导读：

微颗粒（如水凝胶珠和细胞）的液滴封装是高通量生物分析检测的基础。然而，在确定比例下共封多个粒子仍是一个技术难题。近期，上海科技大学物质科学与技术学院刘一凡教授团队提出一种结合颗粒触发液滴生成与同步液滴合并的确定性共封装策略，通过优化微流控芯片几何参数与流体流量，实现了微颗粒在用户定义比例下的高效共封装（如55μm和80μm水凝胶珠1:1、2:1比例共封装），并基于该策略开发单细胞16S rRNA基因测序工作流，成功完成微生物混合样本的高精度分类分析。相关研究以“Deterministic Co-encapsulation of Microparticles in Droplets via Synchronized Merging for Single-Cell Genomics”为题目，发表在期刊《Analytical Chemistry》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种基于微流控的确定性共包裹策略，将颗粒触发液滴生成与同步液滴合并相结合，实现了按设定比例高效共封装微颗粒。

2、通过紧密排列的水凝胶颗粒引发液滴形成，并在通道内同步合并液滴，可在1:1与2:1比例下可靠编码不同尺寸颗粒。

3、基于该方法，建立了单细胞16S rRNA测序流程，成功对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌混合样本进行高通量、单细胞分辨率的分类分析。该策略适用于单细胞基因组学、数字检测及需精确颗粒配对的研究领域。

图1. 确定性封装工作流程的概念示意图：(a) 水凝胶微粒被同步加载到液滴中，最终高效形成含颗粒的液滴；(b) 含有不同微粒的液滴经过配对与合并，可实现特定比例的共封装。

图2. 颗粒加载过程的表征：(a) 用于颗粒加载的双流动聚焦结示意图，关键参数包括：颗粒加载流速（Q₁）、水相间隔流速（Q₂）、油相流速（Q₃）、第一结宽度（W₁）、第二结宽度（W₂）及颗粒直径（d）；(b) 不同Q₁/Q₂比值下直径为80μm颗粒的加载情况（n>300）；(c) 对应 (b) 中颗粒加载实验的加载过程及含颗粒液滴的显微图像；(d) 代表性颗粒加载实验（Q₁/Q₂=1）的液滴及其尺寸分布（n=300）；(e) 不同Q₁/Q₂比值下直径为55μm颗粒的加载情况（n>300）。

图3. 颗粒配对与合并过程的表征：(a) 微流控设计布局，包含两个颗粒加载模块和一个液滴合并结构（显微图像见插图），比例尺：200μm；(b) 不同颗粒A油相流速（Q₀）下的封装情况；(c, d) 分别在Q₀=300μL/h（c）和Q₀=500μL/h（d）条件下进行的代表性共封装实验及统计结果，误差线表示基于多次独立实验（n=3）的平均值±标准差，比例尺：200μm。

图4. 基于确定性共封装策略开发单细胞16S rRNA基因测序技术：(a) 测序工作流程的概念示意图，将含有扩增后单细胞基因组的水凝胶胶囊与条形码微珠共封装，以实现对16S rRNA基因V1-V3区的选择性标记与扩增；(b-e) 对大肠杆菌（E. coli）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）混合样本的测序结果：(b) 测序工作流程关键步骤的显微图像，比例尺：50μm；(c) 条形码扩增子文库的DNA长度图谱（理论长度：578bp），1500bp峰为DNA标记，结果由安捷伦生物分析仪使用DNA 1000试剂盒检测得到；(d) 按各条形码组读数数量排序的条形码组分布图；(e) 散点图展示了398个条形码组，其读数被比对至两个参考基因组

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c05488

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