Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
本研究提出了一种混合入口式剪切流分级微流控芯片，该芯片克服了颗粒滞留和聚焦不稳定的问题，实现了高效、高重现性且无标记的微藻基于尺寸的分离，其分选率超过90%，纯度高于92%。
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在微觀的水世界中，微藻這種微小的植物構成了水生生命的基礎。這些單細胞生物對於捕捉碳、淨化廢水以及潛在的驅動未來燃料至關重要，但研究它們或將其用於工業生產需要跨越一個困難的第一步：從混亂的混合物中分離出特定種類。天然水樣中擠滿了不同大小、形狀和密度的細胞，以及會堵塞傳統濾器或在離心過程中損壞脆弱細胞的碎屑。科學家長期以來一直在尋求一種無需標籤、化學物質或需要重型設備的高昂機械，即可進行分類的方法。挑戰在於創造一種溫和、連續且精確度足夠高的技術，僅憑細胞在流體中的運動方式就能區分大小細胞。
台灣國立清華大學的研究人員開發了一種處理此問題的新方法，使用了稱為「捏合流分選」（pinched flow fractionation）的技術。想像一個狹窄的走廊，人群正被一股快速移動的氣流推向一面牆；站在最靠近牆邊的人被擠得很緊，而站在後方幾步遠的人則有較大的空間。在這個微流體裝置中，含有藻類的樣本被一股較快的清水擠壓到微小通道的側面。由於較大的細胞無法像較小的細胞那樣靠近牆壁，它們最終會處於略微不同的通道中。當通道突然變寬時，這些通道會向外擴散，使不同大小的細胞流向不同的出口。雖然這個概念並不新穎，但以往的裝置在處理真實生物樣本時常遇到困難。細胞會在入口處卡住，或者流動變得不穩定，導致分選失敗。
為了縮小這些差距，團隊設計了一個具有改良入口的微流體晶片。他們測試了三種不同的入口開啟方式。一種設計讓入口部分封閉，這有助於引導細胞，但會導致過多細胞卡住。另一種設計讓入口完全敞開，這減少了卡住的情況，但卻讓細胞的起始位置變得太過難以預測。研究人員發現，一種結合了兩者特點的「混合型」設計提供了最佳的平衡。這個新入口讓細胞能夠平滑進入而不發生堵塞，同時又能將它們緊密地聚焦在各自的通道中。他們還調整了連接出口的管路長度，並在水中加入極少量的潤滑物質，以防止細胞黏附在裝置側面。
團隊首先使用兩種不同尺寸（分別為 3 和 15 AU）的塑膠微珠測試了他們的裝置。通過仔細調整樣本流速與鞘流（sheath flow）的比例，他們能夠將小微珠幾乎全部導向一個出口，並將大微珠導向另一個出口。該裝置成功地對小微珠進行了分選，成功率超過 90%，並且回收了系統中幾乎所有的微珠，這意味著極少有微珠丟失。這證實了新的入口設計對於簡單的圓形物體確實有效。
受到這些結果的鼓舞，研究人員接著轉向真實的生物樣本。他們選擇了兩種微藻：一種是體型較小且大致呈球形的 Nannochloropsis sp.（大小介於 3 到 5 AU 之間），另一種是較大且形狀較不規則的 Thalassiosira weissflogii（大小介於 11 到 16 AU 之間）。與均勻的塑膠微珠不同，這些活細胞形狀各異，且在移動時會旋轉，這使得預測變得更加困難。研究人員發現，較大藻類的最佳流速與塑膠微珠略有不同，需要 1 份樣本對 9 份鞘流的特定比例。在這些條件下，該裝置成功分離了這兩個物種。它將 90.3% 的小型 Nannochloropsis 細胞導向正確的出口，並將 92.0% 的大型 Thalassiosira 細胞導向各自的出口。收集樣本的純度很高，其中小型細胞的純度超過 96%，大型細胞的純度則超過 92%。
至關重要的是，研究人員重複了四次實驗以確保結果可靠。實驗表現始終保持一致，分選成功率和細胞回收數量幾乎沒有變化。這種可重複性表明該裝置具有足夠的穩健性以投入實際應用。這項研究證明，通過僅僅改良入口的幾何結構和流動條件，便可以創造出一種被動、無標籤且高效的分離微藻大小的方法。雖然該裝置目前依賴尺寸差異，對於大小相近的物種可能會面臨挑戰，但它提供了一種簡單、低成本且溫和的方法來製備生物樣本，有助於環境監測以及用於各種工業用途的藻類栽培。
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