CN110537087A - 药敏试验试剂盒 - Google Patents

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Abstract

一种微流体装置可包括形成在基板中的微结构，该微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向主通道的多个腔室。联接到主通道的第一端的至少两个开口可用于通过主通道的第一端将至少两个流体流装载到装置中，以沿着主通道从第一端流到第二端而进入多个腔室中，多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且通过通气孔连接到微结构中的辅助通道，该通气孔的宽度被配置为使得气体能够从腔室逸出到辅助通道，同时抑制所述至少第一和第二流体流进入辅助通道中。

Description

药敏试验试剂盒
本发明的领域
本发明涉及药敏试验，且具体地涉及药敏试验试剂盒。
本发明的背景
抗生素和抗菌素耐药性(AMR)是全球主要的健康问题。由于抗生素的过度使用，某些细菌可能发展为AMR，这可能降低抗生素杀死病原体的能力和抗生素用于减轻由AMR细菌引起的许多疾病的效率。AMR导致每年数百万人长期患病，并且每年在美国花费数十亿美元增加医疗保健费用。
药敏试验(AST)可用于探测病原体的抗性表型并确定抑制病原体所需的抗生素的最小剂量或最小抑制浓度(MIC)。然而，在从收集样品的时间收到AST结果之前，在受试者中探测抗性或非抗性病原体的常规临床试验通常需要两天到一周。例如，收集的样品可能需要24-48小时的孵育才能启动AST。在菌血症和败血症的情况下，可能需要孵育5天的血培养步骤。然后，药敏试验可能需要额外的8-24小时。
当诸如受试人的受试者生病以及诸如医生的医疗保健专业人员可能怀疑受试者有感染时，医生可以启动药敏试验以识别易感/抗性表型。然而，在可以获得药敏试验结果之前，医生可以同时为受试者开一种抗生素，以防止由于长时间接受AST结果导致的病情恶化。抗生素可以大剂量施用，具有广谱活性，以确保其对目标病原体的功效。然而，这种方法可能有助于在临床中出现AMR并且可能损害受试者中的微生物群。
因此，可能需要具有低成本和快速AST试剂盒，其用于快速有效地识别一种或多种抗生素以杀死使受试者生病的病原体、以及与所识别的一种或多种抗生素相关的各种指标以协助医疗保健专业人员。低成本、快速药敏试验试剂盒可以防止向受试者施用大量不必要剂量的广谱抗生素并减少AMR的出现。
本发明的概要
因此，根据本发明的一些实施例，提供了一种微流体装置，其可包括形成在基板中的微结构。微结构可包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向主通道的多个腔室。至少两个开口可以联接到主通道的第一端，以通过主通道的第一端将至少两个流体流装载到装置中，以沿着主通道从第一端流到第二端而进入所述多个腔室中，多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且可以通过通气孔连接到微结构中的辅助通道，通气孔的宽度被配置为使得气体能够从腔室逸出到辅助通道，同时抑制所述至少第一和第二流体流进入辅助通道中。一个或多个保持通道可以联接在主通道和辅助通道之间，以允许主通道中的保持流体流入辅助通道中，同时抑制所述至少两个流体流的流体流入辅助通道中。
根据本发明的一些实施例，微流体装置可包括联接到主通道的第二端的第二端开口，并且其中，保持流体可装载到主通道中。
根据本发明的一些实施例，通向主通道的多个腔室可以布置在沿着主通道的第一侧定位的多个腔室中的第一腔室阵列和基本上与第一阵列相对的沿着主通道的第二侧定位的多个腔室中的第二腔室阵列中。
根据本发明的一些实施例，通气孔可包括一个或多个狭缝。
根据本发明的一些实施例，多个腔室中的一个腔室与主通道之间的开口包括变窄结构。
根据本发明的一些实施例，进一步提供了药敏试验(AST)试剂盒，其可包括形成在基质中的微结构。微结构可以包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向主通道的多个腔室，多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且可以通过通气孔连接到微结构中的辅助通道，通气孔的宽度可以被配置为使气体能够从腔室逸出到辅助通道，同时抑制样品流体流入辅助通道中，其中，多个腔室中的每个腔室包括抗生素，抗生素的浓度取决于沿着主通道的所述多个腔室中的腔室的位置。至少一个第一端开口可以联接到主通道的第一端，并且第二端开口可以联接到主通道的第二端，以使得样品流体能够通过至少一个第一端开口或第二端开口装载到装置中、沿主通道流入多个腔室中、并与每个腔室中的抗生素混合。保持通道可以联接在主通道和辅助通道之间，这可以允许主通道中的保持流体流入辅助通道中，同时抑制样品流体流入辅助通道中，以便隔离多个腔室中的每个腔室中的样品流体的液滴。
根据本发明的一些实施例，样品流体可包括细菌样品溶液。
根据本发明的一些实施例，抗生素可包括抗生素流体。
根据本发明的一些实施例，抗生素可包括冻干的抗生素溶质，并且冻干的抗生素溶质的质量与冻干前的抗生素溶液的浓度相关。
根据本发明的一些实施例，试剂盒可以包括在基板上的至少两个微结构和公共开口，以同时将样品流体装载到至少两个微结构的主通道中。
根据本发明的一些实施例，保持流体可包括空气或FC-40油。
根据本发明的一些实施例，进一步提供了一种用于在微流体装置中形成浓度逐渐变化的液滴的方法，微流体装置包括形成在基板中的微结构，该微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向主通道的多个腔室。该方法可以包括通过联接到主通道的第一端的至少两个第一端开口同时将至少两个流体流装载到主通道中，当至少两个流体流混合时，该流体流可以形成具有沿主通道和通向该主通道的多个腔室的浓度梯度的流体混合物。在用流体混合物装载多个腔室时，可以将保持流体引入主通道中以从主通道清除流体混合物，同时在多个腔室中保持流体混合物的液滴—多个腔室中的每个腔室中具有所述液滴的一个液滴，以便多个腔室中的液滴沿着主通道呈现逐渐变化的浓度。
根据本发明的一些实施例，保持流体可包括通过联接到第一端的清除开口引入到主通道的第一端中以便从主通道清除所述至少两个流体流的流体的剪切流体。
根据本发明的一些实施例，剪切流体可包括空气或油。
根据本发明的一些实施例，该方法可包括使用二维平流-扩散方程计算液滴中的溶质的浓度。
根据本发明的一些实施例，将至少两个流体流装载到主通道中可以包括装载至少两个流体流，其中，至少两个流中的每个包括相同的抗生素。
根据本发明的一些实施例，将至少两个流体流装载到主通道中可以包括装载至少两个流体流，其中，至少两个流中的每个包括不同的抗生素。
根据本发明的一些实施例，液滴可包括抗生素。
根据本发明的一些实施例，该方法可包括冻干液滴以形成冻干的抗生素溶质，其中，冻干的抗生素溶质的质量与冻干前的液滴中的抗生素的浓度相关。
