CN111323397A - 光学成像系统、成像检测系统与方法及基因测序方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学成像系统与成像检测系统，光学成像系统包括物镜、像散模块、会聚透镜/透镜组及信号采集装置，物镜会聚基因测序芯片上下表面荧光基团所发出的荧光信号，像散模块改变上下表面同一位置处至少一个荧光基团对应的荧光信号的强度分布，会聚透镜/透镜组会聚荧光信号，使之被信号采集装置采集生成成像光斑。成像检测系统包括识别基因测序芯片上下表面碱基类别的碱基类型识别模块及根据成像光斑的强度分布区分碱基类型识别模块识别的碱基位于基因测序芯片的上表面还是下表面的上下碱基区分模块。本发明还提供相关的成像检测方法及基因测序方法。利用本发明，提高了测序的数据产量及降低了成本。

Description

光学成像系统、成像检测系统与方法及基因测序方法

技术领域

本发明涉及基因测序领域，尤其涉及基因测序中使用的光学成像系统、成像检测系统、成像检测方法及基因测序方法。

背景技术

荧光显微成像是一种重要的、具有广泛用途的检测手段。其中宽场荧光显微系统为其中最基础的一种，它能高效地实现对较大视场内感兴趣的样本区域的荧光信号的收集。以基因测序系统为例，当前常见基因测序系统大多主要以宽场荧光显微系统作为核心检测系统。一种常用的高效率、低成本的测序方式是：将包含四种碱基的DNA样品加载到芯片表面，使用不同波长荧光染料标记四种碱基。在激光作用下，四种碱基对应的四种荧光信号被同时激发，产生这四种荧光信号的荧光信号源置于成像系统焦面，其产生的这四种荧光信号经过光学系统后，被CCD或者CMOS采集。采集到的荧光信号经由一定的算法进行分析处理，实现碱基的识别。

目前大多数的二代基因测序仪主要以光学系统作为其核心检测系统，通常采用宽场荧光成像系统来收集信号。来自测序芯片表面碱基的荧光，首先由物镜进行收集，然后不同波段的荧光，通过一组或几组二向色镜分离开来，再分别经过筒镜汇聚后，最终成像在CCD/CMOS表面。通常来说，为保证成像质量，准确地完成碱基信号的识别和处理，每次只能对单一表面的碱基信号进行收集。因此现有测序仪，通常一次只对测序芯片单一表面的碱基荧光信号进行成像并测序。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种光学成像系统、成像检测系统、成像检测方法及基因测序方法，以解决上述问题。

第一方面，提供一种光学成像系统，所述光学成像系统包括物镜、像散模块、会聚透镜/透镜组及信号采集装置，所述物镜、像散模块、会聚透镜/透镜组及信号采集装置沿光路方向依次排布，所述物镜用于会聚一基因测序芯片上下表面的荧光基团所发出的荧光信号，所述像散模块改变上下表面同一位置处的至少一个荧光基团对应的荧光信号的强度分布，所述会聚透镜/透镜组会聚所述荧光信号，使之被所述信号采集装置采集生成分别对应上表面荧光基团与下表面荧光基团的成像光斑。

进一步地，所述像散模块改变上表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，或者改变下表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，或者同时改变上表面与下表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，使上表面与下表面的荧光基团对应的荧光信号被所述信号采集装置采集后，所生成的成像光斑沿子午和弧矢方向具有不同的点扩展函数。

进一步地，所述像散模块为像散透镜，或者所述像散模块为柱透镜。

进一步地，所述光学成像系统的像面点扩展函数长边沿着所述信号采集装置的像素对角线分布，或者，所述光学成像系统的像面点扩展函数长边沿着所述信号采集装置的像素排列方向分布。

第二方面，提供一种成像检测系统，所述成像检测系统包括如上述的光学成像系统及分析装置，所述分析装置接收所述光学成像系统的成像光斑，所述分析装置包括：碱基类型识别模块，用于识别所述基因测序芯片上下表面的碱基类别；及上下碱基区分模块，用于根据所述基因测序芯片上下表面的荧光基团的成像光斑的强度分布区分所述碱基类型识别模块识别的碱基位于所述基因测序芯片的上表面还是下表面。

进一步地，所述上下碱基区分模块将所述成像光斑的强度分布特征值与预设的样本图片的强度分布特征值进行比对，根据比对结果区分对应的碱基位于所述基因测序芯片的上表面还是下表面。

