CN109957504B - 便于初始对准的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种便于初始对准的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法。本申请的硅片包括硅片主体和设在硅片主体上四个视场的四组金属标记膜；Step1、Step2和Step3三个视场一条直线，Step1在Step2和3中间，Step2和3分别在+Y和‑Y方向，Step1在硅片中心附近，Step4为硅片正式扫描起始视场；Step1有至少两个金属标记膜，一个在视场中心点，其它分别在视场+Y和/或‑Y间距Q处；Step2至Step4都只在视场中心点上设一金属标记膜。本申请的硅片及初始对准方法，通过四个视场的金属标记膜，能简单有效的进行平移和角度误差校准。不影响测序通量，提高了处理效率，简化了对准流程和算法。
Description
技术领域
本申请涉及高通量基因测序仪硅片初始对准领域，特别是涉及一种便于初始对准的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法。
背景技术
在基于荧光反应和光学成像的高通量基因测序设备中，需要连接大量DNA纳米球的硅片。如图1所示，硅片放置在工件台上，照明系统发射的激光通过显微物镜投射到硅片上的DNA纳米球，DNA纳米球中的荧光染料受到激光激发产生荧光分子；荧光分子通过显微物镜、准直系统等被CCD或CMOS相机接收；通过工件台的精密扫描，显微物镜对硅片上的所有区域进行成像后，并对图像进行相应的数据处理，分析出被测样本的DNA序列。
硅片放置在工件台上以后，由于硅片装卡精度、机械臂定位精度等影响，硅片相对于工件台的理论中心存在平移和角度误差。如果该误差不进行修正，在实时扫描过程中可能会产生无效或遗漏视场、甚至扫描过程中会发生串列现象，极大地影响测序精度。
现有的初始对准方案是通过光刻方法在硅片表面上每一个视场内均生成m行、n列Track线，通过对采集的Track线交点进行处理，判断硅片相对于工件台的偏移和偏角。如图2所示为某芯片上的Track线图像，图像处理需要处理获得多个方形框内的track线的交点的精确位置以对芯片进行精确定位。该方法极大地依赖图像上Track线的成像质量，同时Track线的图像处理需要图像增强、聚类、拟合等算法，所以该方法算法复杂且处理时间较长。
发明内容
本申请的目的是提供一种新的便于初始对准的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法。
为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种便于初始对准的高通量基因测序仪硅片，包括硅片主体和设置在硅片主体上的四个金属标记膜组，四个金属标记膜组分别设置于Step1、Step2、Step3和Step4四个视场内；其中，Step1、Step2和Step3三个视场在一条直线上，该直线为硅片Y轴或者与硅片Y轴平行，Step1视场位于Step2视场和Step3视场中间，并且，Step1视场在硅片中心附近，Step2视场位于硅片中心上方，Step3视场位于硅片中心下方；Step4视场为硅片正式扫描的起始视场；四个视场的坐标系分别与硅片的坐标系平行；Step1视场内的金属标记膜组由至少两个金属标记膜组成，一个金属标记膜设置于视场中心点上，其它金属标记膜分别设置于Step1视场的+Y方向和/或-Y方向距离视场中心点间距Q的位置处；Step2视场、Step3视场和Step4视场的金属标记膜组都只是在各自的视场中心点上设置一个金属标记膜。
需要说明的是，本申请的高通量基因测序仪硅片，其用于初始对准的基本原理是，首先通过Step1视场的金属标记膜，进行平移误差和角度误差的粗校准，然后通过Step2视场、Step3视场进行角度误差的精校准，最后，通过观察Step4视场的金属标记膜，在正式扫描的起始位置消除平移误差，以避免平移误差累计。具体的，在Step1视场通过其金属标记膜中设置于Step1视场+Y方向和/或-Y方向的金属标记膜，使之与Step1视场的理论Y轴重合，则可以对角度误差进行粗校准，而位于Step1视场的视场中心点的金属标记膜，使之与Step1视场的理论中心重合，则可以对平移误差进行粗校准。进一步的，通过观察Step2视场和Step3视场的金属标记膜，可以更准确的确定Y轴是否有角度偏移，实现角度误差的精校准；通过观察Step4视场的金属标记膜，在正式扫描的起始位置消除平移误差。
可见，Step1视场中，设置于+Y方向和/或-Y方向上的金属标记膜，其距离视场中心点间距Q越大，角度误差粗校准的效果越好，但是，与此同时，又必须保障金属标记膜在同一视场内，即在一个视场成像时可以同时观测到Step1视场中的所有金属标记膜；因此，Q的数值根据硅片在工件台上初始定位的平移误差和角度误差来确定，在此不做具体限定。
本申请的一种实现方式中，优选的，Step 1视场的左下角与硅片的中心重合。优选的，Step4视场在硅片最右端一列的最上方。
优选的，金属标记膜组中，各金属标记膜的理论成像大小为n×n个像元。
更优选的，金属标记膜组中，各金属标记膜保留n×n个像元区域以外、(n+4)×(n+4)个像元区域以内的空间作为金属标记膜的弥散区域。
优选的，n的取值范围为大于等于3。
本申请的一种实现方式中n＝5。