根据本发明的一些实施例，进一步提供了用于抗生素敏感性试验的方法。用于抗生素敏感性试验的方法可包括获得药敏试验(AST)试剂盒，其可包括：形成在基板中的微结构，该微结构可以包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向主通道的多个腔室，多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且通过通气孔连接到微结构中的辅助通道，通气孔的宽度可以被配置为使气体能够从腔室逸出到辅助通道，同时抑制细菌样品溶液流入辅助通道中，其中，多个腔室中的每个腔室包括抗生素，抗生素的浓度取决于沿着主通道的所述多个腔室中的腔室的位置。至少一个第一端开口可以联接到主通道的第一端，并且第二端开口可以联接到主通道的第二端，以使得细菌样品溶液能够通过至少一个第一端开口或第二端开口装载到装置中、沿主通道流入多个腔室中、并与每个腔室中的抗生素混合。保持通道可以联接在主通道和辅助通道之间，这允许主通道中的保持流体流入辅助通道中，同时抑制细菌样品溶液流入辅助通道中，以便隔离所述多个腔室中的每个腔室中的细菌样品溶液的液滴。细菌样品溶液可以装载到主通道中并进入通向主通道的多个腔室中，从而允许细菌样品溶液与多个腔室中的每个腔室中的液滴中的抗生素混合。在用细菌样品溶液装载多个腔室时，可将保持流体装载到主通道中以从主通道清除细菌样品溶液，并进入辅助通道中，以便将细菌样品溶液的液滴与多个腔室中的每个腔室中的抗生素隔离。
根据本发明的一些实施例，将细菌样品溶液装载到主通道中可以包括通过联接到主通道的第一端的至少两个第一端开口或在主通道的第二端处的第二端开口装载细菌样品溶液。
根据本发明的一些实施例，抗生素可包括冻干的抗生素溶质。
根据本发明的一些实施例，用于抗生素敏感性试验的方法可以包括在成像系统中监测和获取关于多个腔室中的每个腔室中的细菌样品溶液的隔离液滴中的细菌生长的数据。在处理器中，可以分析所获取的数据，并且可以基于抗生素和多个腔室中的每个腔室中的隔离液滴中的抗生素的浓度来计算关于细菌生长的抑制的信息。在输出装置中，可以输出信息。
根据本发明的一些实施例，监测细菌的生长可以包括使用显微镜对多个腔室中的每个腔室中的隔离液滴中的细菌细胞成像。
根据本发明的一些实施例，液滴中的细菌样品溶液可包括荧光指示剂，并且监测细菌的生长可包括分析来自指示剂的荧光。
根据本发明的一些实施例，荧光指示剂可包括刃天青(resazurin)。
根据本发明的一些实施例，该信息可包括抗生素的最小抑制浓度(MIC)。
根据本发明的一些实施例，该信息可包括关于抗生素和细菌的S/I/R测定。
根据本发明的一些实施例，监测细菌的生长包括使用成像系统以计数所述多个腔室中的每个腔室的平均细菌数。
附图的简述
为了更好地理解本发明并且为了理解其实际应用，下文提供并参考下面的附图。需指出，附图仅作为示例给出，并且决不限制本发明的范围。相同的部件用相同的附图标记表示。
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置；
图2A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置的横截面；
图2B示意性地示出了图2A中所示的微流体装置的腔室的变体，其中，腔室具有变窄的入口；
图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置中的稳态二维浓度分布图；
图4A示出了根据本发明的一些实施例的沿微流体装置中的主通道的长度的多个腔室中的溶质的归一化浓度的曲线图；
图4B示出了根据本发明的一些实施例的具有不同佩克莱特数的沿微流体装置中的主通道的长度的多个腔室中的溶质的归一化浓度的曲线图；
图5为说明根据本发明的一些实施例的用于在微流体装置中形成具有逐渐变化的溶质浓度的液滴的方法的流程图；
图6A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的具有主通道和装载有低浓度和高浓度流体流的腔室的微流体装置；
图6B示意性地示出了根据本发明的一些实施例的装载有保持流体以从主通道清除流体流的微流体装置；
图6C示意性地示出了根据本发明的一些实施例的在多个腔室中具有冻干的抗生素溶质的微流体装置；
图7A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置，其中，冻干的抗生素溶质溶解在装载到主通道中的细菌样品流体中；
图7B示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置，其中，细菌样品流体通过装载到主通道中的保持流体而密封；
图7C示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于药敏试验(AST)的微流体装置；
图8示意性地示出了根据本发明的一些实施例的药敏试验(AST)试剂盒的示例性实施例；
图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的具有至少两个固定纳升液滴阵列(SNDA)的AST试剂盒；
图10示意性地示出了根据本发明的一些实施例的AST分析系统；以及
图11为说明根据本发明的一些实施例的在微流体装置中的多个腔室中具有逐渐变化的抗生素浓度的药敏试验方法的流程图。
本发明的详述
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序、部件、模块、单元和/或电路，以免模糊本发明。
尽管本发明的实施例在这方面不受限制，但是利用诸如例如“处理”、“运算”、“计算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”的术语，可以指的是计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算装置的操作和/或过程，其操控表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理量的数据和/或将其转换为类似地表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理量的其他数据或可存储指令以执行操作和/或过程的非暂时性存储介质(例如，存储器)的其他信息。尽管本发明的实施例在这方面不受限制，但是本文使用的术语“多个”和“多个”可以包括例如“多个”或“两个或更多个”。在整个说明书中可以使用术语“多个”或“多个”来描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等。除非明确说明，否则本文描述的方法实施例不受特定顺序或序列约束。另外，所描述的方法实施例中的一些方法实施例或其元件可以在同一时间点同时发生或同时执行。除非另有说明，否则本文使用的连词“或”的使用应理解为包含性的(任何或所有所述选项)。
本文描述的本发明的一些实施例包括用于制造和使用基于微流体装置的药敏试验(AST)试剂盒的方法和装置，该微流体装置包括通向微流体装置中的主通道的多个腔室的阵列。这些微流体装置在本文中也可称为固定纳升液滴阵列(SNDA)，因为多个腔室中的每个腔室可被配置为保持一定容积的液体(也称为纳升级的液滴)。由于腔室容积小且化学隔离，因此在AST试剂盒的不同抗生素条件下可检测到少量细菌细胞。
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置10。微流体装置10或固定纳升液滴阵列(SNDA)10可包括用于密封微流体装置10的第二基板22。通常，第二基板22可以永久地粘结到基板20、可从基板20移除或者可以与基板20成一体(例如，由连续的材料片形成)。在一些实施例中，基板20和/或第二基板22可以为透明的，以使得能够观察微流体装置10的内部。第二基板22可包含一个或多个端口或开口，以使流体(例如，空气、样品流体或流体密封剂)能够被引入微流体装置10的内部或从微流体装置10的内部移除，诸如例如从移液管的尖端引入或移除。