进一步地，所述成像光斑的强度分布特征值为所述成像光斑点扩展函数在长边与短边的半高全宽值，所述预设的样本图片的强度分布特征值为所述预设的样本图片的光斑点扩展函数在长边与短边的半高全宽值。

第三方面，提供一种成像检测方法，包括以下步骤：获取上述的光学成像系统采集到的基因测序芯片上至少一个位置点的成像光斑；识别该位置点的碱基的类型；及根据所述成像光斑的强度分布区分所述碱基位于所述基因测序芯片的上表面及/或下表面。

进一步地，所述方法包括将所述成像光斑的强度分布特征值与预设的样本图片的强度分布特征值进行比对，根据比对结果区分分别位于所述基因测序芯片的上表面与下表面的碱基。

第四方面，提供一种基因测序方法，所述基因测序方法包括以下步骤：提供基因测序芯片，所述基因测序芯片包括上表面与下表面，所述基因测序芯片具有至少一位置点，在所述位置点所述上表面与下表面均具有用于加载生物样品的结构，且在所述位置点上表面及/或下表面加载了生物样品，所述生物样品携带荧光基团；激发所述荧光基团以发出荧光信号；调节上述的光学成像系统的所述物镜的焦面与所述基因测序芯片上下表面之间的距离；利用所述光学成像系统对所述基因测序芯片上的所述位置点的荧光信号进行采集，获得所述荧光信号的成像光斑；识别该位置点的碱基的类型；及根据所述成像光斑的强度分布区分所述碱基位于所述位置点的上表面及/或下表面。

本发明提供的光学成像系统、成像检测系统及方法、基因测序方法，通过在光学成像系统中设置像散模块，使基因测序芯片上下表面上的生物样品可被同步成像检测，解决了现有技术中只利用基因测序芯片的单一表面来加载生物样品,造成芯片与试剂的利用率不高的问题，同时，还解决了测序单面生物芯片的数据产量限制，降低了测序成本。

附图说明

图1为本发明一实施方式中的光学成像系统及成像检测系统的构成示意图。

图2为图1所示成像检测系统对基因测序芯片上生物样品进行检测识别的示意图。

图3为图1所示光学成像系统一具体实施例的示意图。

图4为图3所示光学成像系统对基因测序芯片上下表面的荧光信号进行收集的示意图。

图5为图1所示成像检测系统所成像的示意图。

图6为通过模拟获得的图1所示光学成像系统成像的椭圆光斑半径随成像深度变化的示意图。

图7与图8为模拟获得两个不同深度物点单独发光与同时发光时，图1所示光学成像系统像面上对应的信号分布示意图。

图9A-图9C为模拟获得两个物点具有不同间隔时，图1所示光学成像系统像面上的成像光斑在子午和弧矢方向的PSF示意图。

图10为无像散的光学成像系统与图1所示光学成像系统在子午方向与弧矢方向的PSF半高全宽值(像距(x、y))比较示意图。

图11为一实施方式中的双面成像检测方法流程图。

图12为一实施方式中的提升双面成像数据通量的方法流程图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施方式主要提出一种可以实现对测序芯片双表面碱基同步进行测序的光学成像系统及成像检测系统。为实现对测序芯片上下表面生物样品如DNA样品的荧光信号的同步采集，本发明实施方式中提出的光学成像系统主要利用了像散成像技术。光学成像系统的成像输出为对应物点的物函数与光学系统的点扩散函数(Point SpreadFunction，PSF)的卷积(J.W.Goodman.傅里叶光学导论[M],北京:科学出版社,1976,18～23)。通过在成像光路中加引入像散模块，例如像散透镜，可使得光学成像系统获得具有像散特性的PSF函数。像散的引入意味着光学成像系统在子午面和弧矢面内的焦点不再重合，从而使得PSF函数呈现类椭圆状，且椭圆程度随着物点的深度位置的改变而改变，因而使得物点对应的像点也呈类椭圆状，且椭圆程度和物点的成像深度对应。

本发明实施方式提供的光学成像系统及成像检测系统，通过加入特定的像散模块如像散透镜、配合测序芯片上下表面深度间隔，使得上下表面同一位置点的两个物点(两个生物样品)对应的荧光信号在像面沿着子午和弧矢方向具有不一样的强度和形貌分布。因此，来自上下表面的荧光信号可以被相机同时采集，并因为其在两个垂直方向明显不同的分布特征而又能够进一步通过信息处理而被区分。