需要说明的是，金属标记膜的大小一方面是考虑加工难度和成本，另一方面，则需要考虑是否能够被有效观察到。综合各方面因素，本申请的实施例中，金属标记膜大小为5×5个像元，并保留5×5个像元区域以外、9×9个像元区域以内的空间作为金属标记膜的弥散区域。
本申请的另一面公开了一种基于本申请的高通量基因测序仪硅片的初始对准方法，包括以下步骤，
步骤一：调整工件台，使物镜对准Step 1视场，在Step 1视场内观测其金属标记膜的弥散斑，通过对金属标记膜的光斑进行细分，计算金属标记膜相对于Step 1视场中心点在X和Y向上的偏差量，根据该偏差量对高通量基因测序仪硅片进行平移误差粗校准和角度误差粗校准；
步骤二：调整工件台，使成像视场从Step 1视场移动到Step 2视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 2视场中心点的偏移量；
步骤三：调整工件台，使成像视场从Step 2视场移动到Step 3视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 3视场中心点的偏移量；
步骤四：根据步骤二和步骤三获取的偏移数据对硅片进行角度误差精校准；
步骤五：调整工件台，使成像视场从Step 3视场移动到Step 4视场，解算并记录金属标记膜相对于Step 4视场中心点的偏移量，并根据该偏移量进行平移误差精校准。
需要说明的是，因为硅片装卡精度、机械臂定位精度等影响，使得硅片相对于工件台的理论中心存在平移和角度误差，从而使得本申请的设置在硅片主体上的四个金属标记膜组偏移Step1、Step2、Step3和Step4四个视场的设定位置，因此，通过调整硅片主体的角度或平移硅片主体，使得四个视场内的金属标记膜组位于设定位置，即可实现对硅片主体的平移误差和角度误差的精确校准。
还需要说明的是，本申请的初始对准方法，是以Step 1视场为起始，以Step4视场为终止的，而在本申请的设计中，Step4视场是正式扫描时的起始位置；这样可以避免增加一次移动时间，初始校准完成后，直接就以Step4视场为起始，开始正式的硅片扫描。
由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：
本申请的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法，通过设置在硅片主体上的四个视场的金属标记膜组，能够简单有效的对高通量基因测序仪硅片进行平移误差和角度误差的精确校准。使用金属标记膜作为初始对准的目标，在几乎不影响测序通量的基础上，大大提高了图像处理效率，简化了硅片初始对准流程和及对准处理算法，提高了初始对准的效率。
附图说明
图1是本申请中基于荧光反应和光学成像的高通量基因测序设备的结构示意图；
图2是本申请背景技术中用于初始对准的Track线图像的示意图；
图3是本申请实施例中高通量基因测序仪硅片及其四个金属标记膜组分布的示意图；
图4是本申请实施例中Step1、Step2、Step3和Step4四个视场内的金属标记膜分布的示意图。
具体实施方式
本申请的高通量基因测序仪硅片，采用金属标记膜替换现有的Track线图像，并通过四个视场的金属标记膜组实现平移误差和角度误差的精确校准；与Track线图像的方式相比，本申请的金属标记膜的检测和对准效率更高、图像处理也更简单高效，无需Track线图像的图像增强、聚类、拟合等算法，使得初始对准的流程和算法更加简单，初始对准更快速和高效。
下面通过具体实施例和附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例便于初始对准的高通量基因测序仪硅片，如图3所示，包括硅片主体和设置在硅片主体上的四个金属标记膜组，四个金属标记膜组分别设置于Step1、Step2、Step3和Step4四个视场内；其中，Step1、Step2和Step3三个视场在一条直线上，该直线与硅片Y轴平行，Step1视场位于Step2视场和Step3视场中间，并且，Step1视场在硅片中心附近，Step2视场位于硅片中心上方，Step3视场位于硅片中心下方；Step4视场为硅片正式扫描的起始视场；四个视场的坐标系分别与硅片的坐标系平行；本例具体的，Step 1视场的左下角与硅片的中心重合，Step4视场在硅片最右端一列的最上方，即Step4视场位于+X方向。其中，Step1视场内的金属标记膜组由至少两个金属标记膜组成，一个金属标记膜设置于视场中心点上，其它金属标记膜分别设置于Step1视场+Y方向和/或-Y方向距离视场中心点间距Q的位置处，本例具体的，如图4所示，Step1视场内的金属标记膜组由三个金属标记膜组成，一个金属标记膜设置于视场中心点11上，另外两个金属标记膜分别设置于+Y方向距离视场中心点间距Q的位置处12和-Y方向距离视场中心点间距Q的位置处13；Step2视场、Step3视场和Step4视场的金属标记膜组都只是在各自的视场中心点21上设置一个金属标记膜。本例的各金属标记膜组中，金属标记膜的理论成像大小为5×5个像元，并且，保留5×5个像元区域以外、9×9个像元区域以内的空间作为金属标记膜的弥散区域。
基于本例的高通量基因测序仪硅片的初始对准方法，包括以下步骤，
步骤一：调整工件台，使物镜对准Step 1视场，在Step 1视场内观测三个金属标记膜的弥散斑，通过对金属标记膜的光斑进行细分，计算三个金属标记膜相对于Step 1视场中心点在X和Y向上的偏差量，根据该偏差量对高通量基因测序仪硅片进行平移误差粗校准和角度误差粗校准；