微流体装置10可包括基板20。基板20可以由各种材料制成。例如，基板20可以由聚合物制成，诸如例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS或二甲聚硅氧烷)或其他合适的聚合物或材料制成。基板20可包括一个或多个微结构30。微结构30可包括各种凹口或挖空的微结构图案，其包括主通道90、一个或多个辅助通道80、从主通道90分支的腔室60、以及由分隔壁70分开的通气孔100。微结构30可以直接或间接地搁置在基板20上。基板20可以由与微结构30的材料相同的材料或类似的材料构成或包括与微结构30的材料相同的材料或类似的材料。基板20可以由与微结构30不同的材料构成，例如，微结构30为预制的并且附接到单独的基板。
微流体装置10可包括入口通道115(例如，图1中所示的两个入口通道115)和形成在基板20中的清除通道125。入口通道115中的流体流可以通过入口通道开口110(例如，来自两个相应入口通道115的两个开口110)在主通道90的第一端170处进入主通道90，如图1的插图107所示。类似地，清除通道125中的任何保持流体可以通过清除通道开口120在主通道90的第一端处进入主通道90，如插图107所示。保持流体可以通过一个或多个保持通道130装载到辅助通道80中。清除通道125和清除通道开口120的宽度可以基本上小于入口通道115和入口通道开口110的宽度，以便为流回到清除通道125中的主通道90中的流体提供更高的流体静力阻力。
微结构30可以在各种制造工艺中制造，诸如例如与软光刻相关的工艺。与软光刻相关的工艺可以包括使用例如光刻、电子束、微机械加工或其他技术来构造母版，例如以母板或模具的形式。可以将诸如PDMS的弹性体倾倒、旋转铸造或以其他方式施加到母板或模具中并固化(例如，通过施加热或紫外光)或硬化。一旦固化或硬化，弹性体可以从母版或模具上剥离或以其他方式移除，从而产生一组与母版上的微结构图案相反的微结构图案。剥离的PDMS模具可以用作微流体装置，或者它可以用作印模以将母版的图案和结构转印到另一个表面或平台。
在本发明的一些实施例中，微流体装置10可使用深反应离子蚀刻(DRIE)技术制造。DRIE为一种各向异性蚀刻工艺，其可用于在基板中形成深穿透、陡峭的孔或沟槽。DRIE可以为低温的(即，其中，在化学蚀刻之前将基板预冷却)，或者可以使用波希工艺(脉冲或时间复用蚀刻)。DRIE可以与其他工艺一起实现更高分辨率，这可以使微流体装置10能够在宽范围的压力下操作。
微结构30可以使用其他或另外的工艺制造。微结构30可以为单层或多层的。微结构图案可以被配置成为微流体装置10提供功能。取决于旨在与微流体装置10一起使用的样品、试剂或其他流体(例如，样品流体或流体密封剂)的性质，一个或多个微流体装置10可以采用不同的微结构图案。微流体装置10可以使用不同的微结构图案，例如，取决于微流体装置10的外部环境或其他标准。
微结构30可包括微流体装置中的通道、泵、阀、腔室、腔室、通气孔或其他部件。
每个腔室60可包括将腔室60连接到主通道90的开口。流体可以经由主通道(并且经由基板20中的开口或流体可以通过其从外部微流体装置10引入微结构30中的其他地方)。例如，可以将样品流体注入基板20中的开口中，该开口直接或间接(例如，经由居间通道)连接到主通道90。
在将流体引入腔室中之前，腔室可能先前已由气体(例如空气)或另一种流体填充，该流体的粘度明显低于样品流体。例如，在填充流体之前，微流体装置可以保持在排除空气的受控气氛或环境中。
每个腔室60可以经由通气孔100连接到辅助通道80(本文也称为抽空通道)。抽空通道直接或间接(例如，经由居间通道)连接到盖子(或其他地方)中的开口，该开口通向周围环境。
通气孔100通常位于腔室60的与开口主通道90相对的一侧上，或者位于腔室60的任何其他侧上(使得通气孔100不通向主通道90)。通气孔100可包括一个或多个窄缝的布置，该窄缝将腔室的内部连接到抽空通道。每个狭缝的结构使得空气可以容易地通过狭缝从腔室流入抽空通道中。然而，狭缝足够窄以抑制或防止样品流体通过狭缝离开腔室，而无需施加明显大于施加以引入样品流体的压力的压力。在没有这种较大压力的情况下，各种力(例如，表面张力或拉普拉斯压力、粘合力和环境压力中的一者或多者)阻止样品流体通过狭缝向外移动到抽空通道。下文将每个这样的狭缝称为通气孔。因此，通气孔结构包括单个通气孔，并且可包括一个或多个另外的通气孔。如本文所用，在流体被引入微结构中的给定压力下，当防止流体流过通气孔时，通气孔100被认为抑制了流体的流动。
在本发明的一些实施例中，微流体装置10中的每个腔室60可包括通气孔100和抽空通道，这可优于具有不同结构的装置。由于将流体引入主通道90中，通气孔100可使空气(通常在大气压或接近大气压的压力下的另一气体)容易地通过通气孔100从腔室60排出。在没有这种通气孔且没有施加高压的装置中，预先填充腔室的流体(例如空气)的气泡可能阻止样品流体完全填充腔室。
在本发明的一些实施例中，可以将具有抗生素的溶液或例如流体或溶液中的抗生素溶质装载到主通道中，其中，至少两个流体流在主通道90的第一端处通过至少两个相应的开口110。至少两个流体流可包括例如不同浓度的相同抗生素溶质。当流体混合物从主通道90的第一端170流到第二端175时，至少两个流体流中的平流和扩散的组合可以引起流体混合物中的抗生素溶质中的浓度梯度。因此，例如，具有不同浓度的抗生素溶质的抗生素溶液沿着表示从主通道的第一端到第二端的抗生素溶液中的抗生素溶质的浓度梯度(例如，流体混合物)的主通道90的长度装载到多个腔室60中的每个腔室中。
在本发明的一些实施例中，单一浓度的单一抗生素可以通过一个入口通道115装载到主通道90中，以便将单一浓度的抗生素溶液引入多个腔室60中的每个腔室中(例如，腔室60中没有抗生素浓度梯度)。
虽然这里所示的微流体装置10可用于沿主通道90形成浓度梯度以进行药敏试验，但这不是对本发明的实施例的限制。本文教导的实施例还可以用于其他细胞毒性/药物筛选测定，诸如评估癌细胞对化学疗法的易感性。它们还可以用于研究应用，诸如例如研究生长因子梯度对干细胞的影响或监测T细胞活化对许多因素的影响。
可以使用剪切流体(诸如例如油或空气)从主通道中清除留在主通道中的过量抗生素溶液。剪切流体可以引入清除通道125中，并且可以通过清除通道开口120在主通道90的第一端处进入主通道90，如插图107所示。例如，剪切流体也可以引入入口开口115中，并且可以进入主通道90。因此，过量的抗生素溶液可以从主通道90中清除，同时在多个腔室60中保持多个抗生素流体的液滴。从主通道的第一端到第二端保持在多个腔室60中的多个液滴中的每个液滴可具有这样的抗生素溶质的浓度，其表示从主通道的第一端到第二端的抗生素溶液中的抗生素溶质的浓度梯度。在一些情况下，使用空气(例如，代替油)作为剪切流体可以使得能够重新使用液滴阵列用于后续测定，例如通过冻干(冷冻干燥)或通过将腔室60与主通道90重新连接以进行额外的流程步骤。
在本发明的一些实施例中，至少两个流体流可包括不同的抗生素或流体混合物中的不同抗生素溶质，并且不限于一种抗生素或一种溶质。以这种方式，多个腔室中的每个腔室可以包括来自流体混合物的不同浓度的一种或多种溶质(例如，不同抗生素的混合物中的一种或多种抗生素)。
