ABSTRACT Biphasic environments can enable successful chemical reactions where any single solvent results in poor substrate solubility or poor catalyst reactivity. For screening biphasic reactions at high-throughput, a platform based on microfluidic double emulsions could use widely available FACS (Fluorescence Activated Cell Sorting) machines to screen millions of picoliter reactors in a few hours. However, encapsulating biphasic reactions within double emulsions to form FACS-sortable droplet picoreactors requires optimized solvent phases and surfactants to produce triple emulsion droplets that are stable over multi-hour assays and compatible with desired reaction conditions. This work demonstrates such FACS-sortable triple emulsion picoreactors with a fluorocarbon shell and biphasic octanol-in-water core. First, surfactants were screened to stabilize octanol-in-water emulsions for the picoreactor core. With these optimized conditions, stable triple emulsion picoreactors were produced (>70% of droplets survived to 24 hours), and the ability to produce protein in the biphasic core was demonstrated via cell-free protein synthesis. Finally, triple emulsion picoreactors were sorted based on fluorescence using commercial FACS sorters at >100 Hz with 75-80% of droplets recovered. These triple emulsion picoreactors have potential for future screening bead-encoded catalyst libraries, including enzymes such as lipases for biofuel production.

Droplet microfluidics has made large impacts in diverse areas such as enzyme evolution, chemical product screening, polymer engineering, and single-cell analysis. However, while droplet reactions have become increasingly sophisticated, phenotyping droplets by a fluorescent signal and sorting them to isolate variants-of-interest remains a field-wide bottleneck. Here, we present an optimized double emulsion workflow, sdDE-FACS, that enables high-throughput phenotyping, selection, and sorting of droplets using standard flow cytometers. Using a 130 μ m nozzle, we demonstrate robust post-sort recovery of intact droplets, with little to no shear-induced droplet breakage, at high sort frequency (12-14 kHz) across two industry-standard FACS instruments. We report the first quantitative plate statistics for double emulsion droplet isolation and demonstrate single droplet recovery with >70% efficiency. In addition, we establish complete downstream recovery of nucleic acids from single, sorted double emulsion droplets, an advance in droplet sorting comparable with the capabilities of single-cell FACS. This work resolves several hurdles in the field of high-throughput droplet analysis and paves the way for a variety of new droplet assays, including rare variant isolation and multiparameter single-cell analysis, marrying the full power of flow cytometry with droplet microfluidics.