CN106929402B - 热致变色传感装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了测试容器，所述测试容器包括配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试位置。热致变色材料热联接至一个或多个测试位置。热致变色材料配置为响应通过活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起热致变色材料的温度中的变化。

Description

热致变色传感装置、系统和方法
技术领域
本公开内容一般涉及使用热致变色传感用于分析物质的装置，以及相关系统和方法。
背景技术
执行敏感性测试，以测定物质抑制活物质生长或促使活物质死亡的有效性，所述活物质例如细菌、真菌等。在一些情况下，敏感性测试的目标是预测抗生素或其他药物疗法的成功或失败。测试在测试容器中执行，以测定特定微生物对各种药物类型、药物组合和/或药物浓度的生长或其缺乏。敏感性测试一般在控制条件下执行，并且可用于鉴定治疗例如由特定类型的细菌引起的感染的最有效药物类型、组合和/或剂量。
关于抗生素测试的敏感性测试可涉及由得自患者的原代培养生长细菌的继代培养。目前，培养细菌涉及在可检测到要测试药物的可测量效应之前的多个复制循环。期望缩短敏感性测试所需的时间，使得适当疗法可快速递送给患者。
发明内容
一些实施例涉及包括测试容器的装置，所述测试容器具有配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试位置。热致变色材料热联接至一个或多个测试位置。热致变色材料配置为响应通过活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起热致变色材料的温度中的变化。
在一些实施例中，测试容器例如测试板包括配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试孔。涂层热联接至测试孔。涂层包含热致变色材料，所述热致变色材料配置为响应通过活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起热致变色材料的温度中的变化。
一些实施例涉及包括具有多重测试位置的无菌测试容器的测试试剂盒。适合于培养活物质的培养基由测试位置处的测试容器包含。热致变色材料热联接至测试位置。热致变色材料配置为响应通过活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起热致变色材料的温度中的变化。
根据一些实施例，方法包括提供具有配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试位置的测试容器。热致变色材料这样进行设置，使得它热联接至一个或多个测试位置。热致变色材料配置为响应通过活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起热致变色材料的温度中的变化。
附图说明
图1是根据一些实施例的热致变色传感测试容器的平面图；
图2是图1的测试容器的横截面视图。
图3是根据一些实施例的测试板的横截面视图，所述测试板包括在层中设置的热致变色材料，所述层接近几个测试孔的底部在x和y方向上延伸跨过测试板；
图4是根据一些实施例的测试容器的横截面视图，所述测试容器包括配置为含有用于培养至少一种活物质的培养基的多个位置，具有设置在测试培养基内的热致变色材料；
图5和6描述了根据一些实施例的测试容器的横截面图解，所述测试容器包括在相对平坦的基质上的面积内的位置，所述位置含有适合于培养活物质的培养基。
图7是示出了根据一些实施例用于制备热致变色传感测试容器的过程的流程图；
图8是配置用于鉴定活物质的热致变色传感测试容器的横截面视图。
图9A显示了根据一些实施例的热致变色温度传感测试系统的方框图；
图9B显示了根据一些实施例包括两个颜色通道的热致变色传感测试系统的一部分的图解；
图10A概念地示出了根据一些实施例的波长偏移检测器，其可用于测定由热致变色材料发出的光谱中的位移的存在和/或量；
图10B概念地示出了根据一些实施例检测反射光和透射光两者的波长偏移检测器；
图11A和11B是示出了根据一些实施例的热致变色测试过程的流程图；
图12A和12B是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于热光抗微生物敏感性测试(TOAST)的过程的流程图；
图13A到13C是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于细菌鉴定和热光抗微生物敏感性测试的过程的流程图；
图14A显示了曲线图，所述曲线图示出了使用图10A中讨论的波长偏移检测器，在热离子传感的范围内，就不含抗生素和具有最低限度的抗生素抑制浓度生长大肠杆菌(E.coli)菌落的时间而言在温度中的模拟变化ΔT(K)；和
图14B显示了对应于菌落生长的前20分钟，且指示使用图10A中讨论的波长偏移检测器可实现的测量分辨率的图14A的曲线图的一部分。
附图不一定按比例绘制。附图中使用的相似数字指相似部件。然而，应理解使用数字指代给定附图中的部件不预期限制另一个附图中用相同数字标记的部件。
具体实施方式
热致变色是基于温度在材料颜色中的变化。热致变色材料的变色可以是相对离散和突变的，或可在温度范围内逐渐改变。光谱变化在由热致变色材料散射、反射、吸收和/或发荧光的光中可以是显而易见的。热致变色材料可以是有机物质或无机物质和/或可以是单体或聚合物。对于本公开内容的方法特别有利的是热致变色液晶，其显示出基于光反射的热致变色。
本文描述的方法涉及使用热致变色材料的温度传感，以光学指示由活物质的能量转换引起的温度变化。可使用本文描述的热致变色传感技术监测的活物质的非限制性列表包括细菌、古细菌、原生生物、真菌、植物细胞、动物细胞、适当宿主细胞中的病毒、适当宿主细胞中的噬菌体、癌细胞培养物和组织细胞培养物中的一种或多种。活物质的能量转换速率可与活细胞总体的代谢有关。特别地，由于细胞有丝分裂增加的细胞数目是集合代谢中的增加形式。组合的各个细胞的代谢包括集合代谢。代谢通常包括葡萄糖或其他碳水化合物的氧化，以释放能量和化学副产物。在这个背景下，代谢意指化学能通过其转换成其他能量形式包括热的机制。热依次又可引起执行代谢的物质或活物质的温度变化。活物质的温度变化将导致周围材料的温度变化，通常为温度增加，所述周围材料包括细胞培养基、缓冲材料、容器材料和热致变色材料。从一种材料到下一种的热传递量由材料特性决定。因此，能够通过材料选择来控制热传递。期望由代谢生成的热与传递到容器材料内相分离，并且相反热连接或联接至热致变色材料。通过代谢生成的热优选导致热致变色材料的温度变化。集合代谢中的增加可描述为活物质的“生长率”和/或活物质的量中的增加或减少。正生长率指示细胞的健康生活条件，并且它通常对应于集合内的活细胞数目中的增加。本文公开的热致变色传感装置、系统和方法可用于检测和/或监测活物质的生长，并且可特别用于测定各种药物试剂例如药物类型、药物剂量和药物组合例如抗微生物剂、抗病毒剂和/或抗真菌剂的功效。
谱移可在任何种类的发射、吸收、荧光、反射或透射、或任何其它光谱中发生。光谱中的谱移可描述为两个光谱的质心(centroid)之间的差异。波长偏移可通过测定测量的质心位置与在例如校准测量或额定质心位置中测定的隐含质心位置进行测定。波长偏移可通过有效地同时比较两个不同光谱的两个不同质心进行测定，以执行参考波长偏移测量。光谱或光强度谱可以各种测量单位进行测量。通常，光谱的变化参数(即横坐标)是通常以波长测量的光子能量。在此类测量中，波长偏移可以波长单位例如纳米(nm)进行测量。对于某些发射谱，特别是发射峰或高斯发射概况，峰波长是质心位置的良好近似，或峰位置相对于彼此的差异是波长偏移的良好近似。在特定实施例中，质心测定可受测量参数影响，所述测量参数可在波长偏移检测范围内改变，使得存在促成质心测量的另外测量因素，例如检测器的波长依赖性灵敏度。这些测量影响可视为测量的系统误差，并且通常通过校准得到补偿。即使未得到补偿，任何此类误差也应视为质心、波长或波长偏移测量的部分。值得注意的是发射谱可由例如两个相对离散的发射分布组成，具有两个发射最大值。还可计算且测量这些组合的发射谱的质心，波长偏移也可对于此类光谱进行计算。特别地，如果两个荧光发射谱的使用方式使得发射谱之一随着温度改变发射强度，则温度变化导致总体光谱的波长偏移。