图2A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置10的横截面150。长度为L和半宽度为a的主通道90可以沿着x轴定向，如图1所示，主通道90的中心可以放置在y＝0处。主通道90的第一端170可以位于x＝0处，并且主通道90的第二端175可以位于x＝L处。图2A示出了微流体装置10在X-Y平面中的横截面150。
多个腔室60可以布置在第一阵列152和第二阵列154中，其中，腔室60的第一阵列152和第二阵列154可以沿y轴基本上彼此相对地定向。如图1所示，第一阵列152和第二阵列154中的每个腔室60可以具有沿y轴的高度H。第一阵列150中的每个腔室60可以沿y轴从y＝-a到y＝-a-H定位。类似地，第二阵列160中的每个腔室60可以沿着y轴从y＝a到y＝a+H定位。
在本发明的一些实施例中，可用于药敏试验试剂盒的固定纳升液滴阵列10可包括例如100-10000个腔室，其中，多个腔室60中的每个腔室可保持小于100nL或例如为8nL的流体容积。然而，对于其他微流体应用，流体容积可小于100nL。从主通道90分支的多个腔室60中的每个腔室可具有400μm×200μm×100μm(例如，L×W×H)的尺寸。需指出，腔室60的高度尺寸H为垂直于横截面150中所示的X-Y平面的尺寸。主通道90可具有分别对应于Wp＝2a和Hp＝H的300μm和100μm的尺寸。
分别具有低浓度溶质CL和高浓度溶质CH的低浓度流体流155和高浓度流体流160可以经由入口开口115在x＝0处引入或装载到主通道90中。两个流体流可以在主通道90中合并，并且可以在两个流体流从主通道90的第一端170移动到第二端175时混合。当流体混合物沿主通道90的长度向下平流时(例如，沿x方向)，溶质可沿通道宽度(例如，沿y方向)扩散。
由于在主通道90中混合的不同溶质浓度的两个流体流，所以只要保持流速U，就可以产生具有浓度分布C(x，y)的稳态梯度。来自多个腔室60的每个腔室可以在主通道90的与每个腔室接触的截面中对溶质的浓度进行采样。因此，每个腔室60中的溶质浓度可以为沿主通道的位置的函数。第一阵列152中的腔室60(例如，更接近高浓度流体流160)可以从主通道90的第一端170到第二端175采样更高到中等浓度值的溶质。类似地，第二阵列154中的腔室60(例如，更接近低浓度流体流155)可以从主通道90的第一端170到第二端175采样更低到中等浓度值的溶质。
本发明人开发了一种分析模型来描述稳态下主通道90中的浓度分布C(x，y)。对于溶质的扩散系数D，该模型可以假设在稳态下完全显影的流场，以使用如方程(1)中所述的仅在方向上具有平流的二维平流-扩散方程来解释主通道90中的质量传输：
(1)
对于梯度产生，可以假设方向上的平流与仅在方向上的扩散在相同的时间尺度上，并且可以假设方向上的轴向扩散可以忽略不计，使得方程1可以简化为：
(2)
采用流场的欧拉规范并考虑适当的边界条件，可以求解方程(2)以产生主通道90中的溶质的梯度浓度分布，如下面的方程(3)，其中，erf算子为高斯误差函数：
(3)
在一些情况下，提供从主通道90到微流体装置10的每个腔室的窄入口可能是有利的。例如，使入口变窄可以防止或抑制在装载过程中从一个腔室到另一个腔室的主动混合试剂的平流。
图2B示意性地示出了图2A中所示的微流体装置的腔室的变体，其中，腔室具有变窄的入口；
在所示的示例中，腔室60a-60c分别设置有通向通道90的窄开口62a至62c。例如，窄开口62a为对称的，而窄开口62b和62c为不对称的。窄开口62a和62b设有楔形变窄结构，而窄开口62c设有扁平变窄结构。可以使用上述特征的组合或者变窄结构的其他配置。
图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置10中的稳态二维浓度分布图200。轮廓图200示出了微流体装置10中的多个腔室60中的每个腔室的溶质样品的相对浓度，其基于来自具有不同浓度的至少两个流体流中的溶质的平流-扩散的浓度梯度(例如，低浓度流体流155和高浓度流体流160)。映射键205示出了基于方程(3)的分析模型从模拟生成的主通道90中的流体混合物中的溶质的归一化浓度。腔室60的第一阵列152可以包括在第一端170处采样的较高浓度的溶质至在主通道90的第二端175处采样的中等浓度的溶质。腔室60的第二阵列154可以包括在第一端170处采样的较低浓度的溶质至在主通道90的第二端175处采样的中等浓度的溶质，如图3所示并且如前所述。
图4A示出了根据本发明的一些实施例的沿微流体装置10的主通道90的长度的多个腔室60中的归一化溶质浓度的曲线图250。曲线图252为腔室60的第一阵列152中沿着主通道的长度从x＝0到x＝L的归一化浓度。曲线图254为腔室60的第二阵列154中沿着主通道的长度从x＝0到x＝L的归一化浓度。图4A将方程(3)的分析模型与基于时域中二维对流-扩散方程(1)的计算模型的数值模型进行比较。图4A中的曲线图252和254中所示的数值模型为计算时域模型的稳态解，其表现出与方程(3)的分析模型一致。
图4B示出了根据本发明的一些实施例的具有变化的佩克莱特数的沿微流体装置10的主通道90的长度的多个腔室60中的归一化溶质浓度的曲线图260。佩克莱特数Pea为无单位参数，其可用于描述在假设U的平均流速下在主通道90中流动的流体混合物中溶质的平流传输速率与扩散传输速率的比率。佩克莱特数由Pea＝UD/La2给出。对于Pe＝0.5，浓度梯度分布图中的溶质的几乎每个归一化浓度可以在腔室60的第一阵列152和第二阵列154中的每个腔室中沿着主通道90的长度从x＝0到x＝L被采样。换句话说，多个腔室60中的每个腔室将在CH和CL的所选限制之间采样溶质浓度。在图4A和4B所示的实施例中，CL＝0，从0到1归一化。
由每个腔室采样的溶质的浓度可以通过上述计算分析精确地确定。在先前的分析中，为了概念清晰，在先前的分析中使用了一个溶质和两个流体流。然而，这不是对本发明实施例的限制，因为根据在图1-4中所述的实施例，可以将至少两个流体流中的任何数量的溶质引入主通道90中以形成具有浓度梯度的流体混合物。这些方法可以用于例如AST试剂盒中，其中，在每个腔室60中采样的溶质可以包括抗生素，其中，可以在微流体装置10中的多个腔室60中的每个腔室中精确地确定抗生素的浓度。此外，可以在至少两个流体流中的每个流体流中使用不同的抗生素，例如，使得每个腔室中的溶质浓度可以为一种或多种抗生素的组合。
图5为说明根据本发明的一些实施例的在微流体装置10中形成具有逐渐变化的溶质浓度的液滴的方法300的流程图。方法300包括在基板20中形成微结构30，该微结构包括具有第一端170和第二端175的主通道90、以及通向主通道90的多个腔室60，通过联接到主通道90的第一端170的至少两个第一端开口110将至少两个相应流体流155、160同时装载305到主通道90中，当所述至少两个流体流混合时，形成沿主通道90和通向主通道90的多个腔室60具有浓度梯度的流体混合物。
方法300包括在用流体混合物装载305多个腔室60时，将保持流体402(参见图6B)引入310到主通道90中以从主通道90清除流体混合物，同时保持多个腔室60中的流体混合物的液滴405(参见图6B)-多个腔室中的每个腔室中具有所述液滴405的一滴液滴，以便在多个腔室60中的液滴405中沿着主通道90呈现逐渐变化的浓度。
在如图1-3所示的微流体装置中形成具有逐渐变化的浓度的液滴的实施例仅是示例性的，而不是对本发明实施例的限制。例如，在一些实施例中，至少两个相应外管中的至少两个流体流155、160可以在单个外管中连接和混合，其可以经由一个入口通道开口(例如，通过入口通道开口110中的一个入口通道开口)引入主通道90中。
图6A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的具有主通道90和装载有低浓度流体流155和高浓度流体流160的腔室60的微流体装置400。
图6B示意性地示出了根据本发明的一些实施例的装载有保持流体402以从主通道90清除流体流的微流体装置400。例如，诸如空气的保持流体402可以通过主通道90的第一端170处的清除通道125和/或通道115注入，或者通过主通道90的第二端175注入，同时保持和隔离相应多个通道60中的多个液滴405。多个液滴405可包括逐渐变化的溶质浓度，其指示通过至少两个流体流中的溶质的平流和扩散形成的浓度梯度。
在将微流体装置10用于AST试剂盒时，每个液滴405可包括例如一种或多种抗生素溶质。如果抗生素液滴保持液态，抗生素的有效性可能会随着时间的推移而降低。因此，一旦多个腔室装载有抗生素液滴，就将液滴冻干或冷冻干燥，以产生冻干的抗生素溶质，使得AST试剂盒可以储存更长的时间。
图6C示意性地示出了根据本发明的一些实施例的在多个腔室60中具有冻干的抗生素溶质410的微流体装置420。为了在SNDA 10的每个腔室60内冻干抗生素液滴405，例如，可以在-80℃下将腔室阵列冷冻40分钟，然后可以将其放入真空腔室中以用于在冷冻机中过夜冻干。
冷冻后，如图6C所示的冻干的抗生素溶质410可以保留在多个腔室60的每个腔室中，其中冻干的抗生素溶质的质量与冻干前的液滴中的溶质的浓度成比例，其中，每个腔室中的抗生素的质量例如根据方程(3)的分析模型控制并精确地知道。
在本发明的一些实施例中，在多个腔室60中的每个腔室中制备具有SNDA 10的AST试剂盒之后，其中SNDA 10包括逐渐变化的冻干抗生素的质量，样品流体中的细菌可以注入主通道90中并进入每个腔室60中。冻干的抗生素溶质可以溶解在细菌样品流体中。通气孔100允许样品流体中的空气进入辅助通道80，同时抑制样品流体流入辅助通道80中。
图7A示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置420，其中，冻干的抗生素溶质410溶解在装载到主通道90中的细菌样品流体422中。
图7B示意性地示出了根据本发明的一些实施例的微流体装置425，其中，细菌样品流体422由装载到主通道90中的保持流体430密封。在用样品细菌流体422填充主通道90和每个腔室60时，可以将诸如FC-40油的保持流体430装载到主通道90中，从而从主通道90清除细菌样品流体422。参考图1，例如，细菌样品流体422和FC-40油430都可以通过通道125、90和/或115引入。
在主通道90的第二端处，仅FR-40油430或具有明显较低表面张力的物质可通过一个或多个保持通道130进入辅助通道80中。保持通道130的间隙尺寸被配置为基于样品流体422的表面张力来抑制细菌样品流体422流入辅助通道80中，这在一个或多个保持通道130处的样品界面上形成拉普拉斯压力，但是，允许具有比样品流体422明显更低的表面张力的FR-40油430通过一个或多个保持通道130。以这种方式，由于主通道90和辅助通道80中的保持流体，细菌样品流体液滴可以通过不混溶的屏障完全密封在每个腔室60中。然而，辅助通道80也可以通过任何合适的方式填充在微结构30中形成的外部入口通道中。
图7C示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于药敏试验的微流体装置435。在药敏试验中，已知质量的冻干抗生素溶质可以溶解在每个密封腔室60中的细菌样品流体液滴中。在没有溶解的抗生素溶质的情况下，例如，密封在具有约8nL容积的给定腔室中的液滴中的细菌数量可以生长和增殖。通常，细菌样品流体的特征在于每单位容积的细菌菌落形成单位(CFU)的数量。
抗生素可分为抑菌或杀菌。在抑菌抗生素中，细菌的数量可以保持静止或不增加。在杀菌抗生素中，细菌在密封腔室内被杀死。在任何一种情况下，可以通过在高倍显微镜下观察细菌数量或通过使用其他光学方法(诸如荧光与二级报告子)来光学监测细菌的生长，以识别细菌数量是否增加和/或评估密封在多个腔室60中的每个液滴内的细菌培养物的状态。
在快速药敏试验中，可以以预定的时间间隔监测和采样腔室中的细菌数量。可以对细菌菌落数据应用统计分析以确定自密封液滴以来是否已经过足够的时间以评估抗生素的特定质量和/或浓度是否已成功抑制细菌生长，以及抗生素的断点或阈值质量是多少以确定抑制细菌生长的治疗成功或失败。与标准AST方法相比，本文所示的AST试剂盒中使用的该方法在评估抑制细菌生长的治疗成功或失败方面提供了更少的时间。
在本发明的一些实施例中，断点或阈值质量或浓度可以被称为给定抗生素作用于给定细菌基因型的最小抑制浓度(MIC)。可以使用标准化的基于阈值的评估方案，其中，抗生素或药物有效性的程度可以表征为取决于MIC值的“易感”、“中间”和“抗性”(例如，S/I/R测定)。需指出，抗生素的浓度和冻干的抗生素溶质的质量为可互换使用的度量，因为腔室60的容积保持恒定，因此抗生素的浓度和质量与已知常数直接和线性相关。
在本发明的一些实施例中，AST试剂盒(例如，微流体装置435)可以为光学透明的。例如，每个腔室60可以标记有识别号，其中，抗菌剂的类型、抗生素的浓度和/或冻干抗生素的质量在每个腔室中是先验已知的。微流体装置435可以以足够的放大率放置在显微镜和/或成像系统下，并且可以被配置为以预定的时间间隔对多个腔室60中的每个腔室成像。图像处理技术可用于确定CFU/容积的数量，或使用每个腔室中的一些相关参数/报告来评估细菌培养物的状态。用于对多个腔室中的每个腔室中的细菌成像的系统通常需要600的放大率，而本文描述的图像系统可以使用10的放大率。
在本发明的一些实施例中，处理单元(诸如计算机)可以被配置为以每个预定义的时间间隔分析每个腔室60中的抗生素的CFU的数量/容积或与浓度和/或质量相关的一些参数。关于抗生素的MIC和S/I/R测定可以从该数据确定。
在本发明的一些实施例中，细菌细胞未成像。然而，分子或化学指示剂可以引入细菌样品流体中并随后引入密封的液滴中，其中，指示剂的性质可以基于细菌的一些输入而改变。例如，细菌的存在可致使指示剂在被细菌的代谢酶还原时发荧光和/或可致使指示剂根据例如培养基的pH改变颜色。荧光强度可以与CFU的数量/容积成比例。
在本发明的一些实施例中，细菌样品流体可与刃天青混合，以允许使用者或成像系统光学检测冻干抗生素与给定腔室中的样品流体混合的剂量或质量是否杀死细菌。刃天青为比色和荧光染料，其毒性极低并且通常用于细胞活力测定。
刃天青与样品流体中的试卤灵的不可逆反应可产生样品流体从蓝色变为红色，此外还有与未还原的对应物不同的还原分子表现出红色荧光。当暴露在绿光下时，刃天青会发出荧光。在生长培养物中，该反应以与培养基中细胞的有氧呼吸成比例的速率发生。由于荧光检测系统的高灵敏度，刃天青可用于监测单个细菌的生存力，而无需对单个细胞进行成像。这可以绕过对高分辨率光学器件的需要，并且可以允许高吞吐量扫描和并行化。