步骤二：调整工件台，使成像视场从Step 1视场移动到Step 2视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 2视场中心点的偏移量；
步骤三：调整工件台，使成像视场从Step 2视场移动到Step 3视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 3视场中心点的偏移量；
步骤四：根据步骤二和步骤三获取的偏移数据对硅片进行角度误差精校准；
步骤五：调整工件台，使成像视场从Step 3视场移动到Step 4视场，解算并记录金属标记膜相对于Step 4视场中心点的偏移量，并根据该偏移量进行平移误差精校准。
本例的高通量基因测序仪硅片及初始对准方法，通过设计在硅片主体上的金属标记膜组进行定位，在几乎不影响测序通量的基础上，提高了图像处理效率，并且，通过金属标记膜定位，方法和算法都相对简单、易操作，提供了初始对准的质量和效率。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (8)
1.一种便于初始对准的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：包括硅片主体和设置在硅片主体上的四个金属标记膜组，四个金属标记膜组分别设置于Step1、Step2、Step3和Step4四个视场内；
其中，Step1、Step2和Step3三个视场在一条直线上，该直线为硅片Y轴或者与硅片Y轴平行，Step1视场位于Step2视场和Step3视场中间，并且，Step1视场在硅片中心附近，Step2视场位于硅片中心上方，Step3视场位于硅片中心下方；Step4视场为硅片正式扫描的起始视场；四个视场的坐标系分别与硅片的坐标系平行；
Step1视场内的金属标记膜组由至少两个金属标记膜组成，一个金属标记膜设置于视场中心点上，其它金属标记膜分别设置于Step1视场的+Y方向和/或-Y方向距离视场中心点间距Q的位置处；Step2视场、Step3视场和Step4视场的金属标记膜组都只是在各自的视场中心点上设置一个金属标记膜。
2.根据权利要求1所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：所述Step 1视场的左下角与硅片的中心重合。
3.根据权利要求1所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：所述Step4视场在硅片最右端一列的最上方。
4.根据权利要求1所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：所述金属标记膜组中，各金属标记膜的理论成像大小为n×n个像元。
5.根据权利要求4所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：所述金属标记膜组中，各金属标记膜保留n×n个像元区域以外、(n+4)×(n+4)个像元区域以内的空间作为金属标记膜的弥散区域。
6.根据权利要求4所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：n的取值范围为大于等于3。
7.根据权利要求4所述的高通量基因测序仪硅片，其特征在于：n等于5。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的高通量基因测序仪硅片的初始对准方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：调整工件台，使物镜对准Step 1视场，在Step 1视场内观测其金属标记膜的弥散斑，通过对金属标记膜的光斑进行细分，计算金属标记膜相对于Step 1视场中心点在X和Y向上的偏差量，根据该偏差量对高通量基因测序仪硅片进行平移误差粗校准和角度误差粗校准；
步骤二：调整工件台，使成像视场从Step 1视场移动到Step 2视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 2视场中心点的偏移量；
步骤三：调整工件台，使成像视场从Step 2视场移动到Step 3视场，解算并记录金属标记膜在X和Y向上相对于Step 3视场中心点的偏移量；
步骤四：根据步骤二和步骤三获取的偏移数据对硅片进行角度误差精校准；
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Address after: 130033 No. 1 Building, Incubation Base, 77 Yingkou Road, Changchun Economic Development Zone, Jilin Province Applicant after: Changchun Changguang Huada Zhizao sequencing Equipment Co.,Ltd. Address before: 130033 Building 1, hatchery, 77 Yingkou Road, Changchun Economic Zone, Jilin Applicant before: CHANGGUANG HUADA GENE SEQUENCING EQUIPMENT (CHANGCHUN) Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |