Fluorescent silica nanoparticles for multidimensional barcoding in droplets : towards high-throughput screening in two-phase microfluidics
Institution:
StrasbourgDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
High-throughput screening has seen significant advances in the last 20 years. However, microtiter plate or microarray technologies are not optimal for all types of assays. Hence, implementation of droplet-based microfluidic platforms could bring a breakthrough in terms of throughput and reduction of costs. However, once out of the chip, droplets lose positional information to identify drop contents. It is thus necessary to label the encapsulated compounds. Since fluorescence is a common assay readout method, we opted for this strategy. The goal of this PhD was to produce a fluorescent material compatible with the specificities of droplet microfluidics, then to generate several optically encoded droplet libraries with it. We opted for silica nanoparticles (SNPs) covalently encapsulating organic fluorophores. We developed a novel synthesis route that enabled us to reach sizes down to 2. 5 nm, the smallest ever synthesized. The SNPs are brighter than starting fluorophores, better resist photobleaching and have tunable fluorescence polarization. Then, we studied the surface properties of these particles, especially their interaction with the surfactant. At long time scales, competition between particles and surfactant was shown. In addition, dramatic osmotic effects were highlighted in case of unequal particle concentration across droplets. Last, we investigated crucial parameters in fluorescent code design, then generated two-and three-color encoded droplet libraries. We also discussed optimizations and on-the-fly identification. We finally identify many applications would benefit from this encoding system.
Abstract FR:
Le criblage à haut débit a connu des avancées significatives en 20 ans. Néanmoins, les technologies microplaque ou microarray ne sont pas toujours optimales. C’est pourquoi de nouvelles plates-formes, basées sur la microfluidique en gouttes, pourraient significativement augmenter le débit et réduire les coûts. Cependant, une fois en dehors de la puce, les gouttes perdent leur information spatiale : il est donc nécessaire de marquer les molécules encapsulées pour les identifier. Nous avons choisi un marquage fluorescent, car cette technique est très utilisée en biologie. Le but de ce travail était de fabriquer un matériau fluorescent compatible avec la microfluidique en gouttes, puis de produire plusieurs banques de gouttes encodées avec ce matériau. Nous avons opté pour des nanoparticules de silice comprenant un fluorophore organique attaché de manière covalente. Notre nouvelle synthèse a produit des particules de 2,5 nm, les plus petites jamais synthétisées. Elles sont plus brillantes que les fluorophores organiques, résistent mieux au photoblanchiment et ont une polarisation modulable. Nous avons ensuite étudié les propriétés de surface des particules, en particulier leur interaction avec le tensioactif. A temps longs, une compétition se produit. De plus, des effets osmotiques ont été mis en évidence, si la concentration en particules varie entre d’une goutte à l’autre. Enfin, nous avons examiné les paramètres majeurs dans l’élaboration du code, les optimisations possibles et des stratégies pour réduire le recouvrement spectral. Nous avons produit des banques de gouttes encodées avec deux et trois couleurs, qui peuvent être utilisées dans de nombreuses applications.