在本发明的一些实施例中，可以将包括分子或化学指示剂(诸如例如刃天青)的细菌样品流体422装载到微流体装置中，通过保持流体430(例如，FR-40油)将其与冻干的抗生素410和密封在每个腔室60中的细菌样品液滴混合。可以以预定的时间间隔监测微流体装置435中的每个腔室60，以便当抗生素影响细菌样品流体时监测刃天青的状态的变化。对于没有细菌生长或细菌生长水平低的液滴，刃天青的状态可以保持不变，例如，与细菌样品流体422中的颜色和荧光水平相似，其中，抗生素和抗生素的浓度可以在治疗上成功抑制细菌生长。然而，图7C中所示的腔室中的一些液滴可具有细菌生长的增殖，这表明抗生素和/或抗生素浓度可能在治疗上无效，其中，降低的刃天青(例如，降低的刃天青液滴427)表现出更高的荧光强度。
微流体装置435可以放置在成像系统中，该成像系统被配置为例如用绿光照射样品，并且以预定的时间间隔对来自多个腔室60中的每个腔室中的还原的刃天青的荧光成像。图像处理技术可用于确定每个腔室中的CFU的数量/容积。
在本发明的一些实施例中，处理单元(诸如计算机)可以被配置为在抗生素的浓度和/或质量的情况下以每个预定义的时间间隔分析每个腔室60中的抗生素的CFU的数量/容积。关于抗生素的MIC和S/I/R测定可以从该数据确定。
图8示意性地示出了根据本发明的一些实施例的药敏试验(AST)试剂盒500的示例性实施例。如图1所示，AST套件500可以包括具有微结构30的SNDA 10，其作为用于简单的井装载和固定液滴形成的基础平台。每个阵列(例如，第一阵列152和第二阵列154)可以包括100个腔室，每个腔室拥有8nL的容积，并且每个腔室通向主通道90。腔室60的尺寸例如可以为200μm×400μm×100μm(W×L×H)，并且主通道90为300μm宽，而通气孔100为2-5μm宽。可以设定腔室60的容积，使得标准AST细胞浓度(5×105CFU/mL)将产生每个腔室平均4个CFU。
可以使用常规实验腔室微量移液管510一步注射双塞溶液来装载细菌样品流体515和FC-40油520(例如，保持流体)。细菌样品流体515可以为约1.6μL的5×105CFU/mL的细菌悬浮液，其包括例如10％的刃天青。可以使用容积约为3μL的FC-40油520。简单地通过将各个流体按顺序吸入微量移液管510中来实现双塞溶液。
图8中所示的双塞解决方案可以经由清除通道125或经由主通道90的第二端处的开口525按顺序装载到主通道90中。在通过清除通道125在微量移液管510中排出双塞溶液时，细菌样品流体515(例如，第一塞)可以装载到主通道90中并且装入多个腔室60中的每个腔室中。可以通过每个腔室60中的通气孔100实现低压装载，从而允许腔室中的空气通过通气孔100逸出到辅助通道80中，使得腔室中的空气逐渐被细菌样品流体515替换，如图8的放大530所示。因此，例如，使用微量移液管510的手动低压装载可以以这种方式进行。
在本发明的一些实施例中，多个腔室60中的每个腔室可以包括具有逐渐变化的冻干抗生素质量的阵列。例如，如图6C所示的冻干的抗生素溶质410不会抑制空气通过通气孔100的运动。
在本发明的一些实施例中，多个腔室60中的每个腔室可包括具有逐渐变化的抗生素流体浓度的阵列(例如，未冷冻干燥)。
在具有细菌样品流体515的第一塞流入主通道90并进入腔室60之后，包括FC-40油520的第二保持流体塞可以流入主通道90中并且可以使腔室60与不混溶的屏障隔离，从而有效地使细菌样品流体515离散化为隔离的液滴，在该液滴中，溶解有已知浓度的抗生素。此外，当FC-40油520沿主通道流下时，FC-40油520通过保持通道130进入主通道的第二端处的辅助通道80(参见图1)并填充辅助通道，从而将腔室60中的液滴与如图7C所示的FC-40油430中的两侧隔离。FC-40油520为氟化油，其可以将溶解的氧输送到隔离腔室中的每个细菌液滴，同时防止腔室60中的流体蒸发。
一旦装载AST试剂盒500，就可以以预定的时间间隔监测每个隔离液滴中细菌菌落的生长或抑制，以评估该测定中的细菌数量和增殖。
在本发明的一些实施例中，例如，通过针对不同的抗生素条件分析每个腔室60内的荧光，可以获得细菌数量和增殖数据。
在本发明的一些实施例中，阳性和阴性对照数据可用作评估该测定中细菌数量和增殖的参考。阳性对照数据可包括不含抗生素的细菌样品流体液滴，以用于评估AST试剂盒500中可能的细菌代谢或增殖的最高水平。相反，阴性对照数据可包括具有非常高浓度抗生素的细菌样品流体液滴，以评估AST试剂盒500中可能的细菌代谢或增殖的最低可能水平。然后可以将细菌数量和增殖数据常规药敏试验与阳性和阴性对照数据参考进行比较。
在本发明的一些实施例中，成像系统可以用于对AST套件500中的每个腔室60中的细菌细胞成像，并且可以使用处理单元执行图像处理技术以计数每个腔室60的细菌细胞的数量。可能需要阳性和阴性对照数据参考来分析数据。
对于抑菌和/或杀菌抗生素，抑菌抗生素的基线(例如阴性对照数据参考)可能更高，但数据提取和分析的方法对于抑菌和杀菌抗生素可以是相同的。
在本发明的一些实施例中，对于使用SNDA 10中的每个腔室的相对荧光强度的细菌数和增殖数据的情况，可以获得并分析在每个预定时间间隔的相对细菌数值和/或细菌数值的斜率。可以通过应用任何合适的拟合函数来平滑该数据。
在本发明的一些实施例中，可以测试多个腔室60中的每个腔室中的不同抗生素浓度。MIC(最小抑制浓度)可包括最低抗生素浓度，其可表现出抑制细菌的增殖和代谢达预定阈值90％或更高，例如，与归一化为阴性对照数据参考的阳性对照数据参考相比。从这里，这些MIC值可以被解释为S/I/R测定，其可以为进行药敏试验的准确和定量方法。
在本发明的一些实施例中，可以测试单一“关键”或断点抗生素浓度。如果细菌菌落的增殖和代谢可以被抑制90％的预定阈值或更高，例如，与归一化为阴性对照数据参考的阳性对照数据参考相比，则细菌可以被认为是易感的。如果不是，则可以认为细菌具有抗性。这种方法可能不是进行药敏试验的最佳方法，其将结果限制在两个S/I/R类别(易感/抗性)。在比较不同的抗生素时，医生等医疗保健专业人员可能无法评估耐药水平。例如，如果特定的大肠杆菌菌株可能对氨苄青霉素(AMP)和环丙沙星(CIP)都有抗性。然而，AMP的MIC为128mg/L，CIP的MIC为16mg/L。则医生可能无法获得大肠杆菌可能对AMP具有高度耐药性，但对CIP具有中度抗性。
如图8所示的AST试剂盒500可以通过以预定间隔监测在多个腔室60中的每个隔离和密封的纳升腔室中的细菌生长使用少于两个数量级的试剂来提供快速的同一天AST结果，以降低成本和提高与抗生素源的可靠性相关的药敏试验的可靠性。通过使用常规实验腔室移液管(例如，微量移液管510)的单步注射，可以容易地手动装载样品，通过减少其对大型和昂贵的实验室设备的依赖性而可用于低成本设置。
图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的具有至少两个固定纳升液滴阵列(SNDA)10的AST试剂盒600。例如，具有六个SNDA 10的AST试剂盒600可以多重多种不同的抗生素(例如，以液体或冻干形式)，其中，该抗生素预装有通过方法300形成的分级变化浓度的多种不同抗生素，例如，以便同时测试细菌样品流体中的细菌对多种抗生素的敏感性。
例如，具有六个SNDA 10的AST试剂盒600可以在每个腔室60中预装有六种抗生素的不同梯度浓度，例如：氨苄青霉素(AMP)605、阿莫西林(AMX)610、头孢他啶(CAZ)615、氯霉素(CHL)620、环丙沙星(CIP)625和庆大霉素(GEN)630。具有细菌样品流体515和保持流体520(例如，FC-40)的双塞溶液的微量移液管510可用于将细菌样品流体515经由公共开口650装载到每个SNDA 10中。如图9所示，细菌样品流体515可以在主通道90中沿箭头655的方向流动并进入至少两个SNDA 10的每个腔室60中。