请参阅图1所示，为本发明一实施方式的光学成像系统与成像检测系统的示意图。所述光学成像系统1000设置于成像检测系统2000中，所述成像检测系统2000另还包括一分析装置2100。所述光学成像系统1000被用于采集基因测序芯片3000上的荧光基团被激发所发出的荧光信号。所述基因测序芯片3000包括上表面310与下表面320。在本实施方式中，上表面310与下表面320之间的位置关系为背对而非面对的，其中，“面对”是指两个对象彼此朝向对方，而“背对”是指两个对象彼此朝向背离对方的一面。在其他实施方式中，上下表面之间的位置关系也可以是面对而非背对。上表面310与下表面320均分布带荧光基团的生物样品，更具体地，所述基因测序芯片3000具有至少一位置点，在该位置点上表面310与下表面320均具有用于加载生物样品的结构，且在该位置点上表面及/或下表面加载了生物样品，且所述生物样品携带荧光基团，所述荧光基团可被辐射能量如激光激发发出荧光信号，上下表面310、320的生物样品的荧光基团被激发所发出的荧光信号被光学成像系统1000同时采集后，由分析装置2100根据各种已知条件如荧光信号的采集装置、荧光通道等及来源于上下表面310、320的荧光信号成像后的像点形状(即强度分布)识别位于上下表面310、320的碱基。所述光学成像系统1000包括物镜110、像散模块130、会聚透镜/透镜组150及信号采集装置170。物镜110、像散模块130、会聚透镜/透镜组150及信号采集装置170沿光路方向依次排布。其中，所述物镜110用于会聚上下表面310、320上荧光基团所发出的荧光信号。所述像散模块130改变上下表面310、320同一位置处的至少一荧光基团对应的荧光信号的强度分布，使来源于上表面310的荧光信号与来源于下表面320的荧光信号在像面生成的成像光斑沿子午和弧矢方向具有不同的PSF。具体地，在不同的实施例中，像散模块130可以改变来源于上表面310的荧光信号的强度分布，也可以改变来源与下表面320的荧光信号的强度部分，或者同时改变来源于上表面310的荧光信号与来源与下表面320的荧光信号的强度分布，使来源于上表面310的荧光信号与来源于下表面320的荧光信号在像面生成的成像光斑沿子午和弧矢方向具有不同的PSF。为区别来源于上、下表面310、320的荧光信号，以下称来源于上表面310的荧光信号为“第一荧光信号”、称来源于下表面320的荧光信号为“第二荧光信号”。所述会聚透镜/透镜组150会聚第一荧光信号与第二荧光信号，使之被信号采集装置170采集。所述信号采集装置170采集第一荧光信号与第二荧光信号后，将所成的像传输给分析装置2100，由所述分析装置2100根据各种已知条件以及来源于上下表面310、320的荧光信号成像后的像点形状识别位于上下表面310、320的碱基。

在一种实施方式中，请参阅图2所示，荧光基团A与C在A、C荧光通道被一路激发光J1激发后发出荧光信号，荧光基团T与G在T、G荧光通道被另一路激发光J2激发后发出荧光信号。例如，在一种实施方式中，荧光基团A与C被绿激光激发、荧光基团T与G被红激光激发。所述信号采集装置170包含两个信号采集设备171与172，其中信号采集设备171用于采集荧光基团A与T发射的荧光信号，信号采集设备172用于采集荧光基团C与G发射的荧光信号。所述两路激发光J1、J2先后照射基因测序芯片3000，所述信号采集设备171、172采集荧光基团ATCG发出的荧光信号并传输给分析装置2100。所述分析装置2100包括碱基类型识别模块2110与上下碱基区分模块2120。在此需申明的是，本发明所称的碱基类型识别模块2110与上下碱基区分模块2120是能够完成一特定功能的程序段，比程序更适合用于描述软件在成像检测系统2000中的执行过程。所述碱基类型识别模块2110根据荧光通道及采集到荧光信号的信号采集设备的不同，区分荧光基团A、T、C、G。所述上下碱基区分模块2120进一步根据上下表面310、320荧光基团的成像光斑的强度分布区分荧光基团A、T、C、G位于上表面310还是下表面320。例如，在A、C荧光通道，若信号采集设备171采集到了基因测序芯片3000上一个位置点W的荧光信号而信号采集设备172未采集到该位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团A，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，是上表面310、下表面320还是上下表面310、320均具有荧光基团A；若信号采集设备172采集到了位置点W的荧光信号而信号采集设备171未采集到该位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团C，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，是上表面310、下表面320还是上下表面310、320均具有荧光基团C；若信号采集设备171、172均采集到了位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团A与C，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171、172采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，荧光基团A与C分别位于哪一表面。在T、G荧光通道，若信号采集设备171采集到了位置点W的荧光信号而信号采集设备172未采集到该位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团T，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，是上表面310、下表面320还是上下表面310、320均具有荧光基团T；若信号采集设备172采集到了位置点W的荧光信号而信号采集设备171未采集到该位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团G，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，是上表面310、下表面320还是上下表面310、320均具有荧光基团G；若信号采集设备171、172均采集到了位置点W的荧光信号，则碱基类型识别模块2110可以得出该位置点W具有荧光基团T与G，所述上下碱基区分模块2120进一步根据信号采集设备171、172采集到的荧光信号的光斑形状，识别在该位置点W，荧光基团T与G分别位于哪一表面。

可以理解，以上实施方案适用于不同测序模式，包括但不限于单色荧光测序(one-color sequencing)、双色荧光测序(two-color sequencing)、四色荧光测序(four-colorsequencing)等。在荧光包含多种波段时，可通过在物镜110后引入一组或多组二向色镜，将不同波段荧光分开，以被两或多个信号采集设备采集。

以上仅是列举了采用两路激发光与两个信号采集设备的案例，可以理解，其他采用一或多路激发光、一或多个信号采集设备的方案同样适用，分析装置2100的碱基类型识别模块2110同样可根据各种已知条件如荧光通道及/或信号采集设备的不同区分不同碱基，在碱基类型识别模块识别了碱基的基础上，上下碱基区分模块2120进一步根据成像光斑的强度分布确定碱基位于基因测序芯片3000的上表面310还是下表面320。

请参阅图3所示，在一具体实施方式中，所述像散模块130为一像散透镜，具体为一柱透镜131。所述会聚透镜/透镜组150为一筒镜151，所述筒镜151包含多个透镜。

请同时参阅图4所示，为图3所示光学成像系统1000对基因测序芯片3000上下表面310、320的碱基荧光信号进行收集的示意图。基因测序芯片3000的上表面310上加载有带荧光基团的生物样品331，下表面320上加载有带荧光基团的生物样品332。物镜110正对基因测序芯片2000的上表面310，物镜110的焦面111位于上表面310与下表面320之间。生物样品331被激发后发出“第一荧光信号”，生物样品332被激发后发出“第二荧光信号”。第一荧光信号与第二荧光信号均通过物镜110进入光学成像系统1000，被光学成像系统1000同时采集。

请同时参阅图5所示，为采用图1、图4所示光学成像系统1000对基因测序芯片3000上下表面310、320上的生物样品331与332进行成像的示意图。由于像散模块130或者像散透镜-柱透镜的加入，在生物样品331单独发光时，其成像光斑如图5中(a)所示，生物样品332单独发光时其成像光斑如图5中(b)所示，若信号采集装置170只包含一个信号采集设备，则在生物样品331与生物样品332同时发光时，其成像光斑如图5中(c)所示。所述分析装置2100的上下碱基区分模块2120将信号采集装置170采集到的荧光光斑强度分布特征值(例如：光斑PSF在长边与短边的半高全宽值)与预设的样本图片强度分布特征值(例如预设样本图片上的光斑PSF在长边与短边的半高全宽值)进行比对，根据比对结果识别上下表面310、320的碱基。进一步地，所述预设的样本图片为两张或多张，针对不同实施例中采用的信号采集设备的数量不同，预设的样本图片的数量亦可能不同，例如，在采用一个信号采集设备的实施例中，预设的样本图片可以包括对应单独上表面发光的样本图片、对应单独下表面发光的样本图片及对应上下表面同时发光的样本图片；在采用两个信号采集设备的实施例中，预设的样本图片可以只包括对应上表面单独发光的样本图片与对应下表面单独发光的样本图片。在一种实施方式中，预设样本图片的强度分布特征值可通过利用二维高斯函数分别对生物样品331与生物样品332的成像光斑进行模拟，获得生物样品331与生物样品332分别在光学成像系统1000的子午、弧矢方向的强度分布的特征值。

以下以具体案例说明本发明上述实施方式的技术效果。

案例

根据图4所示光学成像系统1000，选择数值孔径NA为0.66的物镜、曲率半径为80mm的柱透镜、后焦距为686.89mm的筒镜、单位采样点尺寸为1.8μm*1.8μm。利用光学设计软件Zemax进行模拟，成像后的椭圆光斑半径随着成像深度变化如图6所示，其中Wx、Wy分别为在子午与弧矢方向的光斑半径，其大小根据Zemax模拟得到的在子午与弧矢方向的PSF半高全宽的值的一般来确定。O点为光学成像系统1000的焦点，对应光斑半径Wx和Wy相等时的物点(荧光基团)的深度。

请参阅图7与图8所示，通过Zemax模拟得到两个不同深度物点单独发光时和同时发光时，像面上对应的信号分布情况，其中图7中(a)为位于焦面111上170nm的生物样品331的荧光信号在像面上的信号分布情况，图7中(b)为位于焦面111下200nm的生物样品332的荧光信号在像面上的信号分布情况，图7中(c)为同时采集到的间隔为370nm的生物样品331与生物样品332的荧光信号在像面上的信号分布情况。图8中(a)为位于焦面111上480nm的生物样品331的荧光信号在像面上的信号分布情况，图8中(b)为位于焦面111下520nm的生物样品332的荧光信号在像面上的信号分布情况，图8中(c)为同时采集到的间隔为1μm的生物样品331与生物样品332的荧光信号在像面上的信号分布情况。

由于引入像散，使得成像光斑在长边方向的PSF半高全宽被拉大，而使得在该方向的分辨率降低，限制了该方向的生物样品密度；但是通过相对旋转柱透镜或信号采集装置170，可使成像光斑的PSF长边沿着信号采集装置170(例如CCD或CMOS)像素的对角线方向分布，此时在像素排列方向的成像光斑的PSF宽度甚至可以小于PSF短边半高全宽在该方向的投影，因此生物样品密度由长边半高宽在像素排列方向投影宽度决定。因此通过控制基因测序芯片3000上下表面相对焦面111的位置，可以使得成像光斑长边宽的投影值甚至小于无像散系统的PSF半高全宽，因而能提高生物样品密度，在双面测序的基础上进一步获得数据产量的提升。

从图7与图8可以看出，当生物样品331和生物样品332离焦面111的位置越远，生物样品331和生物样品332之间的间隔增加，像面上二者成像的差异更加明显。差异的增加有利于对二者信号的识别。但随着二者离焦距离增加，其成像光斑的PSF的半高全宽也相应增加，导致分辨率下降，从而限制了基因测序芯片3000上生物样品的分布密度，限制了数据产量。

请参阅图9A-图9C所示，为生物样品331与生物样品332之间具有不同间隔时成像光斑在子午与弧矢方向的PSF示意图。其中图9A为生物样品331和生物样品332间隔370nm时，生物样品331和生物样品332成像光斑分别在子午(X-direction)和弧矢(Y-direction)方向的PSF。图9B为生物样品331和生物样品332间隔1μm时，生物样品331和生物样品332成像光斑分别在子午(X-direction)和弧矢(Y-direction)方向的PSF。图9C为光学成像系统1000中去掉柱透镜、未引入像散时，生物样品331和生物样品332成像光斑在焦面111的PSF。

根据图9A所示的PSF的半高全宽来确定该光学成像系统1000在子午和弧矢方向的分辨率，如图10所示，表中依次列举了无柱透镜、有柱透镜Ⅰ、有柱透镜Ⅱ三种情况下，光学成像系统1000在子午方向的PSF半高全宽(像距(x))和弧矢方向的PSF半高全宽(像距(y))。其中，“有柱透镜Ⅰ”指的是生物样品331和生物样品332间隔为370nm的情况，“有柱透镜Ⅱ”指的是生物样品331和生物样品332间隔为1μm的情况。以PSF半高全宽作为像面分辨极限，此时像面信号采集装置170(CMOS或CCD)像素排布(X/Y)和光学成像系统1000的子午、弧矢方向(x/y)(即像面PSF长边、短边方向)重合，此时基因测序芯片3000在X和Y上最小的生物样品间隔为光学成像系统1000在x、y方向的分辨率。此时可用于双表面同时成像的成像检测系统2000在“有柱透镜I”、“有柱透镜Ⅱ”的情况下的数据产量是“无柱透镜”的情况下的130％和57％。如果将柱透镜或者信号采集装置170旋转45°，使得光学成像系统1000子午和弧矢方向和信号采集系统170的像素排列方向X、Y方向成45°，由于成像检测系统2000中产生的椭圆形光斑在X、Y方向的半径长度小于椭圆形光斑长边的“根号二的倒数”

倍，因此，如图9(b)所示，此时基因测序芯片3000X、Y方向上的生物样品间距可进一步减小到未旋转时的“根号二的倒数”

倍；此时可实现双表面同时成像的成像检测系统2000“有柱透镜I“、“有柱透镜Ⅱ”的数据产量是无柱透镜时的259％和113％，实现数据产量的提升。

可以理解，由于将柱透镜与信号采集装置170之间相对旋转，使像面PSF长边、短边与信号采集装置170的像素排列方向X、Y方向成一定角度，成像检测系统2000中产生的椭圆形光斑在X、Y方向的半径长度小于像面椭圆形光斑对应的长边与短边的长度，因此，相比像面PSF长边、短边与信号采集装置170的像素排列方向X、Y方向分别重合的情况，能提升数据产量。

以上例举了利用柱透镜使得光学成像系统获取具有像散特性的PSF,从而完成双表面成像，然而本发明可采用的像散透镜并不限于柱透镜这一种，还可利用其他特殊透镜或透镜的组合形成像散透镜，本发明可采用的像散模块亦不限于像散透镜，还可利用空间光调制器等使得光学成像系统获得具有类似像散特性的PSF或者双螺旋特性的PSF。

请参阅图11所示，为采用成像检测系统2000对基因测序芯片3000进行成像检测的成像检测方法流程图，包括以下步骤。

步骤S430,分析装置2100获取光学成像系统1000采集到的基因测序芯片3000上至少一个位置点W的成像光斑。

步骤S450，分析装置2100的碱基类型识别模块2110识别该位置点的碱基类型，例如，碱基类型识别模块2110根据已知条件如荧光通道及/或信号采集设备的不同识别所述位置点W的碱基的类型。

步骤S470，分析装置2100的上下碱基区分模块2120根据成像光斑的强度分布区分所述位置点W的碱基位于基因测序芯片3000的上表面310及/或下表面320。

例如，若碱基类型识别模块2110识别位置点W的碱基类型为一种，上下碱基区分模块2120则根据成像光斑的强度分布区分该种碱基是位于基因测序芯片3000的上表面310、下表面320还是同时分布在上下表面310、320；若碱基类型识别模块2110识别位置点W的碱基类型为两种，上下碱基区分模块2120则根据成像光斑的强度分布区分两种碱基中哪一种位于上表面310、哪一种位于下表面320。

进一步地，在步骤S430前，还可包括步骤S420：利用光学成像系统1000采集基因测序芯片3000上该位置点W发出的荧光信号，获得荧光信号的成像光斑。步骤S420之前还可包括如下步骤：步骤S410，将光学成像系统1000中的像散模块130与信号采集装置170相对旋转，使像面PSF的长边、短边与信号采集装置170的像素排列方向X、Y成一定角度，例如45°，再利用光学成像系统1000采集荧光信号。

进一步地，在步骤S410之前，还可包括步骤：激发基因测序芯片3000上该位置点W的荧光基团发出荧光信号，及调节所述光学成像系统1000的所述物镜110的焦面与所述基因测序芯片3000上表面310、下表面320之间的距离。

进一步地，步骤S470中，上下碱基区分模块2120将成像光斑的强度分布特征值与预设的样本图片的强度分布特征值进行比对，根据比对结果区分位于基因测序芯片3000的上表面310与下表面320的碱基。

进一步地，在步骤S420之前，所述成像检测方法还可包括步骤：S400，利用二维高斯函数分别对基因测序芯片3000上的生物样品331与生物样品332的成像光斑进行模拟，获得生物样品331与生物样品332分别在光学成像系统1000的子午、弧矢方向的强度分布的特征值，从而生成预设的样本图片的强度分布特征值。

