CN109797208B

CN109797208B - 一种基因测序仪的荧光成像系统

Info

Publication number: CN109797208B
Application number: CN201711137799.9A
Authority: CN
Inventors: 张鑫; 乔彦峰; 陈新东; 杨旺; 莫成钢
Original assignee: Changchun Changguang Huada Zhizao Sequencing Equipment Co ltd
Current assignee: Changchun Changguang Huada Zhizao Sequencing Equipment Co ltd
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: CN109797208A

Abstract

本发明公开了一种基因测序仪的荧光成像系统，包括：光学系统；图像传感器，其包括荧光探测单元组和滤光片，荧光探测单元组安装在光学系统透射的荧光的光路上，荧光探测单元组由若干个荧光探测单元阵列而成，并且每个荧光探测单元与基因测序芯片上的每个基因分子一一对应；每个荧光探测单元包括相邻的四个像元，每个荧光探测单元覆盖有一个滤光片，滤光片包括与四个像元一一对应的四块区域，每块区域用于透射一种荧光标记物受激发产生的荧光。四种碱基分别携带一种荧光标记物，一种荧光标记物受激发产生的荧光仅透过滤光片的一个区域，通过像元识别透过的荧光，判断受激发荧光标记物的类型，进而判断被读取碱基的类型。其结构简单，测序效率高。

Description

一种基因测序仪的荧光成像系统

技术领域

本发明涉及基因测序技术领域，具体涉及一种基因测序仪的荧光成像系统。

背景技术

基因测序是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的排列方式。目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，基因测序仪中成像系统的作用是用激光激发基因测序芯片上荧光标记物产生荧光，并收集荧光信号，四种碱基结合不同的荧光标记物而产生四个不同的荧光波段，以此识别碱基。

一个基因分子含有多个碱基，测序时，其中一个碱基会被接上一个荧光标记物，荧光标记物受激光激发会产生荧光信号。

对四个不同的荧光波段分别成像可以通过时分复用或空分复用实现。时分复用是指分时先后激发不同荧光波段或者分时切换不同波段滤光片实现四个波段分别成像，成像系统结构相对简单，但测序效率低；空分复用是指同时激发四个荧光波段，通过滤光片分光实现同时对四个荧光波段成像，成像系统结构复杂，但测试效率高；也可以采用两种方法结合使用，分时每次同时对两个波段成像，兼顾结构复杂度和测序效率。

现有时分复用和空分复用技术都是在光学系统光路中设置滤光片实现分光，需要多个筒镜支路，结构复杂，而只需要一个筒镜支路、通过在相机像元上设置像元滤光片实现光谱分光进行基因测序的方法尚未有报道。

发明内容

本申请提供一种结构简单，且测序效率高的荧光成像系统。

一种实施例中提供一种基因测序仪的荧光成像系统，包括：

光学系统，其用于发射出一束激光至阵列有若干个四种基因分子的基因测序芯片上，并透射出一束由基因分子被激光照射激发产生的荧光；

图像传感器，其包括荧光探测单元组和滤光片，荧光探测单元组安装在光学系统透射的荧光的光路上，荧光探测单元组包括若干个阵列的荧光探测单元，每个荧光探测单元与基因测序芯片上的每个基因分子一一对应；每个荧光探测单元包括相邻的四个像元，每个荧光探测单元覆盖有一个滤光片，滤光片包括与四个像元一一对应的四块区域，每块区域用于透射一种荧光标记物受激发产生的荧光。

进一步地，述荧光探测单元的四个像元阵列呈田字型，对应的，滤光片的四块区域阵列呈田字型。

进一步地，光学系统为有限共轭距成像光学系统。

进一步地，光学系统包括激光发生器、分光镜和光学成像单元，激光发生器用于发射激光，分光镜倾斜安装在激光发生器发射的激光的光路上，分光镜用于将激光发生器发射的激光反射至基因测序芯片上，及用于透射基因分子上的荧光标记物被激光激发产生的荧光，光学成像单元安装在分光镜反射激光的光路上和透射荧光的光路上。

进一步地，光学成像单元包括物镜和镜筒，物镜安装在分光镜反射激光的光路上，镜筒安装在分光镜透射荧光的光路上。

进一步地，激光发生器为双波长激光发生器，双波长激光发生器用于发射两种波长的激光，每种波长的激光用于激发两种荧光标记物产生荧光。

进一步地，分光镜与激光发生器发射的激光的光轴呈45°倾斜设置。

进一步地，物镜的焦距为10mm。

进一步地，图像传感器为CMOS图像传感器。

上述基因测序仪的荧光成像系统，由于荧光探测单元包括相邻的四个像元，在四个像元上覆盖有具有四块区域的滤光片，每个像元对应一个滤光片的一个区域，并且一个区域仅用于透射一种荧光标记物受激发产生的荧光。四种碱基分别携带一种荧光标记物，一种荧光标记物受激发产生的荧光仅透过滤光片的一个区域，通过像元识别透过的荧光，判断受激发荧光标记物的类型，进而判断被读取碱基的类型。因此，不需要复杂的结构即可高效读取基因分子的碱基序列。

附图说明

图1为一种实施例中荧光成像系统的成像原理示意图；

图2为一种实施例中荧光成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例中公开了一种基因测序仪的荧光成像系统，本荧光成像系统为基因测序仪的一部分，用于对基因碱基进行识别成像，适用于高通量及小型化的基因测序仪，本荧光成像系统具有结构简单及识别测序效率高的优点。

如图1和图2所示，本实施例的荧光成像系统主要包括光学系统100和图像传感器200。荧光成像系统用于对基因测序芯片300上的基因分子310进行成像识别。

光学系统100包括激光发生器110、分光镜120和光学成像单元130，激光发生器110选择为双波长激光发生器，双波长激光发生器发射的两个特定波长和功率的激光，每个激光可同时激发两种荧光标记物产生荧光，从而发射两个激光总共可激发四种荧光标记物，四种荧光标记物分别对应腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)，四种荧光标记物被激光激发后将产生四种不同波段的荧光。

分光镜120倾斜安装在激光发生器110发射的激光的光路上，并与激光光轴呈45°倾斜设置，使得分光镜120将反射光90°反射出去。分光镜120用于将激光发生器110发射的激光反射至基因测序芯片300上，并用于透射基因测序芯片300上荧光标记物受激光激发产生的荧光。

基因测序芯片300上紧密阵列有若干个基因分子310，基因分子310为包括若干碱基的碱基链，测序过程中，对基因测序芯片300上每个基因分子310中的碱基进行逐一识别，不同类型的碱基会分别被接上四种不同的荧光标记物之一。当对应波长的激光照射到对应的荧光标记物上后，不同的荧光标记物将被激发产生不同波段的荧光。

光学成像单元130主要用于聚焦成像，光学成像单元130具有多个部件，分别安装在分光镜120反射激光的光路上和透射荧光的光路上。

具体的，如图2所示，光学成像单元130包括物镜131和筒镜132，物镜131安装在分光镜120反射激光的光路上，位于分光镜120和基因测序芯片300之间，并且基因测序芯片300位于物镜131的光路聚焦位置。筒镜132安装在分光镜120透射荧光的光路上。物镜131和筒镜132内均设有透镜用于聚焦成像。

图像传感器200安装在筒镜132的光路聚焦位置，图像传感器200包括荧光探测单元组210和滤光片220，荧光探测单元组210包括若干个阵列的荧光探测单元211，每个荧光探测单元211与基因测序芯片300上的每个基因分子310一一对应。即基因测序芯片300上的一个基因分子310的荧光标记物被激发产生的荧光将透射至对应的一个荧光探测单元211上，每个荧光探测单元211包括相邻的四个像元212，每四个像元212与一个基因分子310对应，从而每个荧光探测单元211可用于探测识别被读碱基是四种基因碱基中的哪一个。