图1和图2分别是根据一些实施例的热致变色传感测试容器100的平面图和横截面视图。测试容器100可以是基本上平坦的测试板，包括配置为含有用于培养至少一种活物质150的培养基140的一个或多个位置101。在一些实施例中，测试位置可以是例如其为在测试板上的凹陷位置的测试孔。尽管测试容器100可以是配置为含有培养基的任何类型的容器或结构，但在一些实现中，测试容器100是MICROTITER测试板，例如标准24孔MICROTITER板、标准96孔MICROTITER板、标准384孔MICROTITER板、或标准1536孔MICROTITER板等。在其中测试容器100是测试板的实现中，测试板的测试孔提供了配置为含有用于培养活物质150的培养基的位置101。每个测试孔具有壁101a和底部101b，以含有培养基140。在一些实现中，测试容器100可包括覆盖测试孔和/或密封测试孔内的培养基的覆盖物102。
尽管测试容器100可以是配置为含有培养基的任何类型的容器或结构，但在一些实现中，测试容器100可维持用于流体处理的标准MICROTITER板间距，例如标准24孔MICROTITER板间距、标准96孔MICROTITER板间距、标准384孔MICROTITER板间距、或标准1536孔MICROTITER板间距等。这可例如意指通过使用相容的MICROTITER流体界面，测试容器可装载有标准MICROTITER流体处理工具(例如多路移液管)，但样品其后分流到任何其他适当的位置内，所述任何其他适当的位置不一定必须与MICROTITER标准相容，例如单排测试孔，例如24、96、384或1536个孔。
至少一个类型的热致变色材料110热联接至一个或多个测试位置。在各个实施例中，热致变色材料可设置在测试位置处，例如在测试孔101中、测试孔101上和/或测试孔101附近。热致变色材料110热联接至测试位置内含有的培养基140和/或活物质150。热致变色材料110配置和排列成使得它响应由于通过活物质150的能量转换的活物质150和/或培养基140的温度变化，显示出来自热致变色材料110的光例如散射光、反射光或荧光中的谱移。热致变色材料110放置足够接近于活物质150且热联接至活物质150，以便对由于活物质150的能量转换的温度中的变化敏感。
至少一个类型的热致变色材料190设置接近测试位置，使得热致变色材料190热联接至测试孔101的周围环境。在一些实施例中，热致变色材料190是热联接至测试位置的热致变色材料的涂层，例如设置在测试孔的底部处的热致变色涂层。
至少一个类型的热致变色材料191设置在测试板上，以便监测比测试孔更大的温度变化。这个温度传感区不受测试孔的任一个中的活物质的能量转换量显著影响，相反，它跟踪板移动到温箱内之后测试板的温度发展，并且测试板温度接近额定温度条件。另外，适当的温箱功能可用这种读出进行跟踪或控制。
在各个位置101或测试容器100整体中可包括覆盖物102，其可包括盖和/或密封件例如密封膜。一个类型的密封膜是透气无菌膜(例如Corning微板密封胶带白色Rayon(含丙烯酸)或Thermo Scientific Gas Permeable Adhesive Seals)。这种密封膜直接置于测试容器100上，以提供覆盖物102(例如非无菌塑料)随后可置于其上的无菌阻挡件。
另一个实施例使用无菌不透气的粘合密封件(例如E&K Scientific SealPlateAdhesive Microplate Seals)作为盖102，其覆盖容器。这类膜提供了气密密封且因此不需要在密封膜的顶部上的另一个盖。对于厌氧菌，覆盖物102可用于提供阻挡以排除O2。用培养基填充测试位置且使用气密密封将允许厌氧菌的生长。
如图2的横截面视图中所示，热致变色材料110可为沿每个个别测试孔101的壁101a和/或底部101b设置的热致变色材料110的涂层。热致变色材料可为接近几个测试孔101的底部101b在x和y方向上延伸跨过测试板的层111，例如连续层，如图3的横截面视图中所示。
由热致变色材料110(参见图2)、111(参见图3)发出的光中的谱移例如反射光、散射光、透射光和/或荧光中的谱移，可使用一个或多个光学检测器进行检测。光学检测器可位于相对于测试容器的任何位置处，其中由热致变色材料发出的光是可检测的。例如，在一些实施例中，检测器可置于测试孔101的壁101a上方、测试孔101的壁101a下方和/或沿测试孔101的壁101a。
在一些实施例中，由热致变色材料110发出的反射光、散射光、透射光和/或荧光通过适当的光学部件180中继到光学检测器上，所述光学部件180例如透镜、物镜、透镜组合、成像光学器件、平面镜、凹面镜、凸面镜、光纤、光栅、棱镜及其他元件。光学部件可维持或不维持图像信息。
在一些实施例中，由热致变色材料110发出的反射光、散射光、透射光和/或荧光来源于其为环境光的测量光，例如来自日光、室内光等，所述测量光遇到热致变色材料110、111，并且被热致变色材料110、111散射、透射、反射或吸收。在一些实施例中，至少一个光源195、196用于发出测量光195a、196a，并且将测量光195a、196a导向测试孔101，使得测量光195a、196a遇到热致变色材料110、111。
在一些实施例中，热致变色材料110、111反射测量光195a、196a的一部分。图2和3显示了可通过置于测试孔101的底部上方和/或下方的检测器198、199进行检测的反射光198a、199a。在一些实施例中，热致变色材料110、111吸收测量光195a、196a的一部分，测量光195a、196a的吸收促使热致变色材料110、111发荧光。图2和3指示可通过置于测试孔101上方和/或下方的一个或多个检测器198、199进行检测的荧光198b、199b。在一些实施例中，测量光195a、196a的一部分被热致变色材料110、111散射。散射光198c、199c可通过置于测试孔101上方和/或下方的一个或多个检测器198、199进行检测。在一些实施例中，测量光195a、196a的一部分被热致变色材料110、111透射。透射光198d、199d可通过置于测试孔101上方和/或下方的一个或多个检测器198、199进行检测。在一些实施例中，测量光可通过波导器例如光学纤维或聚合物波导透射至热致变色材料。在一些实施例中，由热致变色材料发出的反射光、散射光、透射光或荧光可通过波导器透射至检测器。在一些实施例中，波导器可在测试容器中整体形成，用于透射测量光和/或由热致变色材料发出的光。在一些实施例中，由热致变色材料发出的反射光、散射光、透射光或荧光可通过透镜透射至检测器，所述透镜整合至孔板结构，例如在测试板的注塑成型期间形成。
在一些实施例中，在测试孔101的区域中的测试板100的至少一部分100a在测量光196a的波长处和/或在由热致变色材料110发出的反射光199a、散射光199b、透射光199d和/或荧光198c的波长处基本上光学透射。基本上光学透射意指在测量光的波长处的光透射和/或由热致变色材料发出的光大于50％。在一些实施例中，由热致变色材料发出的反射光、散射光、透射光或荧光可通过平坦透明底部，例如玻璃、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或石英透射至检测器。
活物质的能量转换导致在测试位置处的热致变色材料的温度增加。这些温度增加是亚开尔文(sub-Kelvin)，并且可小于约1milliKelvin(mK)。温度变化可取决于各种因素，例如测试体积、活细胞数目、环境温度、测试体积的热绝缘、缓冲条件等。如本文讨论的，热致变色材料可用于光学指示测试容器的温度。热致变色材料可显示各种光学效应，例如温度依赖性荧光强度或者温度依赖性反射光谱或散射光谱。特别地，热致变色液晶显示极强温度依赖性反射光谱。
用于活物质的热致变色温度传感的热致变色材料可包含任何合适类型的热致变色材料，例如热致变色液晶、隐色染料、荧光团、与DPPC结合的Prodan和/或荧光蛋白。在热致变色液晶中，光谱变化起因于温度依赖性分子间间隔。例如，监测来自热致变色液晶表面的特异性选择的反射已显示在比例颜色测量中的强度/K中的13,000％变化，或数百nm/K一直到约1000nm/K的波长偏移。与二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)结合的6-丙酰基-2-(二甲氨基)萘(Prodan)显示在40℃至50℃之间的6nm/K的荧光发射偏移。绿色荧光蛋白显示发射波长中约0.3nm/K的偏移，是热致变色材料的例子，其可就热致变色温度传感进行遗传学/生物学最佳化，例如对于活物质的生长/衰退的药物敏感性测试和/或其他监测最佳化。
