CN111349553A - 一种基因测序仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基因测序仪光学系统，包括：光源组件，光源组件用于发射激光；光路组件，光路组件包括二色镜、物镜、分光器和聚光镜；分光器安装在二色镜透射荧光的光路上，用于分离不同波长的荧光；聚光镜安装在分光器分离荧光的光路上，用于聚焦分离后的荧光；以及相机，相机的感光面可调整的固定在聚光镜的焦面上，用于收集聚光镜聚焦的荧光生成相应的图像。由于在二色镜和相机之间安装有分光器和聚光镜，二色镜透射的包括多种不同波长的荧光能够被分光器分离开，再通过聚光镜分别聚焦到相机上，使得采用一个二色镜和一个相机能够完成对不同波长荧光的采集成像，能够满足测序的需要，光路更为简单，成本也更低。
Description
技术领域
本申请涉及基因测序技术领域，具体涉及一种基因测序仪光学系统。
背景技术
基因测序(包括DNA测序和RNA测序)是研究核酸的重要方法之一。DNA测序是指分析特定DNA片段的碱基排列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)的排列方式。同理，RNA测序是指分析特定RNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)的排列方式。
目前普遍采用荧光标记的方法进行基因测序，基因测序仪中需要设置激光照明光路和荧光采集光路分别来激发和采集荧光信号。
现有技术中的基因测序仪光学系统，采用多个二色镜片将不同波长的荧光收集到多个采集相机中，光学结构比较复杂，同时采用多个采集相机成本较高，导致研制成本较大。
发明内容
本申请提供一种光路简单、成本低的基因测序仪光学系统。
一种实施例中提供一种基因测序仪光学系统，包括：
光源组件，光源组件用于发射激光；
光路组件，光路组件包括二色镜、物镜、分光器和聚光镜；二色镜安装在光源组件发射的激光的光路上，用于反射激光和透射基因测序芯片上激发出的荧光；物镜安装在二色镜反射激光的光路上，用于将激光聚焦在基因测序芯片上和将基因测序芯片激发产生的荧光透射至二色镜；分光器安装在二色镜透射荧光的光路上，用于分离不同波长的荧光；聚光镜安装在分光器分离荧光的光路上，用于聚焦分离后的荧光；
以及相机，相机的感光面安装在聚光镜的焦面上，用于收集聚光镜聚焦的荧光生成相应的图像。
进一步地，相机的感光面上具有若干个阵列像元，分光器和聚光镜用于将不同波长的荧光分离聚焦对应到相机的不同像元上。
进一步地，分光器为棱镜或光栅。
进一步地，二色镜倾斜45°的安装在光源组件发射的激光的光路上。
进一步地，光源组件还包括光源和匀光装置，光源用于发射不同波长的激光，匀光装置安装在光源发射激光的光路上，用于对光源发射的激光进行匀光处理。
进一步地，光源组件还包括光纤，光纤与光源连接，光源通过光纤传输发射激光。
进一步地，光路组件还包括第一滤光片和第二滤光片；第一滤光片安装在光源组件和二色镜之间的光路上，用于透射激光和拦截其他光；第二滤光片安装在二色镜和分光器之间的光路上，用于透射激发的荧光和拦截其他光。
进一步地，光路组件还包括准直镜，准直镜安装在光源组件和第一滤光片之间，用于将激光准直成平行光。
依据上述实施例的基因测序仪光学系统，由于在二色镜和相机之间安装有分光器和聚光镜，二色镜透射的包括多种不同波长的荧光能够被分光器分离开，再通过聚光镜分别聚焦到相机上，使得采用一个二色镜和一个相机能够完成对不同波长荧光的采集成像，能够满足检测的需要，光路更为简单，成本也更低。
附图说明
图1为一种实施例中基因测序仪光学系统的结构示意图；
图2为一种实施例中物面和像面的机构示意图；
图3为一种实施例中采用棱镜分光的基因测序仪光学系统的结构示意图；
图4为一种实施例中棱镜分光的原理图。
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。
本实施例提供了一种基因测序仪光学系统，用于对基因测序芯片上不同碱基进行测序。本实施例中以基因测序芯片上四种DNA碱基为例，四种碱基分别采用不同的荧光染料进行染色，四种碱基受激光照射将分别激发出四种不同波长的荧光。
如图1所示，本实施例的基因测序仪光学系统主要包括光源组件10和光路组件20和相机30，光源组件10用于发射激光，光路组件20用于将光源组件10发射的激光照射至基因测序芯片40上，并将基因测序芯片40激发产生的荧光照射至相机30上，即光路组件20包括照射光路20a和采集光路20b。
具体的，光源组件10包括光源11和匀光装置12，光源11为多波长激光器，用于发射不同波长的激光，匀光装置12可以采用匀光棒，也可为其他具有匀光效果的结构，匀光装置12安装在光源11发射激光的光路上，匀光装置12用于将激光处理成均匀光(强度均匀的激光)。
为了更好的发射激光，光源组件10还包括光纤13，光纤13的入射端与光源11连接，光纤13的出射端与匀光装置12相对，光纤13为可弯曲的线缆，使得光源11无需与匀光装置12安装在一条直线上，有利于设备的小型化。
光路组件20包括二色镜21、物镜22、分光器23和聚光镜24，二色镜21安装在匀光装置12透射激光的光路上，二色镜21用于反射激光和透射激发的荧光，二色镜21相对激光的光轴倾斜45°，将激光垂直90°的反射出去。物镜22位于二色镜21反射激光的光路上，物镜22的出射端的焦面安放有基因测序芯片40，物镜22用于将激光聚焦照射到基因测序芯片40上，物镜22还用于透射基因测序芯片40上四种碱基激发的四种波长的荧光。分光器23安装在二色镜21透射荧光的光路上，分光器23用于将四种不同波长的荧光分离开。聚光镜24安装在分光器23分离光的光路上，聚光镜24用于将分离后的荧光聚焦照射到相机30上。
为了提高成像的信噪比，光路组件20还包括第一滤光片25和第二滤光片26，第一滤光片25安装在匀光装置12和二色镜21之间的光路上，第一滤光片25用于透射激光和拦截其他光，尤其对荧光波段的光进行深度截止，可有效防止其他光入射到二色镜21上，保证了仅光源组件10发射的激光照射到基因测序芯片40上。第二滤光片26安装在二色镜21和分光器23之间的光路上，第二滤光片26用于透射碱基激发的荧光和拦截其他光，尤其对激光波段的光进行深度截止，避免其他光照射到相机30上，影响检测的准确性。
为了将更为均匀的激光照射到基因测序芯片40上，光路组件20还包括准直镜27，准直镜27安装在匀光装置12和第一滤光片25之间，准直镜27用于将匀化后的激光形成平行光照射到第一滤光片25上。
基因测序芯片40放置在物镜22出射端的焦面上，基因测序芯片40上排布有不同染料的四种碱基，在激光的照射下将产生不同的波长的荧光。不同的波长的荧光可通过相机进行采集成像。
相机30安装在聚光镜24发射端的焦面上，相机30上具有若干阵列的像元，聚光镜24将四种波长的荧光分别照射至相机30上四个不同的像元上，从而一个相机30可同时检测出四种不同的碱基。
光路组件20中的准直镜27、第一滤光片25、二色镜21和物镜22形成激光的照射光路20a，物镜22、二色镜21、第二滤光片26、分光器23和聚光镜24形成荧光的采集光路20b。
本实施例的相机30的成像原理为：如图2所述，基因测序芯片40为物面B，相机30的感光面为像面A，物面A和像面B对应，基因测序芯片40上荧光球41(碱基)的列间距为行间距的4倍，相机30的感光面上同一列四个像元分别为λ4像元、λ3像元、λ2像元、λ1像元，采用分光器23进行四路荧光分离后，基因测序芯片40上的一个荧光球41根据其荧光波长的不同，对应为相机30的感光面上同一列λ4像元、λ3像元、λ2像元、λ1像元中的一个。如图3所示，根据色散曲线可知，波长长的荧光折射率低，波长短的荧光折射率高，因此经过棱镜出射后的荧光自左而右波长越来越短，依次为λ4、λ3、λ2、λ1，出射后的四路荧光以不同的角度入射到聚光镜24经过会聚后，成像在相机感光面的同一列的λ4像元、λ3像元、λ2像元、λ1像元上。从而相机30的感光面可采集四种不同波长的荧光，根据荧光球41对应成像的位置，可判断出碱基的类型。
本实施例的分光器23的分光原理为：
分光器23可以为棱镜或光栅，但不局限于棱镜、光栅，任何能够实现分光功能的分光器都应包括其中。本实施例中以棱镜为例进行说明。
棱镜的分光是由于棱镜材料对不同波长入射光的折射率不同造成的，如图4所示，顶角为α的棱镜，光束以为角度θ1入射，根据折射定律，有
sinθ1＝nsinθ2；nsinθ3＝sinθ4
根据几何关系，有
α＝θ2+θ3
于是得到
根据公式(1)，通过优化棱镜顶角α、棱镜入射角度θ1、棱镜材料和荧光波长，可以实现出射四路荧光之间的角度偏差相等，进而通过优化聚光镜24的焦距，实现四路荧光聚焦在一列四个像元上。以下为一种可能的组合及其优化过程：
当棱镜顶角α＝3°，棱镜入射角度θ1＝3°，棱镜材料为熔石英，四路荧光波长分别为λ1＝570nm，λ2＝610nm，λ3＝660nm，λ4＝720nm时，
首先根据熔石英的色散方程得到四路荧光的折射率分别为：
n1＝1.45939，n2＝1.45806，n3＝1.45671，n4＝1.45541；
带入公式(1)后，得到四路出射荧光之间的角度偏差为0.004°。
根据h＝f·tanθ，按照相机像元大小为6.5μm计算，得到聚光镜24的焦距为
f＝h/tanθ＝93mm。
即选取焦距为93mm的聚光镜。
本实施例提供的基因测序仪光学系统，由于在二色镜21和相机30之间安装有分光器23和聚光镜24，二色镜21透射的包括多种不同波长的荧光能够被分光器23分离开，再通过聚光镜24分别聚焦到相机30上，使得采用一个二色镜21和一个相机30能够完成对不同波长荧光的采集成像，能够满足检测的需要，光路更为简单，成本也更低。
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 (8)
1.一种基因测序仪光学系统，其特征在于，包括：
光源组件，所述光源组件用于发射激光；
光路组件，所述光路组件包括二色镜、物镜、分光器和聚光镜；所述二色镜安装在所述光源组件发射的激光的光路上，用于反射激光和透射基因测序芯片上激发的荧光；所述物镜安装在所述二色镜反射激光的光路上，用于将激光聚焦在基因测序芯片上和将基因测序芯片激发产生的荧光透射至二色镜；所述分光器安装在所述二色镜透射荧光的光路上，用于分离不同波长的荧光；所述聚光镜安装在所述分光器分离荧光的光路上，用于聚焦分离后的荧光；
以及相机，所述相机的感光面可调整的固定在所述聚光镜的焦面上，用于收集所述聚光镜聚焦的荧光生成相应的图像。
2.如权利要求1所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述相机的感光面上具有若干个阵列像元，所述分光器和聚光镜用于将不同波长的荧光分离聚焦对应到所述相机的不同像元上。
3.如权利要求1所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述分光器为棱镜或光栅。
4.如权利要求1所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述二色镜倾斜45°的安装在所述光源组件发射的激光的光路上。
5.如权利要求1所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述光源组件还包括光源和匀光装置，所述光源用于发射不同波长的激光，所述匀光装置安装在所述光源发射激光的光路上，用于对光源发射的激光进行匀光处理。
6.如权利要求5所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述光源组件还包括光纤，所述光纤与所述光源连接，所述光源通过所述光纤传输发射激光。
7.如权利要求1所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述光路组件还包括第一滤光片和第二滤光片；所述第一滤光片安装在所述光源组件和二色镜之间的光路上，用于透射激光和拦截其他光；所述第二滤光片安装在所述二色镜和分光器之间的光路上，用于透射激发的荧光和拦截其他光。
8.如权利要求7所述的基因测序仪光学系统，其特征在于，所述光路组件还包括准直镜，所述准直镜安装在所述光源组件和第一滤光片之间，用于将激光准直成平行光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
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. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200630 |