[论文解读] Sorting of particles suspended in whole blood

Stefan H. Holm, Zunmin Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 62被引用 7

一句话总结

本研究探讨了在全血中利用定向侧向位移（DLD）对微颗粒进行分选，结果表明，尽管红细胞压积引起颗粒轨迹偏移及临界颗粒尺寸附近的分散，DLD 仍能保持有效的分离性能。模拟与实验结果证实，DLD 在全血中具有鲁棒性，且样本制备需求极少，适用于高通量诊断。

ABSTRACT

An important step in diagnostics is the isolation of specific cells and microorganisms of interest from blood. Since such bioparticles are often present at very low concentrations, throughput needs to be as high as possible. In addition, to ensure simplicity, a minimum of sample preparation is important. Therefore, sorting schemes that function for whole blood are highly desirable. Deterministic lateral displacement (DLD) has proven to be very precise and versatile in terms of a wide range of sorting parameters. To better understand how DLD performs for blood as the hematocrit increases, we have performed measurements and simulations for spherical particles in the micrometer range moving through DLD arrays for different flow velocities and hematocrits ranging from pure buffer to whole blood. We find that the separation function of the DLD array is sustained, even though blood cells introduce a shift in the trajectories and a significant dispersion for particles that are close to the critical size in the device. Simulations qualitatively replicate our experimental observations and help us identify fundamental mechanisms for the effect of hematocrit on the performance of the DLD device.

研究动机与目标

• 评估定向侧向位移（DLD）在全血中用于高通量分离生物颗粒的性能。
• 理解红细胞压积增加对 DLD 阵列中颗粒轨迹和分散的影响。
• 评估在无需大量预处理的情况下，直接使用 DLD 对全血中颗粒进行分选的可行性。
• 通过捕捉红细胞压积依赖性效应的模拟，验证实验结果。

提出的方法

• 在从纯缓冲液到全血的不同红细胞压积水平下，使用球形微颗粒在 DLD 阵列中进行实验，流速可调。
• 实时追踪颗粒轨迹，量化其相对于预期分离行为的偏移与分散。
• 进行数值模拟，以在不同红细胞压积条件下模拟 DLD 阵列中的颗粒运动。
• 模拟中纳入了流体动力学相互作用和细胞引起的流动扰动，以复现实验观测结果。
• 通过比较不同红细胞压积水平和颗粒尺寸下的颗粒聚焦行为，评估分离函数。
• 临界颗粒尺寸被确定为因红细胞压积效应导致分散显著增加的阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全血中，红细胞压积增加如何影响 DLD 阵列中微颗粒的轨迹和聚焦行为？
• RQ2 在处理全血与稀释缓冲液时，DLD 分离函数的保持程度如何？
• RQ3 在高红细胞压积环境中，临界尺寸附近颗粒分散增加的机制是什么？
• RQ4 模拟能否准确再现全血中颗粒分选的实验行为？

主要发现

• 即使在全血中，DLD 分离函数仍保持有效，表明在不同红细胞压积水平下均能实现稳定的颗粒聚焦。
• 红细胞压积增加会导致颗粒轨迹出现可测量的偏移，尤其在接近临界分离尺寸的颗粒中更为明显。
• 接近临界尺寸的颗粒在全血中因与红细胞的流体动力学相互作用而表现出显著分散。
• 模拟定性复现了实验观测结果，识别出红细胞压积引起的流动不均性是轨迹偏移的关键因素。
• 对于明显大于或小于临界尺寸的颗粒，DLD 在全血中的性能表现鲁棒，但在临界阈值附近性能会下降。
• 极少样本制备是可行的，支持 DLD 作为直接用于全血的高通量诊断工具。