一些热致变色材料的荧光强度中的变化可对温度特别敏感(在一些情况下，超过100％/度)。在一些情况下，热致变色温度传感还可通过比较具有差异温度应答的两个不同类型的热致变色材料的应答，且监测来自两种热致变色材料的两个发射峰之间的强度比中的变化得到增强。在一些情况下，两种热致变色材料这样加以选择，使得一种材料显示温度依赖性荧光强度变化，并且另一种不依赖于温度，或具有与第一材料相反的变化。
作为非限制性例子，由于通过活物质的能量转换，当经历约10μK的温度变化时，具有约1000nm/K的波长偏移的热致变色液晶显示出约10皮米(pm)的波长偏移。在一些实现中，由于能量转换在温度中的1.6x10-6K–1.6x10-5K变化导致1.6-16皮米(pm)的波长偏移。在一些实施例中，热致变色材料可配置为对于在约0.5nm/K至约1000nm/K的范围内的温度，显示出荧光光谱、反射光谱或散射光谱中的谱移。
在一些配置中，一个或多个任选的另外的层或涂层可沿热致变色材料层的一个或两个主要侧设置。在一些实施例中，任选的另外的层可沿测试孔101的底部101b和/或壁101a延伸。例如，一个或多个任选的另外的层120、121、130、131可放置在每个测试孔101内的热致变色材料涂层110、111和培养基140和/或活物质150之间，如图2和3中所示。在一些实现中，任选的另外的层130中的至少一个可为光吸收层。由于层的吸收特性，置于热致变色材料110、111和培养基140和/或活物质150之间的光吸收层的使用可增强热致变色传感的敏感性。未被热致变色材料涂层101、111反射、散射、吸收的光目前不促成反射光、散射光或荧光检测。光阻挡层的使用可通过减少经由检测器检测的非信号光产生的检测器信号的组分，增强热致变色传感的信噪比，其中非信号光是除由热致变色材料发出的光外的光。
在一些实现中，任选的另外的层130、121中的至少一个可以是热传导层。由于来自培养基140和/或活物质150对热致变色材料涂层110、111的改善的热传导性，置于热致变色材料110、111和培养基140和/或活物质150之间的热传导层的使用可增强热致变色传感的敏感性。由活物质150转换的能量导致培养基140内的热生成，并且由此导致培养基和/或活物质150的温度增加。培养基和周围环境之间的温度差异导致过渡带中的温度梯度。因为热致变色材料是过渡带的部分，所以热传导层确保从培养基到热致变色层的热传递是有益的，使得两者理想地均具有相同温度。例如，热传导层可由氧化铟锡(ITO)、金属、金刚石、氧化锌、石墨烯、石墨和磷化铟组成。
在一些实现中，任选的另外的层131、120中的至少一个可为热绝缘层。由于从热致变色材料110、111到环境平衡温度的热传导性减少，置于测试容器结构的热致变色材料110、111和基础材料之间的热绝缘层的使用可增强热致变色传感的敏感性。期望测试容器结构自身的基础材料由低热传导性材料制成。
在一些实施例中，任选的另外的层121、130中的至少一个可以是放置为使热致变色材料110、111与培养基140分开的无菌涂层。例如，热致变色涂层110、111可沿测试孔的底表面设置，其中无菌生物相容性涂层设置在热致变色涂层上，使得热致变色涂层在测试孔的底表面和无菌涂层之间。例如，无菌涂层可包含聚对二甲苯、氧化铟锡(ITO)、金属、聚乙二醇(PEG)、金刚石、氧化锌、石墨烯、石墨和磷化铟中的一种或多种。理想地，这些涂层也是生物相容性的。
图4示出了包括多个位置401的测试容器400，所述多个位置401配置为含有用于培养至少一种活物质150的培养基140。在一些实施例中，热致变色材料例如热致变色颗粒或区域410设置在测试培养基140内，如图4的横截面图解中所述。
由热致变色材料410发出的光中的谱移，例如反射光、散射光、透射光和/或荧光的谱移可使用一种或多种光学检测器进行检测。光学检测器可定位于相对于测试容器的任何位置处，其中由热致变色材料发出的光是可检测的。例如，在一些实施例中，检测器198、199可置于测试孔401上方和/或下方，如图4中所示。
在一些实施例中，由热致变色材料发出的反射光、散射光、透射光和/或荧光来源于其为环境光的测量光，例如来自日光、室内光等，所述测量光遇到热致变色材料410。在一些实施例中，至少一个光源195、196用于发出测量光195a、196a，并且将测量光195a、196a导向测试孔401，使得测量光195a、196a遇到热致变色材料410。
在一些实施例中，测量光195a、196a的一部分被热致变色材料410反射。反射光198a、199a可通过置于测试孔401的底部上方和/或下方的光传感元件198、199进行检测。
在一些实施例中，测量光195a、196a的一部分被热致变色材料410吸收，并且促使热致变色材料410发荧光。荧光198b、199b可通过置于测试孔401上方和/或下方的一个或多个光传感元件198、199进行检测。
在一些实施例中，测量光195a、196a的一部分被热致变色材料410散射。散射光198c、199c可通过置于测试孔401上方和/或下方的一个或多个光传感元件198、199进行检测。
在一些实施例中，测试孔401的区域中的测试板400的至少一部分400a在测量光196a的波长处和在反射光199a、散射光199b和/或荧光198c的波长处基本上光学透射。
在一些配置中，一个或多个任选的另外的层或涂层420可沿测试孔401的底部或其他地方例如沿测试孔401的壁401a设置。在一些实施例中，任选的另外的层可沿测试孔401的底部401b和壁401a两者延伸。在一些实现中，任选的另外的层420中的至少一个可以是热绝缘层。由于从测试位置401到测试容器400的牺牲材料或周围的热传递减少，热绝缘层可设计为增强热致变色传感的敏感性。
在一些实现中，任选的另外的层420中的至少一个可以是光阻挡层。光阻挡层的使用可通过减少由非信号光产生的检测器信号的组分，增强热致变色传感的信噪比，其中非信号光是除由热致变色材料发出的光外的光。
图5和6描述了测试容器500、600的横截面图解，所述测试容器500、600包括配置为含有适合于培养一种或多种活物质560的培养基540的位置501、601。在这些实施例中，培养基540可包含在相对平坦的基质500a上的区域内。在一些实施例中，位置501、601可通过表面处理或涂层505例如配置为含有在位置501、601内的培养基的疏水表面处理进行限定。如图5中所示，热致变色材料可为设置在位置501处的基质500a上的层510。
在各个位置501或测试容器500整体中可用覆盖物570，例如包括密封件和/或盖进行覆盖。在一些实施例中，测试容器用密封膜连同或不连同另外的盖进行覆盖。一些实施例使用连同或不连同密封件的保护性盖。覆盖物570减少由于蒸发的热损失，并且帮助维持测试位置501处的测试容器500内的适当环境。例如，在一些实施例中，哺乳动物细胞设置在测试位置处，所述测试位置需要一定的顶空体积，其含有适当的气体环境例如5％CO2。作为另一个例子，厌氧菌设置在测试位置处，并且覆盖物提供了帮助排除对这些细菌有毒的O2的阻挡件。因此，用培养基填充测试位置且使用气密密封允许厌氧菌的生长。
一个类型的密封件是透气无菌膜(例如Corning微板密封胶带白色Rayon(含丙烯酸)或Thermo Scientific Gas Permeable Adhesive Seals)。这种密封膜直接置于测试容器上，以提供盖(例如非无菌塑料)随后可置于其上的无菌阻挡件。
另一个实施例使用无菌不透气的粘合密封件(例如E&K Scientific SealPlateAdhesive Microplate Seals)来覆盖容器。这类膜提供了气密密封且因此不需要在密封膜的顶部上的另一个盖，除非盖是另外的保护所需或需要的。
如图6中所示，热致变色材料可为培养基540内的热致变色区域610，例如嵌入培养基内的热致变色颗粒。
如上文讨论的，测试容器500、600可包括设置在热致变色材料上方和/或下方的一个或多个任选的另外的层520、530、620。例如，另外的任选层520、530、620可包括热吸收层、光阻挡层和无菌生物相容性层中的一种或多种。任选地，如上文讨论的，测试容器包括覆盖物570，例如密封件和/或盖。
