Le tri des particules est fondamental pour la recherche biologique et médicale, bien que les méthodes existantes soient incapables de trier les particules de grande taille via un tri à haut débit. Dans un nouveau rapport, Y. Kasai et une équipe de recherche au Japon, L'Allemagne et la Pologne ont présenté une nouvelle méthode de tri sur puce basée sur des tourbillons de déplacement générés par des flux de microjets à la demande. La méthode a permis un tri à haut débit à l'aide d'un système d'activation pour la détection fluorescente afin de trier des billes de 160 micromètres et du pollen fossile purifié des sédiments lacustres. La méthode a amélioré la réalisation de chronologies de pollen fossile pour les enregistrements paléoenvironnementaux des archives sédimentaires. La méthode a des applications transversales en génomique, métabolomique et médecine régénérative. Il ouvrira de nouvelles opportunités pour l'utilisation du pollen en géochronologie, paléoécologie et paléoclimatologie. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .

Tri des cellules en laboratoire

Le tri cellulaire activé par fluorescence (FACS) est une méthode fondamentale en biologie, Médicament, la science végétale et l'agriculture. La méthode peut permettre aux chercheurs de détecter et de trier diverses particules fluorescentes biogènes, y compris les cellules à haut débit, basé sur de multiples propriétés physiques et chimiques, y compris la taille, morphologie et fluorescence. Il existe deux types de base de dispositifs FACS qui utilisent des méthodes de tri différentes; un trieur de particules conventionnel qui repose sur la génération d'aérosols et un trieur de particules sur puce qui ne repose pas sur la génération d'aérosols pour trier les particules dans une puce microfluidique. FACS est une méthode révolutionnaire en paléoécologie et paléoclimatologie pour concentrer et purifier les microfossiles afin de reconstruire les changements environnementaux et climatiques passés pour les interactions homme-environnement.

Dans ce travail, Kasu et al. a présenté une méthode de tri de particules sur puce capable de traiter de grosses particules via des tourbillons de déplacement spatio-temporels générés à la demande, microjet de petit volume pour dépasser localement les conditions laminaires. D'abord, les chercheurs ont analysé et déterminé expérimentalement les performances de génération de vortex itinérants. Prochain, ils ont testé le temps de réponse et la longueur triable du contrôle de flux basé sur le vortex pour un débit élevé, tri des grosses particules. Après, ils ont vérifié la méthode de tri des grosses particules à haut débit à l'aide de microbilles fluorescentes, puis ont effectué des tests sur d'anciens dépôts lacustres prétraités pour comprendre la capacité de la méthode à trier le pollen fossile. Dans la dernière étape expérimentale, ils ont également utilisé des techniques de datation au carbone par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS).

Principes de fonctionnement du système de tri sur puce.

L'équipe a ensuite décrit les principes de fonctionnement du système de tri sur puce. Avant de trier, ils ont introduit la suspension de particules à travers l'entrée d'échantillon à l'aide d'une pompe à pression. Prochain, ils ont concentré les particules au centre du microcanal principal en utilisant des flux de gaine horizontaux et verticaux à partir d'un focaliseur de cellules 3D hydrodynamique. Les particules focalisées s'écoulaient vers la zone de tri tandis que les particules non ciblées étaient dirigées vers un canal de déchets. Lorsque les scientifiques ont détecté une particule cible, ils l'ont envoyé aux actionneurs piézoélectriques pour déclencher les pompes à membrane sur puce et générer un flux de microjet en poussant et en tirant les pompes à membrane. L'écoulement du jet a généré un vortex se déplaçant immédiatement derrière la paroi du microcanal principal. Les scientifiques ont trié en continu les particules cibles via l'actionnement push/pull des pompes à membrane sur puce. Kasu et al. ont ensuite étudié l'effet de la vitesse d'écoulement du jet pour le déplacement des particules à l'aide de COMSOL Multiphysics. Les chercheurs ont ensuite vérifié expérimentalement l'effet de la vitesse du jet sur la génération de vortex. Des tensions d'entrée plus élevées entraînent un déplacement plus important de l'actionneur piézoélectrique et des temps de montée plus courts entraînent un actionnement plus rapide. A l'aide d'un montage expérimental, ils ont ensuite montré que le flux de jet rapide a réussi à générer un vortex dans le microcanal en 100 microsecondes, alors que le jet lent ne l'a pas fait.

