositie van de cellen te onvoorspelbaar maakte. De onderzoekers ontdekten dat een "hybride" ontwerp, dat kenmerken van beide combineerde, de beste balans bood. Deze nieuwe ingang liet de cellen soepel binnenkomen zonder verstoppingen, terwijl ze toch strak in hun banen werden gehouden. Ze pasten ook de lengte van de buisjes die verbonden zijn met de uitgangen aan en voegden een kleine hoeveelheid van een glad stofje toe aan het water om te voorkomen dat de cellen aan de zijkanten van het apparaat plakten.
Het team testte hun apparaat eerst met plastic bolletjes van twee verschillende groottes, gemeten op 3 en 15 AU. Door de snelheid van de monsterstroom zorgvuldig af te stemmen op de snelheid van de sheath-stroom, waren ze in staat om de kleine bolletjes bijna volledig naar de ene uitgang te leiden en de grote bolletjes naar de andere. Het apparaat sorteerde de kleine bolletjes met een succespercentage van meer dan 90 procent en herstelde bijna alle bolletjes uit het systeem, wat betekent dat er zeer weinig verloren gingen. Dit bevestigde dat het nieuwe ingangsontwerp naar behoren werkte voor eenvoudige, ronde objecten.
Geënthousiasmeerd door deze resultaten, gingen de onderzoekers over op echte biologische monsters. Ze selecteerden twee soorten microalgen: Nannochloropsis sp., die klein en min of meer bolvormig zijn, met een grootte tussen de 3 en 5 AU, en Thalassiosira weissflogii, die groter en meer onregelmatig zijn, met een grootte tussen de 11 en 16. In tegen tegenstelling tot de uniforme plastic bolletjes variëren deze levende cellen in vorm en kunnen ze draaien terwijl ze bewegen, wat ze moeilijker voorspelbaar maakt. De onderzoekers ontdekten dat de optimale stroomsnelheid voor de grotere algen iets anders was dan voor de plastic bolletjes, waarbij een specifieke ratio van 1 deel monster op 9 delen sheath-vloeistof vereist was. Onder deze omstandigheden slaagde het apparaat erin de twee soorten te scheiden. Het leidde 90,3 procent van de kleine Nannochloropsis-cellen naar de juiste uitlaat en 92,0 procent van de grotere Thalassiosira-cellen naar hun eigen uitlaat. De zuiverheid van de verzamelde monsters was hoog, met meer dan 96 procent van de kleine cellen en 92 procent van de grote cellen die het juiste type waren.
Cruciaal is dat de onderzoekers het experiment vier keer hebben herhaald om te garanderen dat de resultaten betrouwbaar zijn. De prestaties bleven consistent over alle proeven, met zeer weinig variatie in het sorteersucces of het aantal herwonnen cellen. Deze herhaalbaarheid suggereert dat het apparaat robuust genoeg is voor praktisch gebruik. De studie toont aan dat het, door simpelweg de geometrie van de ingang en de stroomcondities te verfijnen, mogelijk is om een passief, label-vrij systeem te creëren dat microalgen op basis van grootte scheidt met hoge efficiëntie. Hoewel het apparaat momenteel afhankelijk is van grootteverschillen en mogelijk moeite heeft met soorten die dezelfde grootte hebben, biedt het een eenvoudige, goedkope en zachte methode voor het voorbereiden van biologische monsters, wat potentieel kan helpen bij milieumonitoring en de teelt van algen voor diverse industriële toepassingen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.