图7是示出了根据一些实施例用于制备热致变色传感测试容器的过程的流程图。该过程包括提供710测试结构且设置720与测试结构的测试位置热联接的热致变色材料。例如，在一些实施例中，当测试结构是标准MICROTITER测试板时，热致变色材料可通过用一种或多种热致变色材料涂布标准测试板的测试孔进行设置。例如，可涂布标准板的全部测试孔的底部和/或壁。在一些实施例中，一些测试孔的底部和/或壁可用热致变色材料进行涂布，而其他测试孔不进行涂布。在一些实施例中，可通过将热致变色颗粒置于由测试孔包含的培养基内和/或通过将含有热致变色材料的培养基置于测试孔内，将热致变色材料设置在测试位置处。
在一些实施例中，另外的功能材料层可设置730在测试结构上，例如热传导层、光阻挡层、热绝缘层。另外的功能层可在热致变色材料设置在测试位置处之前或之后进行设置。随后，灭菌测试结构740可通过下述方法中的一种或多种来完成：热、化学品或照射。
热灭菌可使用湿热(蒸汽)或干热来实现。化学品可用于灭菌热敏感材料包括许多塑料。可使用气体或液体。用于化学灭菌的气体包括环氧乙烷(EtO)、二氧化氮(NO2)或臭氧。液体化学灭菌可使用戊二醛、甲醛、过氧化氢(H2O2)或过乙酸来实现。辐射灭菌可使用电子束、X射线、γ射线或通过亚原子粒子的照射来实现。
在一些实施例中，经灭菌的测试结构以这样的方式进行包装且密封，使得包装的内容物保持无菌，直至包装的机械完整性被无意或有意损害。正常的有意打开维持无菌测试板且允许用来自预期样品的活物质专一地填充测试容器。
一种或多种测试物质例如药物、抗微生物、抗真菌物质可包含在培养基内。测试容器的不同位置例如测试容器100的测试孔101可包括不同类型、组合和/或浓度的测试物质160，其中活物质150在每个测试位置处是相同的。这种测试设置可用于监测不同类型、组合和浓度的测试物质对活物质的作用。在一些实施例中，测试物质160的类型、组合和/或浓度在多个测试位置处可以是基本上相同的，并且活物质可改变。这种测试设置可用于测试相同类型、组合和浓度的测试物质对不同类型的活物质的作用。
在一些实现中，热致变色传感测试容器用于药物例如抗微生物敏感性测试(AST)。测试物质160包含一个或多个类型的抗生素，并且测试位置含有不同类型、不同组合和/或不同浓度的抗生素。适用于AST中的抗生素和抗生素组合的例子包括但不限于：阿米卡星、阿莫西林/克拉维酸、氨苄青霉素、氨苄青霉素/舒巴坦、阿奇霉素、氨曲南、头孢噻吩(Cefalotin)、头孢唑啉、头孢吡肟、头孢西丁、头孢他啶、头孢曲松、头孢呋辛、头孢菌素(Cephalothin)、氯霉素、环丙沙星、克拉霉素、克林霉素、达托霉素、多利培南、厄他培南、红霉素、加替沙星、庆大霉素、亚胺培南、左氧氟沙星、美罗培南、莫西沙星、萘啶酸、呋喃妥因、诺氟沙星、氧氟沙星、苯唑西林、青霉素、哌拉西林、哌拉西林/他唑巴坦、利福平、磺胺甲噁唑、共杀素、四环素、替卡西林、替卡西林/克拉维酸、替加环素、妥布霉素、甲氧苄啶、甲氧苄啶/磺胺甲噁唑和万古霉素。
在由图8示出的一些实现中，热致变色传感测试容器100用于鉴定活物质150。测试物质860包含一个或多个类型的底物，以测量碳源利用(例如甘露醇、葡萄糖、乳糖、麦芽糖、柠檬酸盐、乙酸盐、乙酰胺)、酶促活性(例如过氧化氢酶、氧化酶、凝固酶、吡咯烷酮肽酶(pyrase)、尿素酶、脱羧酶、二水解酶、苯丙氨酸脱氨酶、半胱氨酸脱硫酶(H2S产生)、色氨酸酶(吲哚产生))或抗性(例如杆菌肽、新生霉素、奥普托欣)。生长培养基可含有除测试物质860之外的指示剂物质(861)。指示剂物质的例子包括但不限于：溴百里酚蓝、柠檬酸铁铵、溴甲酚紫、氯化铁、硫酸亚铁、4-二甲基氨基苯甲醛和甲基红。在一些实施例中，当在适当的活物质150的存在下进行温育时，用于鉴定活物质的测试物质860直接产生荧光或生色化合物。
在其他实施例中，当测试物质860在适当的活物质150的存在下进行温育时，指示剂物质861产生荧光或生色化合物。除测量热致变色材料在测试化合物的存在下对活物质生长的应答之外，使用置于测试位置上方或下方的光源195、196之一或两者且使用检测器198、199和/或另外的光源和/或检测器，可测量起因于活物质150在测试化合物860的存在下的温育的荧光或吸收。
如通过TOAST机制或其他光学手段测量的酶底物、生长促进剂和生长抑制剂的组合给出代谢或其他生物化学概况，其可用于鉴定活物质。
在血流感染的情况下，例如，AST可在从阳性血培养中分离和鉴定活物质后执行。鉴定步骤可使用如上所述的热致变色传感测试容器执行。在其他实现中，活物质可使用另一种方法例如标准生长和生物化学特征或快速鉴定方法例如基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱法(MALDI-TOF MS)进行鉴定。在另一种实现中，AST可在活物质鉴定前起始，依赖于阳性血培养的革兰氏染色结果，以选择在AST中使用的测试化合物的适当实验对象组。
在一些实施例中，测试容器可设计为一次性使用的部件。在一些实施例中，热致变色传感测试容器可以是试剂盒的部分，所述试剂盒包括无菌热致变色传感测试容器，例如如与图1–6结合讨论的。在一些实现中，试剂盒的热致变色传感测试容器可预装载有培养基和测试物质。在一些实现中，测试物质包含不同类型、量和/或组合的药物或其他试剂，其在测试容器的不同测试位置处预装载。在一些情况下，接受试剂盒的测试实验室将在测试位置处插入活物质，测试在测试位置各自处预装载的测试物质的类型、量和/或组合的功效，并且随后在测试完成后处置试剂盒。在一些情况下，测试位置中的一些可用作对照位置，其中在对照测试位置处不插入测试物质和/或活物质。
测试容器可配置为可移除地插入系统的区室内，这有助于使用热致变色传感自动测试测试物质。在一些实现中，测试容器可配置为具有机械容纳特征的药液筒，所述机械容纳特征与区室的相容特征接合。图9A显示了根据一些实施例的热致变色温度传感测试系统900的方框图。在一些实施例中，测试系统900包括配置为自动控制周围环境的温箱905，所述周围环境例如测试容器902或系统的其他部件在测试期间的光、温度、湿度、气体组成、CO2浓度等。在其中测试容器的环境不受控制或者其中需要或期望另外的热补偿的测试系统中，可使用配置为负责温度中的变化的电路930。温度补偿电路930可包括联接至补偿电路的温度传感器，所述补偿电路配置为补偿温度效应和因此补偿通过除由活物质的能量转换外的因素引起的热致变色材料的谱移。这些温度效应可由室温波动引起，并且它们可大于用于各个测试孔101的光学温度测量范围的最大温度测量范围。因此，个别测试孔、个别测试孔的组或所有测试孔的温度可用温度补偿电路930进行调整。温度补偿电路930可含有加热器、冷却器、电阻加热器、辐射加热器、热交换器、供水系统、热电冷却器、珀耳帖元件、蒸发冷却器、温度传感器、热敏电阻器、热耦合器和光学温度读出传感器，其基于热致变色材料(例如191和190)的波长偏移检测。
在一些实施例中，测试容器902包括流体联接至测试位置101的流体通道185b(图1中所示)，使得来自宿主温育和读出系统900的例如占优势的基于水、潜在伴随消毒剂添加的热平衡液体，可连接至测试容器902。流体通道185b可允许流体引入接近测试位置和/或对照位置的测试容器的热交换区域内。热平衡液体大量流入测试容器902内使装置包括测试位点101的内容物的温度以比例如通过循环气体的热交换或纯辐射热交换更快速和更稳定的方式热平衡。
在一些实施例中，测试容器902包括流体通道185a(图1中所示)，其流体联接至测试位置101，使得测试物质可通过这些流体通道填充到几个或所有测试位置内。
如通过图9A所示的，测试容器902可配置为药液筒，其可移除地可插入测试系统900的区室901内。测试容器902包括机械特征902a例如突起，其与区室的机械特征901a例如狭槽接合，以使测试容器802机械定位且保留在区室901内。另外，测试容器902可具有可由人(例如字母数字组合、序列号或名称)或通过适当的机器(例如条形码或QR码)阅读的独特标记或标识符。测试容器902还可用对齐标记进行标记，所述对齐标记限定测量测试区域，例如关于每个测试容器101在每个热致变色材料区域110(参见图2)、111(参见图3)周围的蓝色环，形成坐标系统的线、在测试容器上的几个位置上的对齐交叉。尤其地，如果照相机系统(RGB、差分照明、超光谱、二向色镜多路复用照相机等)充当热致变色材料的多路复用读出，则测试容器上的标记可指示兴趣区(ROI)，即用于自动读出的测试位置101。标记还可通过提供坐标系统暗示兴趣区。兴趣区随后可在已知的预定坐标处定位。