利用诸如图9中使用至少两个SNDA 10的这种SNDA并行化方案，可以在每个SNDA10中的多个腔室60中的每个腔室60中获取细菌数量和增殖数据。一种算法(例如，在处理单元上运行)，其用于自动分析细菌数量和增殖数据，并进行S/I/R测定以分析每个腔室60中的细菌生长。上述SNDA-AST系统可以减少细菌样品溶液制备时间并直接对从细菌样品溶液中收获的细菌执行AST。在细菌样品溶液制备中避开固相孵育步骤(例如，镀层步骤)可以节省长达2天的临床诊断时间。
图10示意性地示出了根据本发明的一些实施例的AST分析系统700。系统700可以包括成像系统705，该成像系统包括可以放置AST套件500的光学显微镜720。成像系统705可以被配置为从显微镜720接收成像数据。在一些实施例中，成像系统可用在AST试剂盒500中的多个腔室60中隔离的抗生素照射多个细菌液滴，其中，荧光单元710中具有光学荧光光源。荧光单元710可以被配置为测量来自液滴(例如刃天青)中的指示剂的荧光强度，该指示剂指示每个成像液滴中细菌的生长。
成像系统705可以被配置为监测AST套件500中的多个腔室60的每个腔室中的隔离液滴中的细菌生长并获取关于细菌生长的数据。
在本发明的一些实施例中，系统700可以包括处理单元725(例如，处理器)，其被配置为分析所获取的数据并基于多个腔室中的每个腔室中的隔离液滴的抗生素和抗生素的浓度计算关于抑制细菌生长的信息。
在本发明的一些实施例中，系统700可以包括输出装置730，诸如监视器730，其用于输出计算出的信息。
图11为说明根据本发明的一些实施例，在微流体装置10中的多个腔室60中具有逐渐变化的抗生素浓度的药敏试验方法800的流程图。
方法800可以使用形成在基板20中的微结构30来执行，微结构30可以包括具有第一端170和第二端175的主通道90、以及通向主通道90的多个腔室60，其中，多个腔室中的每个腔室包括抗生素，其在多个腔室60中的液滴中沿着主通道90呈现逐渐变化的抗生素浓度。
方法800可以包括，将细菌样品溶液装载805到主通道90中并进入通向主通道90的多个腔室60中，从而允许细菌样品溶液与多个腔室60中的每个腔室中的抗生素混合。
在用细菌样品溶液装载805多个腔室时，方法800可以包括，将保持流体装载810到主通道中，以从主通道中清除细菌样品溶液，并且进入辅助通道中，以便用多个腔室中的每个腔室中的抗生素隔离细菌样品溶液的液滴。
在成像系统705中，方法800可以包括监测815多个腔室中的每个腔室中的隔离液滴中的细菌生长并且获取关于细菌生长的数据。例如，可以将可以直接从患者样品中隔离的细菌样品装载到微结构30中，用于通过使用成像系统705对每个腔室的平均细菌数进行计数来检测细菌和估算细菌浓度。
在处理器725中，方法800可以包括，分析820所获取的数据并基于多个腔室中的每个腔室中的隔离液滴中的抗生素和抗生素浓度来计算关于抑制细菌生长的信息。
方法800可以包括，在输出装置730(例如，监视器)上输出825计算出的信息。
在本发明的一些实施例中，计算的信息可包括抗生素对细菌样品溶液中给定细菌基因型的MIC和关于抗生素和给定细菌类型和/或细菌特性的S/I/R测定。
在本发明的一些实施例中，方法800可以包括，通过联接到主通道的第一端的至少两个第一端开口中的一个或多个或位于主通道的第二端处的第二端开口来装载805细菌样品溶液。
应当理解，关于本文引用的任何流程图，为了方便和清楚起见，已经选择将所示方法划分为由流程图的块表示的离散操作。将所示方法替代地划分为离散操作可以得到相同的结果。将所示方法的这种替代划分为离散操作应该理解为表示所示方法的其他实施例。
类似地，应该理解，除非另有说明，否则为了方便和清楚起见，仅选择了由本文所引用的任何流程图的块表示的操作的所示执行顺序。所示方法的操作可以以替代顺序执行，或者同时执行，并且具有相同的结果。所示方法的操作的这种重新排序应该理解为表示所示方法的其他实施例。
本文公开了不同的实施例。某些实施例的特征可以与其他实施例的特征组合；因此，某些实施例可以为多个实施例的特征的组合。已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。本领域技术人员应该理解，鉴于上述教导，许多修改、变化、替换、改变和等同物是可能的。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。
虽然本文已经说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (29)

1.一种微流体装置，包括：
形成在基板中的微结构，所述微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向所述主通道的多个腔室；
至少两个开口，联接到所述主通道的所述第一端，以通过所述主通道的所述第一端将至少两个流体流装载到所述微流体装置中，以沿着所述主通道从所述第一端流到所述第二端而进入所述多个腔室中，所述多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且通过通气孔连接到所述微结构中的辅助通道，所述通气孔的宽度被配置为使得气体能够从所述腔室逸出到所述辅助通道，同时抑制所述至少第一流体流和第二流体流进入所述辅助通道中；以及
一个或多个保持通道，联接在所述主通道和所述辅助通道之间，以允许所述主通道中的保持流体流入所述辅助通道中，同时抑制所述至少两个流体流的流体流入所述辅助通道中。
2.根据权利要求1所述的微流体装置，进一步包括联接到所述主通道的所述第二端的第二端开口，并且其中，所述保持流体能装载到所述主通道中。
3.根据权利要求1或2所述的微流体装置，其中，通向所述主通道的所述多个腔室布置在沿着所述主通道的第一侧定位的所述多个腔室中的第一腔室阵列和基本上与所述第一腔室阵列相对的沿着所述主通道的第二侧定位的所述多个腔室中的第二腔室阵列中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微流体装置，其中，所述通气孔包括一个或多个狭缝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微流体装置，其中，所述多个腔室中的腔室与所述主通道之间的开口包括变窄结构。
6.一种药敏试验(AST)试剂盒，包括：
形成在基板中的微结构，所述微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向所述主通道的多个腔室，所述多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且通过通气孔连接到所述微结构中的辅助通道，所述通气孔的宽度被配置为使气体能够从所述腔室逸出到所述辅助通道，同时抑制样品流体流入所述辅助通道中，其中，所述多个腔室中的每个腔室包括抗生素，其中，所述抗生素的浓度取决于沿着所述主通道的所述多个腔室中的所述腔室的位置；
至少一个第一端开口，联接到所述主通道的所述第一端；以及第二端开口，联接到所述主通道的所述第二端，以使得所述样品流体能够通过所述至少一个第一端开口或所述第二端开口装载到装置中、沿所述主通道流入所述多个腔室中、并与每个腔室中的所述抗生素混合；以及
