利用微流控确定性侧向位移（DLD）技术进行酵母富集

《Microchemical Journal》：Yeast enrichment using microfluidic deterministic lateral displacement (DLD)

本研究利用微流控技术中的确定性侧向位移（DLD）方法，开发了不同长度的DLD阵列，验证了理论临界直径Dc=3.36μm，并成功实现酵母菌（S. cerevisiae）的富集，长阵列中84.1%酵母细胞和90%6μm颗粒被分离，有效提升食品工业微生物分离效率。

　　微生物污染在食品工业中是一个重要的问题，不仅对公共健康构成威胁，还会导致产品质量下降，进而造成经济损失。传统的微生物检测方法通常依赖于培养依赖或非依赖技术，这些方法往往需要较长时间来完成。相比之下，微流控技术能够以高通量的方式在短时间内实现目标微生物的富集，这为食品工业中快速检测微生物污染提供了新的思路。

本研究首次采用被动式微流控技术中的确定性侧向位移（DLD）方法，用于富集酵母细胞而非细菌。研究团队开发了两种不同长度的微通道，分别为短DLD阵列（1988微米）和长DLD阵列（13,698微米）。通过理论计算，这两种DLD阵列的临界直径（Dc）均为3.36微米，这意味着直径大于3.36微米的颗粒会被侧向位移，而小于该尺寸的颗粒则会沿流体方向移动。为了验证这一理论临界值，研究者首先利用荧光颗粒进行实验，观察它们在DLD阵列中的运动轨迹。结果显示，直径为2微米的颗粒未被侧向位移，而直径为6微米的颗粒则被侧向位移，这与理论预测一致。进一步的实验中，研究团队使用酵母菌（S. cerevisiae）和大肠杆菌（E. coli）作为模型微生物，验证了微生物的运动轨迹是否与颗粒的运动轨迹一致。结果表明，酵母菌总体上被侧向位移，而大肠杆菌则未被侧向位移，这说明微生物的运动行为与颗粒的运动行为相似。

在实验中，研究团队评估了不同长度的DLD阵列对颗粒和微生物细胞的富集效果。对于长DLD阵列，6微米颗粒的回收率达到了100%，而酵母菌的回收率则为84.1%。酵母菌回收率较低的原因可能是其尺寸存在一定的变化。相比之下，短DLD阵列的富集效果不如长DLD阵列。研究还指出，长DLD阵列的几何结构在富集酵母菌方面展现出更高的效率，这为食品工业中微生物污染的快速检测和富集提供了新的工具。

微流控技术作为一种先进的微尺度流体操控手段，已经在多个领域展现出巨大的应用潜力。它不仅能够实现微小颗粒或细胞的分离和富集，还能在一定程度上减少样本的异质性，提高检测的灵敏度。近年来，微流控技术在微生物分离和富集方面的应用逐渐增多，例如使用粘弹性微流控技术分离特定微生物，或者结合惯性聚焦与DLD方法进行多阶段分离。然而，这些方法通常需要复杂的外部设备，例如电极或流体控制装置，这不仅增加了系统的成本，还可能对细胞的活性产生不利影响。

相比之下，被动式DLD方法依赖于微流控通道的几何结构，通过流体动力学效应实现颗粒或细胞的分离，无需外部力场的干预。这种方法不仅简化了设备结构，还降低了对细胞活性的影响。此外，DLD方法的流体控制相对简单，使得其在实际应用中更具可行性。然而，现有的DLD微通道大多采用多入口设计，以实现样本的预聚焦，这可能会增加样本的稀释程度，并延长处理时间。为了克服这一问题，本研究采用了单入口的微通道设计，使得DLD阵列能够直接进行分离，而无需额外的预聚焦步骤。

研究团队在实验中使用的流体介质是含有0.1%（重量/体积）十二烷基硫酸钠（SDS）和15%（重量/体积）右旋糖酐（M=40,000 g/mol）的水溶液。SDS的作用是减少颗粒的聚集，而右旋糖酐则用于调节悬浮液的密度，使其与聚苯乙烯颗粒的密度相匹配，从而减少颗粒在微通道中的沉降。通过这种方式，研究团队确保了实验的准确性和可重复性。

为了进一步验证DLD阵列对微生物的分离效果，研究者使用了荧光显微镜和条纹图像摄影技术，记录了颗粒和微生物在微通道中的运动轨迹。实验结果显示，颗粒和微生物的运动行为与理论预测相符，即大于临界直径的颗粒被侧向位移，而小于临界直径的颗粒则沿流体方向移动。这种一致性表明，DLD阵列能够有效地实现基于尺寸的分离。

在微生物富集方面，研究团队通过分析不同DLD阵列长度对微生物富集的影响，发现长DLD阵列在富集酵母菌方面表现更为优异。这可能是由于长DLD阵列提供了更多的分离机会，使得酵母菌能够更有效地被侧向位移。相比之下，短DLD阵列由于结构较短，可能无法提供足够的分离路径，导致酵母菌的富集效率较低。此外，长DLD阵列的几何结构也使得微生物在分离过程中受到的干扰更小，从而保持了较高的细胞活性。

本研究的结果表明，DLD方法在食品工业中具有广泛的应用前景。通过调整微通道的几何结构，可以实现对特定微生物的高效富集，这对于后续的微生物鉴定和分析至关重要。同时，研究团队提出的单入口微通道设计，不仅简化了实验流程，还提高了系统的整体效率。此外，研究还指出，DLD方法在处理样本时能够减少对细胞活性的影响，这对于需要保持细胞完整性的检测方法尤为重要。

随着食品工业对食品安全和质量控制要求的不断提高，快速、准确的微生物检测方法变得越来越重要。传统的培养方法虽然成熟，但存在耗时长、成本高和操作复杂等问题。而微流控技术的出现，为解决这些问题提供了新的可能。通过结合DLD方法，研究团队不仅实现了对微生物的高效分离，还为食品工业中的微生物污染检测提供了一种新的解决方案。

在未来的研究中，可以进一步探索DLD方法在不同微生物种类和尺寸上的适用性。此外，还可以结合其他微流控技术，如电泳、磁性分离或光学检测，以提高微生物检测的准确性和灵敏度。同时，研究团队可以尝试优化微通道的几何结构，以提高富集效率和降低处理时间。此外，还可以探索DLD方法在其他食品行业中的应用，例如乳制品、饮料和葡萄酒行业，这些行业中的微生物污染问题同样严重。

总之，本研究通过实验验证了DLD方法在食品工业中用于微生物富集的有效性，并展示了其在实际应用中的潜力。通过调整微通道的长度和几何结构，研究团队成功实现了对酵母菌的高效富集，为食品工业中的微生物检测提供了新的工具和方法。这一成果不仅有助于提高检测效率，还可能减少对细胞活性的影响，从而为食品安全和质量控制提供更可靠的支持。