CN109682784A - 生成彩色图像的系统及高通量测序仪 - Google Patents

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张必良
李俞锋
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Abstract

本申请涉及一种生成彩色图像的系统及高通量测序仪，包括：物镜、二向色镜组、管镜以及信号捕获元件，管镜与物镜相匹配，物镜将携带荧光标记的样本在混合波长激光光束照射下激发的荧光聚焦折射成荧光光束，二向色镜组透射物镜聚焦折射后的荧光光束，二向色镜组透射后的荧光光束经管镜会聚成像后，到达信号捕获元件，进行彩色成像。上述系统通过物镜的无限远平场复消色差特性，使用二向色镜组透射荧光光束，让散射的混合波长激光光束与荧光光束在同一个路径上传播，高效过滤掉非有效光，实现高纯度的荧光光束到达信号捕获元件，且简化了光学系统的结构，能减少荧光光束的吸收或散射，提高彩色成像的效率。

Description

生成彩色图像的系统及高通量测序仪
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种生成彩色图像的系统及高通量测序仪。
背景技术
碱基识别是高通量基因测序的核心环节，它主要是指从含有碱基信息的荧光光束点图中获得基因序列信息。
现有技术普遍采用多个单色相机采集荧光光束，主要通过判定单色图像中不同荧光光束点的强度来识别碱基。然而目前基于单色相机以及灰度图像的碱基识别方式，需要多个二向色镜或者分光棱镜，光学系统的机构复杂，导致安装调试不便且效率较低。
发明内容
基于此，有必要针对现有的光学系统的机构复杂导致安装调试不便且效率较低问题，提供一种生成彩色图像的系统及高通量测序仪。
一种生成彩色图像的系统，包括：物镜、二向色镜组、管镜以及信号捕获元件，管镜与物镜相匹配，物镜将携带荧光标记的样本在混合波长激光光束照射下激发的荧光聚焦折射成荧光光束，二向色镜组透射物镜聚焦折射后的荧光光束，二向色镜组透射后的荧光光束经管镜会聚成像后，到达信号捕获元件，进行彩色成像。
在其中一个实施例中，还包括对焦组件，对焦组件用于发射对焦光斑光束，对焦光斑光束经二向色镜组反射至物镜，物镜将对焦光斑光束聚焦于样本上。
在其中一个实施例中，还包括多带通滤光片，多带通滤光片设置于管镜与信号捕获元件之间，用于截止散射的混合波长激光光束以及散射的对焦光斑光束、并高透荧光光束。
在其中一个实施例中，还包括反射镜，反射镜设置于管镜与多带通滤光片之间，用于将管镜会聚成像后的荧光光束反射至多带通滤光片上。
在其中一个实施例中，还包括反射镜，反射镜设置于管镜与信号捕获元件之间，用于将管镜会聚成像后的荧光光束反射至信号捕获元件上。
在其中一个实施例中，二向色镜组包括第一二向色镜以及第二二向色镜，第一二向色镜与第二二向色镜设置于物镜与管镜之间，第一二向色镜将混合波长激光光束反射至物镜，经物镜到达样本，第二二向色镜将对焦光斑光束反射至物镜，经物镜到达样本。
在其中一个实施例中，还包括光源组件，光源组件用于生成混合波长激光光束。
在其中一个实施例中，光源组件包括：用于发射至少两种单色波长激光的激光光源、单色波长激光聚焦镜片组、合光装置以及混合波长激光聚焦镜，激光光源发射至少两种单色波长激光，经单色波长激光聚焦镜片组聚焦后，通过合光装置混合为初始混合波长激光光束，初始混合波长激光光束经混合波长激光聚焦镜聚焦耦合后，形成混合波长激光光束。
在其中一个实施例中，对焦组件包括光斑发生器、对焦传感器、电机以及滤光器，对焦传感器与电机集成于光斑发生器中，光斑发生器发射的对焦光斑光束经滤光器过滤后，由第二二向色镜反射至物镜，聚焦于样本上，对焦光斑光束在样本平面的光斑成像沿原光路返回至对焦传感器，在对焦传感器与电机的共同控制下，控制物镜的物平面自动聚焦于样品。
