基于光学操纵的目标液滴释放系统

中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所(QIBEBT)单细胞中心的研究人员及其合作者开发了一种新系统，光学按需液滴释放(OODR)。OODR系统允许在筛选分析中使用更用户友好的方法，也减少了所需的样品和试剂的数量，而不会影响效率，细胞活力或分析准确性。

　　

简单高效的目标液滴导出是制约静态液滴阵列（SDA）广泛应用于高通量筛选的主要瓶颈问题。近日，青岛能源所单细胞中心与青岛星赛生物合作发明了基于光学的目标液滴释放系统（OODR），实现了SDA中目标液滴的选择性导出，并示范了微生物单细胞在线培养及目标单液滴分选耦合测序/培养的流程，为微生物资源的挖掘提供了创新手段。该研究成果在线发表于生物技术与生物传感器领域的核心期刊Biosensors and Bioelectronics《生物传感器和生物电子学》。

　　目标液滴释放系统OODR服务微生物单细胞在线培养及目标单液滴分选耦合测序/培养

　　液滴微流控技术具有样品和试剂消耗量少、自动化、高通量和精确操控等优势，推动了高通量筛选和测序领域的重大突破。目前液滴微流控技术可分为动态系统和静态系统两类。其中动态系统的代表——荧光激活液滴分选技术，无法对单个液滴进行长时间观察，因此无法满足动态监测类分析的需要，如观察单个细胞形态变化或细胞间相互作用等。而SDA技术可以将液滴“困”在微孔或微腔中以实现长时间观察，是应对上述挑战的有效解决方案。然而，目前提取和收集液滴的方法仍然相对繁琐且不够高效，限制了SDA技术的广泛应用。

　　针对上述SDA中目标液滴快速提取和收集的瓶颈问题，单细胞中心刁志钿博士和王喜先副研究员带领的研究小组，基于青岛星赛生物的单细胞微液滴分选仪EasySort Compact，发明了基于光学的OODR，实现了对含有独特分析物或细胞的目标液滴的选择性获取。具体来说：首先，芯片采用低成本且易于获得的氧化铟锡（俗称ITO）导电玻璃作为光响应层，与具有微腔室阵列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层结合，可以快速创建SDA；其次，通过多次优化，研究人员将1064 nm激光聚焦到ITO层的目标位置，可以利用激光的光热效应产生微气泡，从而选择性地将目标液滴从腔室中推出；最后，腔室中释放的液滴在直通道内流体的驱动下进入出样口，研究人员可以借助移液器枪头利用固有的毛细力以单管单液滴的方式收集目标液滴，并直接开展下游的测序/培养实验。

　　研究结果证明，上述系统具备以下三方面的核心性能。首先，从由6400个微腔室组成的SDA中选择性地释放特定的几个含荧光素钠的液滴，显示出~100%高成功率和~5%低残留。此外，基于明场或荧光图像，可以选择性收集含有大肠杆菌或酵母的单/多细胞液滴，表明了系统的广谱适用性。最后，以单管单液滴的方式收集的目标液滴，其内的细胞均可成功培养，一方面验证了上述系统对细胞活力的影响较小，另一方面也证明了OODR系统与下游生化分析无缝耦合的可行性。

　　OODR系统在EasySort Compact的基础上，耦合了具有光响应层的微流控芯片，使得1064 nm激光不仅可以操控单个细胞，还可以操控单个液滴。OODR系统的开发拓展了EasySort系列仪器的应用方向，在合成生物学菌株高通量筛选、微生物资源挖掘等领域展现出巨大的应用潜力。下一步，研究人员计划引入人工智能算法及自动化控制，进一步提高系统的智能化和自动化水平，减轻人力负担，提高工作效率。

　　该工作由单细胞中心马波研究员和徐健研究员主持，与青岛星赛生物合作完成，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、山东省重大科技创新计划项目、国家合成生物学技术创新中心项目、中国科学院青年创新促进会的资助。（文/刁志钿） 

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115639

　　Zhidian Diao#, Xixian Wang#, Jiaping Zhang, Anle Ge, Teng Xu, Lingyan Kan, Yuandong Li, Yuetong Ji, Xiaoyan Jing, Jian Xu*, Bo Ma*. Optical-based microbubble for on-demand droplet release from static droplet array (SDA) for dispensing one droplet into one tube. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 240: 115639.