
Figura 2. Encapsulamento da amostra em gotículas usando emulsificação de modelo de partículas. (A) partículas templating utilizadas para emulsificação de templatização de partículas. (B) Separação da pellet de partículas templating de supernasce após centrifugação. (C) Gotículas resultantes da emulsificação de molde de partículas com (D) concha aquosa identificável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
No PTE, a monodispersidade das emulsões é ditada pela das partículas templating, porque as gotículas têm um diâmetro ligeiramente maior que as partículas. Assim, partículas uniformes são centrais para encapsulamento PTE controlado11. Existem diversos métodos para a geração de partículas templating uniformes, incluindo métodos químicos (sol-gel, polimerização emulsion), hidrodinâmico (emulsificação de membrana, homogeneização) e filtragem. Abordagens microfluídicas, em particular, oferecem monodispersidade soberba (Figura 2A) e permitem que a engenharia adicional de partículas melhore sua funcionalidade no PTE12. Alternativamente, partículas templating podem ser adquiridas, embora sua uniformidade, embora adequada, seja tipicamente menor do que com geração microfluida11.
Para realizar PTE, as partículas são misturadas com a amostra a ser encapsulada (Figura 1A), e o excesso de supernante é removido por centrifugação e pipetação (Figura 1B), como ilustrado por uma fotografia de uma pelota de partículas na parte inferior de um tubo PCR (Figura 2B). O óleo encapsulante contendo um surfactante estabilizador é então adicionado (Figura 1C), e a amostra suavemente pipetada antes do vórtice por 30 segundos (Figura 1D), para gerar a emulsão (Figura 2C). As gotículas resultantes contêm um núcleo de partículas e uma concha aquosa que compreende a amostra inicial, dentro da qual residem os reagentes, moléculas-alvo e células necessárias para a reação (Figura 2D). Assim como no encapsulamento microfluido gotícula, entidades discretas como pequenas contas ou células são encapsuladas aleatoriamente e de acordo com uma distribuição de Poisson, embora quase todas as gotículas contenham uma partícula templating devido à natureza da física pte.

Figura 3. Identificação e limpeza de gotículas de emulsificação modelada de partículas. (A) Exemplo de geração de gotículas não uniformes com múltiplas partículas por gotícula de vórtice insuficiente. (B) Presença esperada de satélites e gotículas após emulsificação de partículas modelada e (C) o fracionamento água-em-óleo. (D) Emulsão resultante após a lavagem do óleo. (E) Geração excessiva de satélites resultantes de sobrenaspeito residual durante a emulsificação de modelos de partículas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Mesmo em PTE bem sucedido, existem gotículas de núcleo duplo ou triplo, embora geralmente contribuam de forma negligente para a reação, desde que sejam raras. Alcançar uma baixa frequência de gotículas multicoras, mantendo conchas adequadas, requer otimização dos parâmetros de processo, incluindo tensão superficial, forças de adesão inter-partículas, viscosidade amostral, tamanho do contêiner e poder e tempo de vórtice. Por exemplo, uma emulsificação mal otimizada pode conter gotículas polidispersed com muitas partículas templating (Figura 3A), indicando que o vórtice foi insuficiente para emulsionar totalmente a amostra. Nesses casos, detergentes podem ser adicionados para reduzir a adesão inter-partícula e menor tensão superficial, ou poder de vórtice ou tempo pode ser aumentado. Outra questão comum é a geração de satélites excessivos, que são pequenas gotículas vazias (Figura 3B). Satélites podem ser inevitáveis em emulsões de PTE, dependendo da tensão interfacial e propriedades reológicas da amostra e do óleo transportador. No entanto, muitas vezes resultam de não remover adequadamente o excesso de amostra antes da emulsificação (Figura 2B), ou vórtices com muita potência, retirando as conchas das gotículas. Em uma emulsificação pte bem sucedida, os satélites não devem incluir mais de ~10% do volume total de amostras encapsuladas (Figura 3C)11. Nesse nível, eles geralmente contribuem de forma negligente para a reação e podem ser ignorados. Para fins estéticos, podem ser retirados da emulsão lavando com óleo fresco (Figura 3D).

Figura 4. Avaliação do modelo de partículas emulsionamento digital gotícula PCR. (A) A imagem fluorescente das gotículas identifica gotículas fluorescentes positivas e gotículas negativas não fluorescentes. (B) Identificação de modelo raro ou baixas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. (C) Sobre o encapsulamento de modelo abundante, resultando em um número variável de moléculas de modelo por gotícula. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para demonstrar a utilidade do PTE, usamos-na para realizar o PCR11 digital sem microfluidic. Usando o processo, encapsulamos uma amostra composta por DNA genômico de S. cerevisiae , e o termociclizamos. No PCR digital, gotículas contendo alvos amplificados tornam-se fluorescentes, enquanto aquelas sem permanecer fracas. Assim, uma gotícula fluorescente indica um alvo, permitindo a quantitação direta das metas contando gotículas positivas (Figura 4A). O número de gotículas fluorescentes, portanto, escala com as moléculas-alvo, produzindo poucos pontos positivos quando o alvo é raro (Figura 4B) e muitos quando é abundante (Figura 4C). Assim como no encapsulamento de outros componentes discretos, o encapsulamento de alvo segue uma distribuição poisson, permitindo que a fração de gotícula positiva seja transformada na concentração de destino (Figura 4D), demonstrando assim a capacidade de executar PCR digital com PTE11.

Figura 5. Demonstração do PCR de gotícula digital usando PAA disponível comercialmente. (A) A imagem fluorescente das gotículas identifica gotículas negativas não fluorescentes. (B) Identificação de baixas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. (C) Identificação de altas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Esses resultados são repetíveis usando partículas de poliacrilamida disponíveis comercialmente (Figura 5) e demonstram a capacidade do PTE de executar PCR digital padrão com partículas de poliacrilamida disponíveis comercialmente, obtendo medições precisas ao longo da mesma faixa.
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