上述生成彩色图像的系统，物镜将携带荧光标记的样本在混合波长激光光束照射下激发的荧光聚焦折射成荧光光束，二向色镜组透射物镜聚焦折射后的荧光光束，二向色镜组透射后的荧光光束经管镜会聚成像后，到达信号捕获元件，进行彩色成像。上述系统通过物镜的无限远平场复消色差特性，使用二向色镜组透射荧光光束，让散射的混合波长激光光束与荧光光束在同一个路径上传播，高效过滤掉非有效光，实现高纯度的荧光光束到达信号捕获元件，且简化了光学系统的结构，能减少荧光光束的吸收或散射，提高彩色成像的效率。
在其中一个实施例中，本申请还提高一种高通量测序仪，包括上述生成彩色图像的系统。
高通量测序仪包括生成彩色图像的系统，可通过混合激光光束去激发样本中携带荧光标记的核苷酸(核苷酸的碱基部分经荧光标记)，发射出相应波长(波段)荧光光束，并对荧光光束进行聚集成像，以及采集成像光学信号输出彩色碱基图像，从而高效地完成基因组序列的测定。
附图说明
图1为一个实施例中生成彩色图像的系统的结构示意图；
图2为一个实施例中生成彩色图像的系统的详细结构示意图；
图3为另一个实施例中生成彩色图像的系统的详细结构示意图；
图4为一个实施例中光源组件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本申请提供一种生成彩色图像的系统，包括：物镜100、二向色镜组200、管镜300以及信号捕获元件400，管镜300与物镜100相匹配，物镜100将携带荧光标记的样本A在混合波长激光光束00照射下激发的荧光聚焦折射成荧光光束01，二向色镜组200透射物镜100聚焦折射后的荧光光束01，二向色镜组200透射后的荧光光束01经管镜300会聚成像后，到达信号捕获元件400，进行彩色成像。
样本A即为基因芯片，基因芯片表面的流通槽携带荧光标记核苷酸，混合波长激光光束00为包含至少3种波长(波段)的激光光束，其可用于激发携带荧光标记的核苷酸发射出荧光；物镜100包括显微物镜120，属于无限远平场复消色差平常物镜，其数值孔径大于0.4，焦距大于8mm，放大倍率为15X，可将混合波长激光光束00聚焦投射在样本A(基因芯片中的携带荧光标记的核苷酸)上，并可聚焦携带荧光标记的核苷酸被激发后发射的荧光，进一步将聚焦的荧光折射成荧光光束01(平行光束)，可以理解的是，显微物镜120的放大倍率以及焦距可根据实际技术需要进行选择，在此不作限定；管镜300与显微物镜120相匹配使用，用于会聚荧光光束01进行成像，管镜300可以是一片或者多片镜片组成；二向色镜组200包括多个二向色镜，二向色镜又称双色镜，常用于激光技术，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射；信号捕获元件400可捕获荧光光束01成像后的光学信号、并进行光电转换彩色成像，输出彩色碱基图像，碱基是指嘌呤和嘧啶的衍生物，是核苷酸的成分。具体的，二向色镜组200将混合波长激光光束00直角折射到显微物镜120，经显微物镜120聚焦透射到携带荧光标记的核苷酸上，样本A受混合波长激光光束00激发后发射出荧光，显微物镜120聚焦放大荧光并进一步折射成荧光光束01，二向色镜组200透射显微物镜120聚焦折射后的荧光光束01，透射后的荧光光束01经管镜300会聚成像后，到达信号捕获元件400，信号捕获元件400捕获荧光光束01成像后的光学信号、并进行光电转换彩色成像，输出彩色碱基图像。
上述系统通过物镜100的无限远平场复消色差特性，使用二向色镜组200透射荧光光束01，让散射的混合波长激光光束00与荧光光束01在同一个路径上传播，且高效过滤掉非有效光，且实现高纯度的荧光光束01到达信号捕获元件400，简化了光学系统的结构，并减少荧光光束01的吸收或散射，提高彩色成像的效率。
在其中一个实施例中，还包括对焦组件，对焦组件用于发射对焦光斑光束03，对焦光斑光束03经二向色镜组200反射至物镜100，物镜100将对焦光斑光束03聚焦于样本A上。
本实施例中，对焦组件为自动对焦组件，自动对焦是利用物体光反射的原理，将反射的光学信号被捕获元件400上的传感器CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)接受。具体的，对焦组件用于发射自动对焦的光斑光束，简称对焦光斑光束03，对焦光斑光束03具有特定性状，发射出的对焦光斑光束03经二向色镜组200直角反射至显微物镜120，显微物镜120将对焦光斑光束03聚焦于携带荧光标记的核苷酸上、并在核苷酸平面上成像。本实施例中，利用对焦组件能够实现高精度对焦。
如图2所示，在其中一个实施例中，还包括多带通滤光片600，多带通滤光片600设置于管镜300与信号捕获元件400之间，用于截止散射的混合波长激光光束00以及散射的对焦光斑光束03、并高透荧光光束01。
多带通滤光片600是指具有多个带通的单个滤光片，具有高峰值透射率和高深度的截止，能够有效地抑制光晕和温漂，可在任何应用中生产出最大亮度和对比度，多带通滤光片600主要包括双带通、三带通、四带通以及五带通等滤光片。在实际应用中，混合波长激光光束00经二向色镜组200反射后，会有一定程度的散射，对焦光斑光束03在经二向色镜组200反射后也会有一定程度的散射，为了能使有且仅有荧光光束01到达信号捕获元件400，本实施例中，在管镜300与信号捕获元件400之间设置多带通滤光片600，通过多带通滤光片600可截止散射的混合波长激光光束00以及散射的对焦光斑光束03、并高透荧光光束01，实现有且仅有荧光光束01到达信号捕获元件400被捕获成像，高效过滤非有效光，提高检测的准确度。
如图3所示，在其中一个实施例中，还包括反射镜800，反射镜800设置于管镜300与多带通滤光片600之间，用于将管镜300会聚成像后的荧光光束01反射至多带通滤光片600上。
反射镜800设置于管镜300与多带通滤光片600之间，用于将管镜300会聚成像后的荧光光束01反射到多带通滤光片600，进而使荧光光束01到达信号捕获元件400，利用反射镜800可该改变光束(荧光光束01)的传播方向，且可以按照设计需求改变信号捕获元件400的位置，节省系统占用空间。
在其中一个实施例中，还包括反射镜800，反射镜800设置于管镜300与信号捕获元件400之间，用于将管镜300会聚成像后的荧光光束01反射至信号捕获元件400上。
可以理解的是，在实际应用中，若混合波长激光光束00以及对焦光斑光束03的散射程度小，无需多带通滤光片600过滤，能够得到纯度较高的荧光光束01，可将反射镜800设置于管镜300与信号捕获元件400之间，反射镜800直接将管镜300会聚成像之后的荧光光束01反射至信号捕获元件400，信号捕获元件400进而捕获成像后的荧光光束01的成像光学信号，输出彩色碱基图像。本实施例中，通过反射镜800直接将荧光光束01反射至信号捕获元件400上，简化了光学系统的结构。
如图3所示，在其中一个实施例中，二向色镜组200包括第一二向色镜220以及第二二向色镜240，第一二向色镜220与第二二向色镜240设置于物镜100与管镜300之间，第一二向色镜220将混合波长激光光束00反射至物镜100，经物镜100到达样本A，第二二向色镜240将对焦光斑光束03反射至物镜100，经物镜100到达样本A。
如图3所示，第一二向色镜220与第二二向色镜240分别与光轴成45度角设置于物镜100与管镜300之间。具体的，第一二向色镜220设置于第二二向色镜240与显微物镜120之间，用于将混合波长激光光束00直角反射至显微物镜120，混合波长激光光束00经物镜100聚焦达到携带荧光标记的核苷酸上，激发携带荧光标记的核苷酸发射出荧光，荧光又经显微物镜120聚焦折射成荧光光束01，第一二向色镜220高透荧光光束01。