保持通道，联接在所述主通道和所述辅助通道之间，这允许所述主通道中的保持流体流入所述辅助通道中，同时抑制所述样品流体流入所述辅助通道中，以便隔离所述多个腔室中的每个腔室中的所述样品流体的液滴。
7.根据权利要求6所述的试剂盒，其中，所述抗生素包含抗生素流体。
8.根据权利要求6或7所述的试剂盒，其中，所述抗生素包含冻干的抗生素溶质。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的试剂盒，进一步包括在所述基板上的至少两个微结构和公共开口，以同时将所述样品流体装载到所述至少两个微结构的所述主通道中。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的试剂盒，其中，所述保持流体包含FC-40油。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的试验试剂盒，其中，所述通气孔包括一个或多个狭缝。
12.一种用于在微流体装置中形成浓度逐渐变化的液滴的方法，所述方法包括：
在基板中形成微结构，所述微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向所述主通道的多个腔室：
通过联接到所述主通道的所述第一端的至少两个第一端开口同时将至少两个流体流装载到所述主通道中，当所述至少两个流体流混合时，所述流体流形成具有沿所述主通道和通向该主通道的所述多个腔室的浓度梯度的流体混合物；
在用所述流体混合物装载所述多个腔室时，将保持流体引入所述主通道中以从所述主通道清除所述流体混合物，同时在多个腔室中保持所述流体混合物的液滴—所述多个腔室中的每个腔室中具有所述液滴的一个液滴，以便所述多个腔室中的所述液滴沿着所述主通道呈现逐渐变化的浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述保持流体包括通过联接到所述第一端的清除开口引入到所述主通道的所述第一端中以便从所述主通道清除所述至少两个流体流的流体的剪切流体。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述剪切流体包括空气或油。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，进一步包括使用二维平流-扩散方程计算所述液滴中的溶质的浓度。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，将所述至少两个流体流装载到所述主通道中包括装载所述至少两个流体流，其中，所述至少两个流体流中的每个流体流包括相同的抗生素。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，将所述至少两个流体流装载到所述主通道中包括装载所述至少两个流体流，其中，所述至少两个流体流中的每个流体流包括不同的抗生素。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，所述液滴包含抗生素。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括冻干所述液滴以形成冻干的抗生素溶质，其中，所述冻干的抗生素溶质的质量与冻干前的所述液滴中的所述抗生素的浓度相关。
20.一种用于抗生素敏感性试验的方法，所述方法包括：
获得药敏试验(AST)试剂盒，所述AST试剂盒包括：
形成在基板中的微结构，所述微结构包括具有第一端和第二端的主通道、以及通向所述主通道的多个腔室，所述多个腔室中的每个腔室具有小于100纳升的容积并且通过通气孔连接到所述微结构中的辅助通道，所述通气孔的宽度被配置为使气体能够从所述腔室逸出到所述辅助通道，同时抑制细菌样品溶液流入所述辅助通道中，其中，所述多个腔室中的每个腔室包括抗生素，其中，所述抗生素的浓度取决于沿着所述主通道的所述多个腔室的所述腔室的位置；
至少一个第一端开口，联接到所述主通道的所述第一端；
以及第二端开口，联接到所述主通道的第二端，以使得所述细菌样品溶液能够通过所述至少一个第一端开口或所述第二端开口装载到装置中、沿所述主通道流入所述多个腔室中、并与每个腔室中的所述抗生素混合；以及
保持通道，联接在所述主通道和所述辅助通道之间，这允许所述主通道中的保持流体流入所述辅助通道中，同时抑制所述细菌样品溶液流入所述辅助通道中，以便隔离所述多个腔室中的每个腔室中的所述细菌样品溶液的液滴；
将所述细菌样品溶液装载到所述主通道中并装载到通向所述主通道的所述多个腔室中，从而允许所述细菌样品溶液与所述多个腔室中的每个腔室中的所述液滴中的所述抗生素混合；以及
在用所述细菌样品溶液装载所述多个腔室时，将所述保持流体装载到所述主通道中以从所述主通道清除所述细菌样品溶液，并且将所述保持流体装载到所述辅助通道中，以便将所述细菌样品溶液的所述液滴与所述多个腔室中的每个腔室中的所述抗生素隔离。
21.根据权利要求20所述的用于抗生素敏感性试验的方法，其中，将所述细菌样品溶液装载到所述主通道中包括，通过联接到所述主通道的所述第一端的所述至少两个第一端开口中的一个或多个或者通过所述主通道的所述第二端处的所述第二端开口装载所述细菌样品溶液。
22.根据权利要求20或21所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，所述抗生素包括冻干的抗生素溶质。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的用于抗生素敏感性试验方法，进一步包括：
在成像系统中，监测在所述多个腔室中的每个腔室中的所述细菌样品溶液的隔离液滴中的细菌生长并获取关于所述细菌生长的数据；
在处理器中，分析所获取的数据并基于所述多个腔室中的每个腔室中的所述隔离液滴中的所述抗生素和抗生素浓度计算关于抑制所述细菌生长的信息；以及
在输出装置中，输出所述信息。
24.根据权利要求23所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，监测所述细菌生长包括使用显微镜对所述多个腔室中的每个腔室中的所述隔离液滴中的细菌细胞成像。
25.根据权利要求23或24所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，所述液滴中的所述细菌样品溶液包含荧光指示剂，并且其中，监测所述细菌生长包括分析来自所述指示剂的荧光。
26.根据权利要求25所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，所述荧光指示剂包括刃天青。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，所述信息包括所述抗生素的最小抑制浓度(MIC)。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，所述信息包括关于所述抗生素和所述细菌的S/I/R测定。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的用于抗生素敏感性试验方法，其中，监测所述细菌生长包括使用所述成像系统对所述多个腔室中的每个腔室的平均细菌数进行计数。
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