系统900可包括测量光源910，其配置为生成测量光且将测量光导向测试容器902的测试位置。光源910包括配置为发出测量光的光发射器，例如发光二极管(LED)、灯和/或激光器，以及配置为促使测量光导向测试容器的测试位置的部件。在一些实现中，测量光例如通过扫描镜或旋转镜或镜阵列(数字光处理)或通过声光调制器或通过相控阵光学器件，通过扫描跨越测试容器的测试位置的测量光而光学多路复用或导向多重测试位置。在一些实现中，测量光扫描可通过例如使用透镜和/或镜阵列指导通过跨越多重测试位置的静态测量光发射器产生的光来实现。在一些实施例中，扫描跨越测试位置的测量光可通过相对于彼此物理移动光源和测试容器来实现。在一些实施例中，测量光可通过光波导导向测试位置。在一些实施例中，测量光可到达目的测试区子集或例如通过照明测试容器的所有热致变色材料区域的总面积，测量光可同时到达所有测试区。
在一些实施例中，测量光可包括可个别寻址的两个或更多个不同的测量光源或测量光特征。例如，显示出不同光谱发射特征的两个或更多个可个别转换的LED可充当测量光源。这些光源可替代地可探测不同光谱方案中的热致变色液晶的反射率。光强度检测器例如单色照相机随后可比较对于第一LED的光谱且随后对于第二LED的光谱空间分辨的反射光的强度值。因此，在一些实施例中，具有非常不同光谱特征的LED可与单色光检测器一起利用，以测量波长偏移。可替代地，单个宽光源(例如灯、具有磷涂层的LED等)可用于提供测量光，并且反射光、透射光或散射光的颜色区别可用RGB照相机执行。RGB照相机的光谱选择性旨在代表人眼的颜色选择性，并且当RGB照相机用作检测器时，颜色选择性的选择因此可以是有限的。在一些实施例中，可使用颜色敏感的照相机系统，所述照相机系统序贯利用不同的滤光器(例如介质透射滤光器、吸收透射滤光器)，或可使用照相机系统，所述照相机系统使用几个图像传感器，并且入射光通过颜色选择性元件例如二向色镜分开，如下文就图9B而言讨论的。
系统900包括检测器子系统920，包括配置为检测由测试容器的热致变色材料发出的光，例如反射光、散射光和/或荧光谱中的变化。传感器可包括光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、雪崩光电二极管、波长偏移检测器、RGB照相机、高光谱照相机、光谱仪、光谱摄制仪、二向色镜分段图像传感器、傅里叶光谱仪和二向色镜分段传感器中的一种或多种。在一些实施例中，可存在传感器和测试位置之间的一对一对应。在其他实施例中，可存在比测试位置更少的传感器，并且由多个测试位置发出的光被光学解复用至单个传感器。在一些实现中，光学解复用可通过在不同时间段期间将来自多个测试位置各自的发出光选择性导向传感器，例如使用可移动镜例如扫描镜或旋转镜或镜阵列(数字光处理)或通过声光调制器或通过相控阵光学器件的解复用来完成。在一些实现中，光学多路复用可通过相对于测试容器物理移动传感器和/或相对于传感器物理移动测试容器来完成。检测器子系统920的输出可提供给处理器940，其配置为检测、分析和/或监测发出光谱中的变化。处理器940可配置为分析测试结果，和/或将测试结果的报告生成为可例如经由计算机化用户界面950展示、发送或以任何方式传输给用户的形式。在一些实施例中，处理器940可在执行测试时将连续更新发送给用户界面950，其中用户界面连续更新其展示，从而允许用户快速获知测试结果。在一些实现中，处理器940可配置为生成发送给用户界面950的警告信号，其中用户界面950基于由处理器940发送的警告信号而产生警告，例如听觉和/或视觉警告。
图9B显示了根据一些实施例的热致变色温度传感测试系统900的一部分960。图9B中所示的系统的一部分包括两个颜色通道971、972，其有利于根据一些实施例的测试物质的自动测试。在图9B中，测试容器960包括具有设置在测试位置962a处的热致变色材料的多重测试位置962a，显示设置在温箱961内。温箱961控制测试容器962的周围环境。通过测量光源965例如包括提供宽带测量光的一个或多个光发出装置，将测量光提供给系统960。来自测试容器962的空间区域962b的光通过二向色镜970分成两个通道。成像光学器件例如透镜981-983可设置在来自空间区域962b的光通路中，例如测试容器962和二向色镜970之间和/或两个颜色通道971、972之一或两者中。透镜981使来自空间区域962b的光成像到二向色镜970上。二向色镜970将光分成两个不同颜色通道971、972，每个颜色通道与照相机991、992结合。每个颜色通道971、972提供了在不同波长处的基本上相同的空间区域962b的图像962b-1、962b-2。二向色镜970具有中心波长λ中心，使得具有大于λ中心的波长的光导向第一颜色通道971中的照相机991，并且具有小于λ中心的波长的光导向第二颜色通道972中的照相机992。
如果图像962b-1、962b-2并非充分相同，则在图像962b-1、962b-2上的平移、旋转或缩放变换可用于重叠图像，使得它们代表基本上相同的空间区域962b。图像962b-1、962b-2通常含有一个、几个或所有测试位置962a，并且可包括设置在测试位置962a处的热致变色材料。在一些实施例中，图像962b-1、962b-2包括另外的信息例如标记。另外的标记可通过众所周知的计算机视觉和图像处理技术进行鉴定，并且它们可为系统提供操作参数例如校准数据、患者数据、机械对齐等。标记中含有的任何有关信息均可在系统的处理器940中进行处理(参见图9A)。图像962b-1、962b-2含有在关于每个图像像素的不同波长区域中的不同光强度的表示。
在一些实施例中，由空间区域962b处的热致变色材料发出的光包括在图像962b-1、962b-2中。在这些实施例中，通过计算彩色图像962b-1、962b-2中的关于每个像素的波长偏移，能够生成成像区域的温度图。像素组可组合成给定图像中的兴趣区(ROI)。在ROI内，通过计算ROI中的像素的平均强度、ROI中的强度总和、ROI中的中值强度或基于ROI中的像素值以代表ROI强度的任何其他数学操作，像素组合可例如通过处理器940b执行。在一些实施例中，图像上的ROI与测试位置962a基本上重叠。可在每个图像中限定超过一个ROI，特别是图像中的每个测试位置962a可与至少一个ROI相关。ROI具有与之相关的至少两个值。这两个值代表源于至少两个颜色通道的光强度。ROI的波长偏移可例如通过下述进行计算：扣除两个颜色通道中来自另一个的ROI的平均值，并且将该值除以两个ROI平均值的总和。在一些实施例中，高光谱照相机系统用于测定ROI的波长偏移。在此类系统中，就波长而言的峰强度可通过找到ROI中具有最高强度的波长区域的图像进行测定。在此类情况下能够外推色帧之间的ROI的强度值。在一些实施例中，使用RGB照相机系统。ROI的波长偏移可通过下述进行计算：省略三个通道之一例如蓝色通道，并且处理红色和绿色通道作为上文描述的两个通道。还可能能够增加红色和绿色通道，并且处理这个总和作为第一颜色通道，而蓝色通道提供如上所述的第二颜色通道。
对于基于照相机的检测系统，存在测定如上所述的ROI中的波长偏移的几种方式。在一些实施例中，ROI可含有测试位置962a，并且热致变色材料热联接至测试位置。因此，ROI的波长偏移可与该ROI中的温度有关，并且由此与测试容器的测试位置的温度有关。理想地，照相机系统成像所有测试位置，以及所有阳性和阳性对照位置，以便计算随着时间过去测试位置的温度发展，并且通过将其与随着时间过去的阳性对照位置温度发展相比较而分析其。
上述系统实施例中的任一个适合通过跟踪容器上的局部波长偏移，来跟踪测试容器上的许多位置的温度发展。假定至少一种热致变色材料至少在有关测试位置和对照位置中跨越测试板分布，局部波长偏移代表在板上的局部温度。
环境温度变化影响整块测试板的波长偏移，不依赖于个别测试位置中/个别测试位置上的温度变化。这些环境温度变化跨越测试板不一定是均相的。测试位置的温度变化可通过相邻对照位置的温度变化参考，所述相邻对照位置不含任何测试物质，并且由此充当关于环境温度波动的共模抑制的测试位置。值得注意的是对照位置可在测试位置周围，或者可具有与测试位置不同的大小或形状。特别地，对照位置可不含任何活物质，并且因此该对照位置充当跟踪环境温度变化的阴性对照位置。通过从每个测量时间点的测试位置温度中扣除阴性对照位置的温度，测试位置的温度变化通过时间跟踪至不依赖于环境温度变化的第一顺序。阳性对照位置含有活物质，不含可抑制活物质代谢及其菌落生长的任何药物。事实上，系统条件例如额定环境温度、环境气体组成等应选择为促进活物质的生长。使用来自阴性对照位置的读数，以与其他测试位置校准的相同方式，阳性对照位置可对于环境温度变化进行校准。
图10A概念地示出了波长偏移检测器1000，其可用作图9A中讨论的检测器子系统920，以测定光谱分布的中心。由此例如由热致变色材料发出的光谱中的偏移的存在和/或量可通过比较光谱光分布的两个或更多个中心进行测定。由热致变色材料发出且特征在于中心波长λi的光1010是对光谱变化的光传输结构1020的输入光。传输结构1020具有横向变化传输功能，使得传输功能根据沿其出射面1020a的横轴1099的位置而变。传输功能中的变化可例如包括根据梯度随着波长的强度变化，如果它沿横轴1099连续地且均匀地改变，则所述梯度可为恒定传输梯度。如果强度随着波长以阶梯状方式沿横轴1099改变，则传输功能中的变化可为尖峰状传输梯度。更一般地，当响应输入光，透射光或输出光根据波长随着横向位置而变，并且随着横向位置的变化不存在于输入光中时，光在本文中描述为随着横向变化而透射。随着横向位置的变化在图10A中由区域1042和1044示出。如所示的，传输结构1020的区域1042传输在波长λa周围集中的子范围中的光子带。类似地，区域1044传输在波长λb周围集中的子范围中的光子带。因此，分别由射线1046和1048代表的来自区域1042和1044的光在不同位置处的感光部件1060上入射。特征在于中心波长λa的光占优势地通过在位置1062处的感光部件1060的一部分检测。特征在于中心波长λb的光占优势地通过在位置1064处的感光部件1060的一部分检测。如果表征输入光1010的中心波长最初是λa，则输入光的波长变成λb将引起离开传输结构1020的光位置中的变化。这种位置变化通过在感光部件1060的位置1062和1064处检测到的光中的变化指示。更一般地，在波长λa和λb处的入射光强度之间的差异可通过在位置1062和1064处检测到的光中的差异指示。波长λa和λb之间的波长偏移或在传输结构1020的表面1020a处的波长分布中的另一种变化可改变在位置1062和1064处提供的光子的相对数量，意指与它们在变化之前相比较，在两个位置处提供的数量在变化后具有与彼此不同的相关。例如，数量可增加或减少，但增加或减少的量是这样的，其使得在一个位置处的数量变成在另一个位置处的数量的更大或更小部分；在一个位置处的数量可从小于另一个位置处的数量变成大于；或一个数量可增加，而另一个减少；等。所有这些类型的变化均可随着时间过去而发生。
图10A显示了响应其光子带具有峰能量值的两个不同的入射光谱模式，跨越感光部件1060的光强度和位置之间的关系。具有在波长λa处的峰强度的第一模式导致在感光部件1060上具有由曲线1066代表的强度分布的光斑。具有在波长λb处的峰强度的第二分布类似地导致具有由曲线1068代表的强度分布的光斑。如应理解的，如果来自传输结构1020的输入光1010的窄带光制备从λa到λb的连续过渡，则由曲线1066代表的第一光斑可遵循随着时间过去的连续系列的位置，直至它到达由曲线1068代表的第二光斑的位置。
曲线图还显示了响应第一光斑和第二光斑，由位置1062和1064感测的光子数量。当第一斑点在感光部件1060上提供时，感光部件1060的位置1062生成与位置1062感测的光子数量大致成比例的测量数量I1，即Ia1，并且生成与由位置1064感测的光子数量大致成比例的测量数量I2，即Ib1。I1和I2可例如是由位置敏感的光检测器生成的光电流。当第二斑点在感光部件1060上时，位置1062感测与Ia2成比例的数量，并且位置1064感测与Ib2成比例的数量。如可见的，由位置1062和1064感测的相对数量改变，其中第一斑点的相对数量(Ia1/Ib1)大于一，并且第二斑点的相对数量(Ia2/Ib2)小于一。类似地，差异(Ia1-Ib1)是正数，而差异(Ia2-Ib2)是负数。此外，如果用其他邻近或附近位置作出相似比较，则每个斑点的峰强度位置可通过在感光部件上找到具有最高感测数量的位置进行约计。
在一些实施例中，邻近或重叠光谱区的强度整合并且比较，以测定分布中的波长偏移。感光部件1060可包括两个检测器，并且在光谱区上的整合可通过使用两个检测器测量两个邻近区域1062、1064来执行，所述检测器例如光电二极管、分离光电二极管或光电倍增管(PMT)。
光谱变化的传输结构1020可包括线性可变滤波器或光谱色散元件(例如，棱镜、光栅等)。对于柔性测量，叠加或多阳极PMT可在光谱摄制仪上使用。测量可在至少约0.01Hz一直到至少约1MHz或甚至更大的频率处执行。横向改变的传输结构1020和位置敏感的感光部件1060的组合可分辨显著小于10飞米(fm)或甚至小于5fm例如约3fm的波长偏移。感光部件1060的各个光电二极管可生成光电流I1和I2，其用互阻放大器1080进行放大。信号扣除和添加可用关于在通过分析器取样之前优良的噪声性能的模拟电路执行。波长分布的中心随后可通过λi～(I1-I2)/(I1+I2)进行计算。在一些实施例中，波长偏移检测器1000的总体大小可紧密接近感光部件1060的那种，其对于固定和长期稳定性是有益的。可与本文公开的热致变色温度传感方法结合使用，涉及输入光中的波长偏移的测量的另外信息，在共同拥有的美国专利7,701,590中描述。
图10B示出了光谱检测器1070的另一个实施例。响应测量光由热致变色材料(图10B中未示出)发出1071的光的所有波长通过二向色镜1072引导。二向色镜1072反射某些波长区域，同时透射其他波长区域。例如，二向色镜1072可透射所有波长λ1<λ中心，且反射所有波长λ2>＝λ中心。设置两个不同的检测器，第一检测器1081和第二检测器1082，以收集来自二向色镜1072的透射光和反射光。检测器1081可用于测量在小于镜子的中心波长λ中心的波长区域中包含的总光强度，并且检测器1082可用于测量在大于镜子的中心波长λ中心的波长区域中包含的总光强度。对于在中心波长周围集中的光谱分布，两个测量光强度将是相同的(曲线1071a)。对于转变为更长波长的光谱分布(曲线1071b)，检测器1082将测量比检测器1081更高的光强度。因此，与上述方法一起使用的这个检测器代表检测光谱光强度分布的另一种方式。
在一些实施例中，另外的光学元件1075可引入光检测通路中。例如，在检测器1081、1082之前的另外带通滤波器可用于将检测光限制于光谱区，所述光谱区显示关于给定温度变化的最大偏移。在一些实施例中，另外的光学元件1075可包括成像透镜。当光检测器是图像检测器例如照相机时，成像可以是特别有利的。整个测试容器的完全区域可被照明，并且通过在至少两个照相机上成像测试容器，来自众多测试位点的测量光可在如图10B中呈现的方案中同时感测。对于两个同时获取的图像，所有测试位置的颜色分布和因此的温度目前可通过测量关于两个照相机上的每个测试位置的适当像素的记录强度进行测量。在测试容器上的另外标记可用于鉴定图像中的测试位置。
热致变色传感可用于各种测试方案，例如测试各种药物例如抗生素、抗微生物剂、抗真菌剂、癌症药物等的功效。图11的流程图示出了根据一些实施例的热致变色测试过程。将活物质插入1101设置在热致变色测试容器的测试位置处的培养基内。在一些实施例中，测试物质也设置在培养基中。活物质热联接至位于测试位置处的热致变色材料。检测1102由热致变色材料发出的光的谱移。谱移响应通过活物质的能量转换引起的温度变化而发生。由活物质转换的能量的量和/或速率可基于谱移进行测定1103。例如，在一些实现中，活物质是病原体，并且由活物质转换的能量的量和/或速率指示活物质对测试物质例如抗生素的敏感性。在一些实现中，活物质是细胞或组织培养物，并且由活物质转换的能量可涉及测试物质对细胞或组织培养物的突变或其他作用。
如上文讨论的，热致变色传感可特别用于抗生素或抗微生物敏感性测试。抗微生物敏感性测试的目的在于检测病原体中可能的药物抗性，并且确保病原体对用于特定感染的选择药物的敏感性。抗微生物敏感性测试可提供定量结果，例如抗微生物测试物质的最低限度抑制浓度，和/或可提供测试物质就病原体而言的功效的定性评价。由许多细菌显示出的新的和新出现的抗性机制要求关于AST准确检测抗性的能力的警觉。特别考虑到这些新出现的抗性机制，看起来很可能细菌分离物对抗微生物剂的敏感性水平的表型测量多年来继续是临床相关的。
AST测量药物对微生物复制的作用，以测定哪种药物最适合杀死细菌。AST可在体外平行测试许多药物，以预测哪种药物在体内最佳工作。因此，AST可测试药物的广泛样品，使得治疗选择可靶向用于特定细菌的最有效抗微生物药物。