第二二向色镜240设置于第一二向色镜220、对焦组件以及管镜300之间，用于将对焦组件发射的对焦光斑光束03直角反射，经第一二向色镜220到达至显微物镜120，并高透显微物镜120聚焦后荧光光束01。本实施例中，利用第一二向色镜220与第二二向色镜240能够实现混合波长激光光束00、对焦光斑光束03以及荧光光束01在同一个路径上传播，即荧光光束01的传播方向与混合波长激光光束00及光斑光束的传播方向相反但路径重叠，并且能够通过第一二向色镜220与第二二向色镜240的组合设计高效地过滤非有效光。可以理解的是，本实施例仅以一种第一二向色镜220与第二二向色镜240的排列方式做出说明，在其他实施例中，第一二向色镜220与第二二向色镜240的排列方式还可有多种，只要满足实现混合波长激光光束00、对焦光斑光束03以及荧光光束01在同一个路径上传播且能过滤非有效光的要求即可。
如图3所示，在其中一个实施例中，还包括光源组件700，光源组件700用于生成混合波长激光光束00。
光源组件700即为发射激光的光学器件，本实施例中，光源组件700为用于生成混合波长激光光束00的光学器件，包括多个激光光源。光源组件700生成的混合波长激光光束00经第一二向色镜220反射至显微物镜120，聚焦于携带荧光标记的核苷酸上，可激发携带荧光标记的核苷酸激发射出荧光。
如图4所示，在其中一个实施例中，光源组件700包括：用于发射至少两种单色波长激光的激光光源720、单色波长激光聚焦镜片组740、合光装置760以及混合波长激光聚焦镜780，激光光源720发射至少两种单色波长激光，经单色波长激光聚焦镜片组740聚焦后，通过合光装置760混合为初始混合波长激光光束00，初始混合波长激光光束00经混合波长激光聚焦镜780聚焦耦合后，形成混合波长激光光束00。
其中，单种颜色光的激光指单色激光，即单色波长激光。激光的颜色取决于激光的波长，激光按波长来划分可包括蓝紫色，蓝色，绿色，黄色和红色。本实施例中，激光光源720可以包括多个发射单色波长激光的激光器，单色波长激光聚焦镜片组740包括多个初级聚焦镜，用于聚焦各激光器发射的各单色波长激光，合光装置760包括反射镜800和合光镜，用于合束各单色波长激光，使得各单色波长的激光能够耦合在一起，共光轴传输，生成初始混合波长激光光束00，第一混合波长激光聚焦镜780可视为中级聚焦镜，用于聚焦耦合初始混合波长激光光束00，使得初始混合波长激光光束00更加集中，形成最终混合波长激光光束00，并能够将混合波长激光光束00传输出去。上述过程，在激光光源720的单色性与方向性更好的基础上，通过合光装置760能够实现至少两种波长的激光耦合在单根光纤同时传播，提高光源部件集成程度，且可以同时提供多种不同的荧光光源，可以同时激发多种不同的荧光，提高了荧光激发的效率。
在其中一个实施例中，光源组件700还包括准直器790。
本实施例中，利用准直器790能够对混合波长激光光束00进行准直整形，得到具有特定光斑形状大小的混合波长激光光束00。具体的，准直器790包括1个凹透镜与1个凸透镜，凹透镜对混合波长激光光束00进行发散(扩束)，然后将发散(扩束)后的混合波长激光光束00投射至凸透镜上，凸透镜将经过发散(扩束)后的混合波长激光光束00变换为(准直光)平行光，然后通过光纤将混合波长激光光束00传输出去。通过凹透镜以及凸透镜匹配设计准直器790，可使得混合波长激光光束00更均匀并刚好完全覆盖视野。
在其中一个实施例中，对焦组件包括光斑发生器520、对焦传感器、电机(附图中未给出)以及滤光器540，对焦传感器与电机集成于光斑发生器520中，光斑发生器发射的对焦光斑光束03经滤光器540过滤后，由第二二向色镜240反射至物镜100，聚焦于样本A上，对焦光斑光束03在样本A平面的光斑成像沿原光路返回至对焦传感器，在对焦传感器与电机的共同控制下，控制物镜100的物平面自动聚焦于样品。