请参阅图12所示，为采用成像检测系统2000对基因测序芯片3000进行成像检测时，提升双面成像数据通量的方法流程图，所述提升双面成像数据通量方法包括以下步骤。

步骤S510，将光学成像系统1000中的像散模块130与信号采集装置170相对旋转，使像面PSF的长边、短边与信号采集装置170的像素排列方向X、Y成一定角度。

步骤S530，利用光学成像系统1000采集基因测序芯片3000上不同位置点发出的荧光信号，获得荧光信号的成像光斑。

步骤S550，利用分析装置2100识别不同位置点中每一位置点的上下表面的碱基类型。

进一步地，步骤S510中，像面PSF的长边、短边与信号采集装置170的像素排列方向X、Y成45°。

本发明实施方式提供的光学成像系统、成像检测系统与方法及基因测序方法，通过在光学成像系统中设置像散模块，使基因测序芯片上下表面上的生物样品可被同步成像检测，解决了现有技术中只利用基因测序芯片的单一表面来加载生物样品,造成芯片与试剂的利用率不高的问题，同时，还解决了测序单面生物芯片的数据产量限制，降低了测序成本。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围的内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围的内。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括物镜、像散模块、会聚透镜/透镜组及信号采集装置，所述物镜、像散模块、会聚透镜/透镜组及信号采集装置沿光路方向依次排布，所述物镜用于会聚一基因测序芯片上下表面的荧光基团所发出的荧光信号，所述像散模块改变上下表面同一位置处的至少一个荧光基团对应的荧光信号的强度分布，所述会聚透镜/透镜组会聚所述荧光信号，使之被所述信号采集装置采集生成分别对应上表面荧光基团与下表面荧光基团的成像光斑。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述像散模块改变上表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，或者改变下表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，或者同时改变上表面与下表面的荧光基团对应的荧光信号的强度分布，使上表面与下表面的荧光基团对应的荧光信号被所述信号采集装置采集后，所生成的成像光斑沿子午和弧矢方向具有不同的点扩展函数。

3.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述像散模块为像散透镜，或者所述像散模块为柱透镜。

4.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统的像面点扩展函数长边沿着所述信号采集装置的像素对角线分布，或者，所述光学成像系统的像面点扩展函数长边沿着所述信号采集装置的像素排列方向分布。

5.一种成像检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的光学成像系统及分析装置，所述分析装置接收所述光学成像系统的成像光斑，包括：

碱基类型识别模块，用于识别所述基因测序芯片上下表面的碱基类别；及

上下碱基区分模块，用于根据所述基因测序芯片上下表面的荧光基团的成像光斑的强度分布区分所述碱基类型识别模块识别的碱基位于所述基因测序芯片的上表面还是下表面。

6.如权利要求5所述的成像检测系统，其特征在于，所述上下碱基区分模块将所述成像光斑的强度分布特征值与预设的样本图片的强度分布特征值进行比对，根据比对结果区分对应的碱基位于所述基因测序芯片的上表面还是下表面。

7.如权利要求6所述的成像检测系统，其特征在于，所述成像光斑的强度分布特征值为所述成像光斑点扩展函数在长边与短边的半高全宽值，所述预设的样本图片的强度分布特征值为所述预设的样本图片的光斑点扩展函数在长边与短边的半高全宽值。

8.一种成像检测方法，其特征在于，包括：

获取如权利要求1-4任一项所述的光学成像系统采集到的基因测序芯片上至少一个位置点的成像光斑；

识别该位置点的碱基的类型；及

根据所述成像光斑的强度分布区分所述碱基位于所述基因测序芯片的上表面及/或下表面。

9.如权利要求8所述的成像检测方法，其特征在于，将所述成像光斑的强度分布特征值与预设的样本图片的强度分布特征值进行比对，根据比对结果区分分别位于所述基因测序芯片的上表面与下表面的碱基。

10.一种基因测序方法，其特征在于，包括：

提供基因测序芯片，所述基因测序芯片包括上表面与下表面，所述基因测序芯片具有至少一位置点，在所述位置点所述上表面与下表面均具有用于加载生物样品的结构，且在所述位置点上表面及/或下表面加载了生物样品，所述生物样品携带荧光基团；

激发所述荧光基团以发出荧光信号；

调节如权利要求1-4任一项所述的光学成像系统的所述物镜的焦面与所述基因测序芯片上下表面之间的距离；

利用所述光学成像系统对所述基因测序芯片上的所述位置点的荧光信号进行采集，获得所述荧光信号的成像光斑；

识别该位置点的碱基的类型；及

根据所述成像光斑的强度分布区分所述碱基位于所述位置点的上表面及/或下表面。

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