每个荧光探测单元211上覆盖有一个滤光片220，滤光片220包括四块区域，四块区域与荧光探测单元211上的四个像元212一一对应设置。具体的，荧光探测单元211上的四个像元212呈田字型阵列，对应的，滤光片220的四块区域阵列呈田字型。滤光片220上的四块区域分别仅允许一种特定波段的光透过，而拦截其它波段的光。具体设置为，四块区域分别对应透射上述四种荧光标记物激发产生的荧光，即滤光片220的每块区域仅透射四种荧光标记物被激发产生的荧光中的一种，其他三种荧光标记物受激发产生的荧光被拦截，如图1所示，滤光片220的左上区域仅用于透射腺嘌呤(A)荧光标记物受激发产生的荧光，右上区域仅用于透射鸟嘌呤(G)荧光标记物受激发产生的荧光，左下区域仅用于透射胸腺嘧啶(T)荧光标记物受激发产生的荧光，右下区域仅用于透射胞嘧啶(C)荧光标记物受激发产生的荧光。故当一种荧光标记物受激发产生的荧光经过滤光片220的其中一个区域透射至一个像元212上，其他三个像元212几乎没有照射荧光，根据四个像元212的灰度可判断出所读荧光来源于何种荧光标记物，进而判断被读碱基的类型。

物镜131的焦距为10mm，图像传感器200为CMOS图像传感器。本实施例提供的基因测序仪的荧光成像系统，由于荧光探测单元211包括相邻的四个像元212，在四个像元212上覆盖有具有四块区域的滤光片220，每个像元212对应一个滤光片220的一个区域，并且一个区域仅用于透射一种荧光标记物受激发产生的荧光。四种碱基分别携带一种荧光标记物，一种荧光标记物受激发产生的荧光仅透过滤光片220的一个区域，通过像元212识别透过的荧光，判断受激发荧光标记物的类型，进而判断被读取碱基的类型。因此，不需要复杂的结构即可高效读取基因分子的碱基序列。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims

1.一种基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，包括：

光学系统，其用于发射出一束激光至阵列有若干个基因分子的基因测序芯片上，并透射出一束由基因分子被激光照射激发产生的荧光；

图像传感器，其包括荧光探测单元组和滤光片，所述荧光探测单元组安装在所述光学系统透射的荧光的光路上，所述荧光探测单元组包括若干个阵列的荧光探测单元，每个所述荧光探测单元与基因测序芯片上的每个基因分子一一对应；所述荧光探测单元包括相邻的四个像元，每个所述荧光探测单元覆盖有一个所述滤光片，每个所述滤光片包括与四个像元一一对应的四块区域，每块区域仅透射四种荧光标记物被激发产生的荧光中的一种，其他三种荧光标记物受激发产生的荧光被拦截。

2.如权利要求1所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述荧光探测单元的四个像元阵列呈田字型，对应的，所述滤光片的四块区域阵列呈田字型。

3.如权利要求1或2所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述光学系统为有限共轭距成像光学系统。

4.如权利要求3所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述光学系统包括激光发生器、分光镜和光学成像单元，所述激光发生器用于发射激光，所述分光镜倾斜安装在所述激光发生器发射的激光的光路上，所述分光镜用于将所述激光发生器发射的激光反射至基因测序芯片上，及用于透射基因分子上的荧光标记物被激光激发产生的荧光，所述光学成像单元安装在所述分光镜反射激光的光路上和透射荧光的光路上。

5.如权利要求4所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述光学成像单元包括物镜和镜筒，所述物镜安装在所述分光镜反射激光的光路上，所述镜筒安装在所述分光镜透射荧光的光路上。

6.如权利要求4所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述激光发生器为双波长激光发生器，所述双波长激光发生器用于发射两种波长的激光，每种波长的激光用于激发两种荧光标记物产生荧光。

7.如权利要求4所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述分光镜与所述激光发生器发射的激光的光轴呈45°倾斜设置。

8.如权利要求5所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述物镜的焦距为10mm。

9.如权利要求1所述的基因测序仪的荧光成像系统，其特征在于，所述图像传感器为CMOS图像传感器。