本实施例中，光斑发生器520包括自动对焦光斑发生器，发射用于自动对焦的对焦光斑光束03，对焦传感器包括自动对焦传感器，电机包括步进电机，自动对焦传感器与步进电机集成于自动对焦光斑发生器，用于实现对焦光斑光束03的自动对焦。滤光器540是选择性地透射不同波长的光的器件，通常在光学路径中为平面玻璃或塑料器件，其经过染色或具有干涉涂层。更进一步的，滤光器540按光谱特性分为通带滤光片和截止滤光片，按光谱分析分为吸收滤光片和干涉滤光片。本实施例中，滤光器540为通带滤光片，用于过滤对焦光斑光束03中的非有效光。在其他实施例中，通带滤光片可以使用多片负性陷波滤光片代替。具体的，光斑发生器520发射对焦光斑光束03，经第二二向色镜240反射至显微物镜120，最后聚焦在样本A(基因芯片)流通槽内携带荧光标记碱基核苷酸平面上。对焦光斑光束03在核苷酸平面上成的像，沿着原光路返回到自动对焦传感器，在自动对焦传感器和步进电机的共同控制下，控制显微物镜120的物平面自动聚焦在流通池的核苷酸平面上。上述自动对焦传感器、自动对焦光斑发生器与步进电机共同完成自动对焦，其对焦精度与物镜100的焦深同样数量级，实现高精度对焦。
在其中一个实施例中，信号捕获元件400包括彩色相机420。
彩色相机420可以包括自彩色CCD相机、彩色CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)相机或彩色sCMOS(Scientific COMS,科学COMS)相机等，也可以用任何能捕获光学信号并进行彩色成像元件代替。本实施例中，彩色相机420的数量为一个，彩色相机420的扫描模式可以采用帧采集模式或者线扫描模式，可以采用静止成像模式或者移动成像模式进行彩色成像。彩色相机420采集荧光光束01成像后的光学信号，并将其转换为彩色图像信号(本申请实施例中称为彩色碱基图像)，该彩色图像信号可传输至信号识别系统进行信号识别，如可以通过适当的接口将传输至计算机，以实现信号识别。现有技术普遍采用多个单色相机采集荧光光束01的光学信号，通过判定单色图像中不同荧光点的强度来识别碱基，本实施例采用一个彩色相机420在同一时间段对三种或者四种荧光采集成像，可获得三种或者四种颜色的彩色荧光点图像，通过颜色的识别可以在同一个时刻(一次拍照)实现四种碱基的识别，缩短过程时间，检测效率高。
在实际应用中，光源组件700生成的混合波长激光光束00经第一二向色镜220直角反射至显微物镜120，显微物镜120聚焦混合波长激光光束00于携带荧光标记的核苷酸上，激发携带荧光标记的核苷酸激发射出荧光，荧光又经显微物镜120聚焦放大并进一步折射成荧光光束01，光斑发生器520发射对焦光斑光束03，经第二二向色镜240反射至显微物镜120，最后聚焦在样本A(基因芯片)流通槽内携带荧光标记碱基核苷酸平面上，对焦光斑光束03在核苷酸平面上成的像，沿着原光路返回到自动对焦传感器，在自动对焦传感器和步进电机的共同控制下，控制显微物镜120的物平面自动聚焦在流通池的核苷酸平面上，生成的荧光光束01经过第一二向色镜220与第二二向色镜240透射至管镜300，荧光光束01经管镜300会聚成像之后，通过多带通滤光片600到达彩色相机420，在此过程中，多带通滤光片600截止散射后的混合波长激光光束00以及散射后的对焦光斑光束03，实现有且仅有荧光光束01到达彩色相机420，另外，在荧光光束01经管镜300会聚成像之后，可以是荧光光束01通过反射镜800反射至多带通滤光片600进而到达彩色相机420，还可以是荧光光束01经管镜300会聚成像后通过反射镜800直接反射至彩色相机420，彩色相机420采集荧光光束01成像后的光学信号，并将其转换为彩色图像信号(本申请实施例中称为彩色碱基图像)，该彩色图像信号可传输至信号识别系统进行信号识别，如可以通过适当的接口将传输至计算机，以实现碱基识别。
本申请还提供一种高通量测序仪，包括上述生成彩色图像的系统。