图11B是示出了根据一些实施例的测试过程的流程图。热致变色传感测试容器的测试位置填充有样品1112。样品可包括培养基、活物质、要测试物质例如抗生素、以及在一些实施例中的热致变色材料中的一种或多种。样品及其他接近样品的结构例如测试位置和对照位置在温育室中进行热平衡1114。包括测试位置和对照位置的测试容器的一个或多个区域用测量光进行照明1116。区域的图像通过照相机系统进行检测1118。在一些实现中，检测到区域的多重图像，并且登记1120图像的对齐特征，以对齐图像。图像之间的转化基于对齐进行计算。鉴定1122图像内的兴趣区。例如，兴趣区可包括测试位置和/或阳性和/或阴性参考对照位置。测定图像中的兴趣区的光强度1124和波长偏移1126。测定1128兴趣区的温度，包括测定测试位置以及阳性和/或阴性对照位置的温度。重复由步骤1118到1128指示的过程直至测试结束时。分析1130兴趣区中的温度变化。报告1132基于温度变化的任何显著发现。在一些实施例中，对齐特征的登记和图像之间的变换的计算可执行一次且用于测试，而不是在每个测量环期间执行。
显著细菌分离物的目前测试在12至24小时之间进行，以检测常见病原体中的可能药物抗性。本文讨论的热致变色传感方法使用光学量热法，以监测温育容器例如温育测试孔的温度，且由此测定病原体培养物的生长。讨论的方法可通过显著增加检测灵敏度加速AST，从而提供实时而不是通过终点测量监测细菌生长(或其不存在)的能力。在一些实施例中，当与目前方法相比较时，本文描述的热致变色传感技术的使用可使获得抗生素的最低限度抑制浓度所需的时间减少超过60％、超过70％或甚至超过80％。图12A是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于热光抗微生物敏感性测试的过程的流程图。在患者样品通过血培养仪器(1210)标记为对于生长阳性后，对样品的等分试样实施革兰氏染色(1220)，以将细菌鉴定为革兰氏阴性或革兰氏阳性。在与血培养基分开且以适当浓度重悬浮后，将细菌引入测试容器用于TOAST(1230)。细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1240，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的抗生素。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1250由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移测定1260细菌对不同类型、浓度和/或组合的抗生素的敏感性。
图12B是示出了根据一些实施例用于使用热致变色传感的过程的流程图。在患者样品通过血培养仪器(1210b)标记为对于生长阳性后，对样品的等分试样实施革兰氏染色(1220b)，以将细菌鉴定为革兰氏阴性或革兰氏阳性。例如经由标准生物化学测试或快速质谱法方法，对培养物实施鉴定测试(1230b)。在细菌鉴定后，将细菌引入测试容器用于TOAST(1240b)。细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1250b，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的抗生素。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1260b由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移测定1270b细菌对不同类型、浓度和/或组合的抗生素的敏感性。
图13A是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于细菌鉴定和热光抗微生物敏感性测试的过程的流程图。在患者样品通过血培养仪器(1310)标记为对于生长阳性后，对样品的等分试样实施革兰氏染色(1320)，以将细菌鉴定为革兰氏阴性或革兰氏阳性。在与血培养基分开且以适当浓度悬浮后，将细菌引入测试容器用于鉴定(1330)和TOAST(1350)。对于鉴定1330，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1335，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的测试物质和指示剂物质。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1370由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于例如如图8的描述中说明的谱移，测定1375细菌的鉴定。另外，检测1340起因于在测试物质和指示剂物质的存在下的细菌温育的在生长培养基中的变色。基于生长培养基中的变色测定1345细菌的鉴定。对于TOAST 1350，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1355，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的抗生素。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1360由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移测定1365细菌对不同类型、浓度和/或组合的抗生素的敏感性。
图13B是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于细菌鉴定和热光抗微生物敏感性测试的过程的流程图。在患者样品通过血培养仪器(1310b)标记为对于生长阳性后，对样品的等分试样实施革兰氏染色(1320b)，以将细菌鉴定为革兰氏阴性或革兰氏阳性。在与血培养基分开且以适当浓度悬浮后，将细菌引入测试容器用于鉴定(1330b)和抗微生物敏感性测试TOAST(1350b)。对于鉴定，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1335b，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的测试物质和指示剂物质。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1340b由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移，测定1345b细菌的鉴定。对于TOAST，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1355b，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的抗生素。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1360b由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移测定1365b细菌对不同类型、浓度和/或组合的抗生素的敏感性。
图13C是示出了根据一些实施例使用热致变色传感用于细菌鉴定和热光抗微生物敏感性测试的过程的流程图。在患者样品通过血培养仪器(1310c)标记为对于生长阳性后，对样品的等分试样实施革兰氏染色(1320c)，以将细菌鉴定为革兰氏阴性或革兰氏阳性。在与血培养基分开且以适当浓度悬浮后，将细菌引入测试容器用于鉴定(1330c)和TOAST(1350c)。对于鉴定，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1335c，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的测试物质和指示剂物质。检测1340c起因于在测试物质和指示剂物质的存在下的细菌温育的在生长培养基中的变色。基于生长培养基中的变色测定1345c细菌的鉴定。对于TOAST，细菌在测试容器的测试位置处的培养基中进行培养1355c，其中不同测试位置包含不同类型、浓度和/或组合的抗生素。热致变色材料设置在测试位置处且热联接，以感测细菌的能量转换。检测1360c由测试位置各自处的热致变色材料发出的光的谱移。基于谱移测定1365c细菌对不同类型、浓度和/或组合的抗生素的敏感性。