Profil d'écoulement et test de performance de tri à l'aide de microbilles.

L'équipe a ensuite analysé la relation entre le temps de réponse et la longueur triable du contrôle de flux proposé basé sur le vortex. Pour visualiser le profil d'écoulement, Kasu et al. utilisé un flux d'échantillon focalisé en 3D avec des microbilles non fluorescentes de 200 nm. La méthode de contrôle de flux sur puce proposée basée sur des vortex d'entraînement a le potentiel de contrôler une grande longueur triable allant jusqu'à 520 µm avec un actionnement à grande vitesse de 5 kHz. Le résultat a représenté la principale avancée technique de l'installation par rapport au précédent trieur de développement conçu pour les particules plus petites. Pour comprendre les performances de la méthode de tri proposée, Kasu et al. tri sur puce à grande vitesse avec des microbilles fluorescentes de 160 µm aussi grandes, particules standardisées. Au cours de cette expérience, ils ont utilisé de l'alcool dénaturé pour visualiser le flux de tri. Pour observer le flux principal, ils ont introduit une solution de sorbitol, ce qui a également permis de réduire la vitesse de sédimentation des microbilles. Les microbilles ont voyagé directement vers le point de détection pour la découverte, et un vortex itinérant généré dans la configuration, a permis le déplacement et la détection de microbilles dans le canal d'intérêt supérieur ou inférieur. En revanche, les microbilles non fluorescentes ont voyagé dans le canal des déchets sans être affectées par les tourbillons de déplacement. L'équipe a analysé les performances du tri sur puce par rapport au taux de réussite, pureté et débit maximal. Ils ont ensuite compté le nombre de particules cibles et trié les particules non cibles sur les fichiers vidéo enregistrés pour montrer l'effet du tri sur puce à grande vitesse des grosses particules fluorescentes.

Preuve de concept :tri du pollen fossile

L'équipe a testé l'applicabilité de la nouvelle méthode de tri sur puce à grosses particules pour concentrer et purifier le pollen fossile. Pour y parvenir, ils ont utilisé deux échantillons de sédiments de lacs glaciaires du lac Suigetsu et du lac Biwa. Avant de trier l'échantillon, les scientifiques ont prétraité physiquement et chimiquement l'échantillon pour éliminer autant de particules non polliniques, tout en maintenant l'effort de travail et les dépenses au minimum. L'équipe a classé les particules de non-pollen et de spores dans les échantillons triés comme des débris organiques non identifiés, y compris les restes de fibres végétales et de micro-organismes, en raison de leurs propriétés de fluorescence différentes du pollen. Pour évaluer la précision du concentré de pollen purifié par la méthode de tri sur puce, Kasu et al. mené ¹⁴ Datation C sur les extraits. Les résultats ont révélé que l'âge de trois d'entre eux était statistiquement en accord avec les chronologies existantes dans les âges de référence.

De cette façon, Y. Kasai et ses collègues ont présenté une méthode de tri capable de trier la plupart des taxons polliniques des plus petits types aux grands types jusqu'à 170 µm à haut débit. Le travail permet une concentration efficace du pollen fossile de tout dépôt sédimentaire pour ¹⁴ Datation C ou autres applications analytiques. Il s'agit d'une réalisation décisive, par rapport à un trieur de particules conventionnel. La méthode est cependant limitée par son incapacité à distinguer le pollen retravaillé du pollen non retravaillé au cours de ¹⁴ C datation. En utilisant des concentrés de pollen très purs triés par le nouveau trieur sur puce, Kasu et al. a présenté une approche précieuse pour surmonter le problème. Le trieur est compatible avec diverses méthodes en biomédecine avec des applications potentielles pour obtenir des concentrés hautement purs pour les analyses d'isotopes stables et d'ADN ancien afin d'explorer de nouvelles voies dans divers domaines de recherche.

© 2021 Réseau Science X