上述高通量测序仪使用混合波长激光光束00去激发样本A(基因芯片)中携带荧光标记的核苷酸(核苷酸的碱基部分经荧光标记)，发射出相应波长(波段)荧光光束01，并对荧光光束01进行聚集成像，以及采集成像光学信号输出彩色碱基图像，从而高效地完成基因组序列的测定，生成彩色图像的系统的结构以及光路的传播路径都已经给出，在此不做赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种生成彩色图像的系统，其特征在于，包括：物镜、二向色镜组、管镜以及信号捕获元件，所述管镜与所述物镜相匹配，所述物镜将携带荧光标记的样本在混合波长激光光束照射下激发的荧光聚焦折射成荧光光束，所述二向色镜组透射所述物镜聚焦折射后的荧光光束，所述二向色镜组透射后的荧光光束经所述管镜会聚成像后，到达所述信号捕获元件，进行彩色成像。
2.根据权利要求1所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，还包括对焦组件，所述对焦组件用于发射对焦光斑光束，所述对焦光斑光束经所述二向色镜组反射至所述物镜，所述物镜将所述对焦光斑光束聚焦于所述样本上。
3.根据权利要求1所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，还包括多带通滤光片，所述多带通滤光片设置于所述管镜与所述信号捕获元件之间，用于截止散射的混合波长激光光束以及散射的对焦光斑光束、并高透所述荧光光束。
4.根据权利要求3所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜设置于所述管镜与所述多带通滤光片之间，用于将所述管镜会聚成像后的荧光光束反射至所述多带通滤光片上。
5.根据权利要求1所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜设置于所述管镜与所述信号捕获元件之间，用于将所述管镜会聚成像后的荧光光束反射至所述信号捕获元件上。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，所述二向色镜组包括第一二向色镜以及第二二向色镜，所述第一二向色镜与所述第二二向色镜设置于所述物镜与所述管镜之间，所述第一二向色镜将所述混合波长激光光束反射至所述物镜，经所述物镜到达所述样本，所述第二二向色镜将所述对焦光斑光束反射至所述物镜，经所述物镜到达所述样本。
7.根据权利要求6所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，还包括光源组件，所述光源组件用于生成所述混合波长激光光束。
8.根据权利要求7所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，所述光源组件包括：用于发射至少两种单色波长激光的激光光源、单色波长激光聚焦镜片组、合光装置以及混合波长激光聚焦镜，所述激光光源发射至少两种单色波长激光，经所述单色波长激光聚焦镜片组聚焦后，通过所述合光装置混合为初始混合波长激光光束，所述初始混合波长激光光束经所述混合波长激光聚焦镜聚焦耦合后，形成混合波长激光光束。
9.根据权利要求6所述的生成彩色图像的系统，其特征在于，所述对焦组件包括光斑发生器、对焦传感器、电机以及滤光器，所述对焦传感器与所述电机集成于所述光斑发生器中，所述光斑发生器发射的对焦光斑光束经所述滤光器过滤后，由所述第二二向色镜反射至所述物镜，聚焦于所述样本上，所述对焦光斑光束在所述样本平面的光斑成像沿原光路返回至所述对焦传感器，在所述对焦传感器与所述电机的共同控制下，控制所述物镜的物平面自动聚焦于样品。
10.一种高通量测序仪，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的生成彩色图像的系统。
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