当存活时，细菌以2pW/细胞的级别生成。由于通过有丝分裂或其他复制机制的培养物生长，茂盛的病原体培养物相应地增加其随着时间过去的能量转换。培养物的抑制或衰退的能量转换输出指示培养物死亡。在抗微生物敏感性测试中，培养物的抑制或衰退的能量转换输出与抗微生物药物的功效有关。使用在本文描述的结合测试容器和/或波长偏移检测器中所述的热致变色传感测试容器的热致变色传感可分辨在约100Hz的取样速率时Δλ≈3fm的波长变化，其提供了约60纳开尔文(nanoKelvin)(nK)的温度变化的分辨。当使用显示出50nm/K的谱移的热致变色材料用14位分辨率取样时，温度测量带宽是约1毫开尔文(milliKelvin)(mK)。图14A显示了曲线图，该曲线图示出了使用本文讨论的波长偏移检测器，在1mK(约290分钟)的热致变色传感的范围内，就不含抗生素(曲线1401)和具有抗生素的最小抑制浓度(MIC)(曲线1402)生长大肠杆菌(E.coli)菌落的时间而言，在温度中的变化ΔT(K)。总测试体积假定为0.1ml，并且初始细菌浓度假定为500000菌落形成单位/ml(cfu/ml)。
图14B显示了对应于菌落生长的前20分钟的曲线图1401、1402的一部分。沿图14B的ΔT轴的网格线指示波长偏移检测器的60nK分辨率。因此，由图14B的曲线图应了解关于测试的前10至20分钟，使用本文公开的方法，可指示足以鉴定关于抗微生物测试的MIC的生长趋势。具体地，不受抑制的菌落生长导致测试位点的温度中的指数增加。测试位点中增加的温度因此指示茂盛的细菌菌落，并且可用作温度参考，以比较受抑制的生长与。受抑制的菌落生长将导致更小的温度增加，或当完全不出现生长时，导致恒定温度。具有受抑制和不受抑制的活物质生长的测试位点因此可通过其随着时间过去的差异温度发展进行鉴定。具有活物质但不含生长抑制剂的测试孔因此在一些实施例中充当阳性对照位点。在抗微生物敏感性测试期间，具有不同抗微生物药物的不同测试位点可显示在不同时间的药物效应。一种药物可比第二药物对微生物更快速起作用，尽管两种药物均可有效抑制目的细菌菌落。因此，与第二药物的功效或第一药物的第二浓度的功效相比较，在不同测试位点处的温度的连续报告可更早告知关于特定药物的功效。因而，测试位点的差异温度的连续报告可充当在该测试位点处的细胞生存的连续表现。与终点测量不同，此类报告系统可连续更新任何用户例如关于目前最佳表现的测试物质。在临床实践中，医生可以自动方式由TOAST系统例如通过电子邮件或短信告知：如果相应孔中的能量转换已对于延长时间持续很低，则关于特定患者的第一有效药物已得到鉴定。同时，与测试位点的温度增加相比较，即使在温箱的温度控制环境内的环境温度也可显著漂移。在一些实施例中，不含活物质的阴性对照位点或孔将用于评价环境温度漂移。
为了评价测试物质抑制活物质生长包括但不限于细菌生长的功效，随着时间过去监测测试位置的温度发展。在测试板最初插入完全温育和读出系统内之后，预期温度将强烈波动，并且忽略初始温度读数。在足够的温度稳定后，阳性对照位置显示温度变化，例如如1401中所示的那种。具有有效抑制活物质生长的测试物质的测试位置显示如1402中所述的温度发展。不仅抑制生长还产生细胞毒性或杀菌效应使得坏死或细胞凋亡或任何其他形式的死亡或活物质代谢中的减少被诱导的测试物质，导致与阳性对照位置相比较测试位置的温度下降。随着时间过去的温度变化一般落入阳性对照位置和阴性对照位置的那种之间。可使用用于测定活物质对测试物质的应答的几种度量。作为简单的非限制性例子，阳性对照位置和测试位置之间的温度差异的绝对值在实验持续时间过程期间保持在某一阈值例如10μK以下，以测定在测试位置处的测试物质的不受抑制的生长。可替代地，相同阈值计算可通过将几个阳性对照位置的温度求平均值来执行。关于受抑制或不受抑制的生长的度量的另一个例子可以是通过对照位置的绝对温度标准化的温度差异。关于度量的另一个例子可以是就时间而言的温度导数的考虑。关于评估程序的另一个例子可以是曲线拟合，例如与温度-时间发展数据的指数生长拟合。关于对照和测试位置的个别拟合参数随后可用于评估测试位置中的活物质的生长或其缺乏。应了解这些仅是可使用的可能数据评估概念的例子，以便从TOAST系统中生成的基础数据中提取有意义的信息。取决于活物质和特定测试的实际意图，可利用这些概念或其他概念。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表达特征大小、量和物理特性的所有数目应理解为在所有情况下由术语“约”进行修饰。相应地，除非有相反的指示，否则在前述说明书和所附权利要求中阐述的数目参数是近似值，其可取决于通过本领域技术人员利用本文公开的教导寻求获得的所需特性而改变。通过终点的数目范围的使用包括在该范围内的所有数目(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及在该范围内的任何范围。

Claims (10)

1.一种装置，所述装置包括：
测试容器，所述测试容器具有配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试位置，其中所述活物质包含细菌、原生生物、真菌、植物细胞、动物细胞和适当宿主细胞中的病毒中的一种或多种；
热致变色材料，所述热致变色材料热联接至所述一个或多个测试位置，所述热致变色材料配置为响应所述热致变色材料的温度中的变化，显示出由所述热致变色材料发出的光中的谱移；以及
一个或多个生物相容层，所述一个或多个生物相容层包括光阻挡层和热传导层中的一种或多种，所述一个或多个生物相容层设置在所述热致变色材料和所述培养基之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述活物质包含古细菌、适当细胞中的噬菌体和培养的组织细胞中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的装置，其中由所述热致变色材料发出的光中的所述谱移包含由所述热致变色材料发出的散射光、反射光和荧光中的至少一种中的谱移。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述热致变色材料用于涂层，所述涂层热联接至所述一个或多个测试位置。
5.根据权利要求4所述的装置，其中：
所述测试容器包括测试板；
所述一个或多个测试位置是所述测试板的测试孔；和
所述涂层是热联接至所述测试孔的所述热致变色材料的层。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述活物质包含培养的癌细胞。
7.一种试剂盒，所述试剂盒包括：
具有多个测试位置的无菌测试容器；
在所述测试位置处由所述测试容器包含的培养基，所述培养基适合于培养活物质，其中所述活物质包含细菌、原生生物、真菌、植物细胞、动物细胞和适当宿主细胞中的病毒中的一种或多种；
热联接至所述测试位置的热致变色材料，所述热致变色材料配置为响应所述热致变色材料的温度中的变化，显示出由所述热致变色材料发出的光中的谱移；以及
一个或多个生物相容层，所述一个或多个生物相容层包括光阻挡层和热传导层中的一种或多种，所述一个或多个生物相容层设置在所述热致变色材料和所述培养基之间。
8.根据权利要求7所述的试剂盒，所述试剂盒还包括在所述一个或多个测试位置处的一种或多种测试物质。
9.根据权利要求8所述的试剂盒，其中所述一种或多种测试物质包含在所述测试位置处的不同类型、不同量和不同组合的药物。
10.一种方法，所述方法包括：
提供具有配置为含有适合于培养活物质的培养基的一个或多个测试位置的测试容器，其中所述活物质包含细菌、原生生物、真菌、植物细胞、动物细胞和适当宿主细胞中的病毒中的一种或多种；
设置热致变色材料，使得它热联接至一个或多个测试位置，所述热致变色材料配置为响应通过所述活物质的能量转换中的增加或减少，显示出由所述热致变色材料发出的光中的谱移，所述能量转换中的增加或减少引起所述热致变色材料的温度中的变化；以及
将一个或多个生物相容层设置在所述热致变色材料和所述培养基之间，所述一个或多个生物相容层包括光阻挡层和热传导层中的一种或多种。
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