CN111926065B - 一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置，该方法包括步骤：S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；S3：通过关联重构算法将定标矩阵A与测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，实现高效核酸检测和基因测序。本发明通过改变传统光学检测方式，提供一种核酸检测和基因测序方法及其装置，实现了高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。

Description

一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置
技术领域
本发明涉及分子诊断领域，更具体地涉及一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置。
背景技术
核酸、基因检测主要采用聚合酶链式反应（PCR）技术，是一种在体外特异性扩增靶DNA序列的技术，通过多个循环的变性、退火和延伸，能够使微量的遗传物质在几小时内得到几百万倍的扩增，然后通过检测PCR扩增后的荧光信号来定性或定量。PCR技术已经成为了生命科学研究和临床分子诊断领域最重要的支撑技术和核心驱动力。PCR技术主要包括实时荧光定量PCR（qPCR）技术和数字PCR（dPCR）技术。但目前PCR技术在高准确率、低浓度的和快速检测方面仍无法满足快速高效的核酸检测市场需求。商用的dPCR为了提高核酸检测效率，采用样本分割技术，通过制备了数万个乃至数百万个并行PCR反应单元，或是优化PCR反应体系、增加荧光通道数（多重PCR）来实现高通量、高灵敏的检测。但仍然无法解决长时间的PCR反应导致的检测效率低的问题。
基因测序是根据碱基互补配对原理来检测生命体的核酸序列，包括DNA测序和RNA测序，目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，通过对四类碱基标记四种不同的荧光基团，实现四色荧光成像，以此识别碱基。为了提高基因测序的效率，基因检测仪也经历了三代的发展，第二代测序仪的技术基础是高密度基因芯片的荧光成像，其优点是通量高、成本低，缺点是在测序之前都要通过聚合酶链式反应（PCR）实现DNA扩增的建库过程，这就可能引入外源的碱基突变，且二代测序技术普遍读长较短。第三代测序技术由于不需要经PCR 建库的过程，直接对样本中的 DNA 分子进行测序，其潜在优点是速度快、准确率高，且有望大幅度降低成本，但限于目前的技术发展水平，测序的错误率还较高，且通量和成本在短时间内也无法与第二代测序技术相比。
因此，目前的核酸、基因检测和测序技术因传统光学检测技术的限制仍然存在不可克服的瓶颈，主要体现在以下两个方面：
1）多通道检测效率：通过不同荧光染料进行标记，可获得不同通道的数据信息，提高单一样本的检测类别。但是由于光学检测手段的限制，目前市场上多通道的实现方式主要包括以下两种检测方式：一：采用多通道切换依次曝光检测方式，一次只能检测一种荧光试剂。检测效率较低，不能满足同时检测多种荧光试剂的目的；二：将单通道系统机械的进行叠加或集成，用光纤连接各个独立的检测系统和分开的各待检测试剂，这个检测效率相较于单通道系统有所提升，但整个系统的体积较大，成本较高。但是，以上两种方式都需要对多个荧光通道进行分步检测，样品被反复照射或者照射的时间有差异，荧光的淬灭性影响很难测定。并且不同荧光通道之间存在较大串扰和干扰，多色荧光检测技术存在技术不足。
2）检测时间：目前的光学检测手段由于探测灵敏度的限制，无法避免长时间的PCR的扩增反应来实现荧光累积，也就是说，光学检测能力决定了PCR的所需循环数。目前检测时间较长也是由于光学检测能力不足，导致所需的PCR循环数过多，从本质上无法满足快速检测的要求。因此，提高荧光探测灵敏度是实现快速PCR的重要手段，通过实现弱光检测能力，来达到大幅减少PCR扩增循环数的需求。实现弱光探测能力，一方面可从高信噪比、高纯度、高亮度荧光探针标记的样品制备方法出发，另一方面，优化光学系统，提高荧光弱信号的探测灵敏度是更本质的解决方法。
目前提高探测灵敏度的方法主要有以下两种：一：采用共聚焦式和光纤式两种光学结构，其优点是结构简单、荧光收集效率高，可具有更高检测精度，但由于采用点扫描方式，导致成像时间长，对于多通道检测，更是大大降低检测时间，另外，该方法对于光源和系统稳定性要求高，要避免由于发光强度的波动以及系统不稳定影响测量结果的准确性。二：设计大视场高通量的物镜来提高荧光收集效率，但这往往导致设备庞大且昂贵。
因此，由于传统光学检测技术的限制，使得信息获取效率低，从而制约探测灵敏度和通量，导致检测效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置，从而解决现有技术中的核酸检测和基因测序方法探测灵敏度低、通量低、导致检测效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种高效的核酸检测和基因测序方法，包括以下步骤：S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对所述多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；以及S3：通过关联重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即所述标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，实现高效的核酸检测和基因测序。
根据本发明提供的上述方法的工作原理在于：采用不同荧光探针标记目标核酸序列，光源激发并对多色荧光信号进行处理并采集，对采集的信号利用光学关联成像方法重构出标记的荧光探针的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。
在所述步骤S1中，所述空间和光谱定标矩阵A采用实验标定或光线追迹和波动光学计算，或深度学习训练获得，通过标定面上不同空间位置、不同波长的点光源被成像模块成像到面阵探测器上的光强分布，从而构建出所述空间和光谱定标矩阵A。
根据本发明的一个优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组，面阵探测器探测的是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度测量矩阵。
根据本发明的另一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块，其中空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是基于散斑图案的多色荧光二维强度测量矩阵。
根据本发明的又一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵，面阵探测器探测的是经过编码的多色荧光二维强度测量矩阵。
根据本发明的再一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件，色散元件对多色荧光信号的光谱色散分光，面阵探测器探测的是基于光谱信号的多色荧光二维强度测量矩阵。
在所述步骤S3中，针对探测到多色荧光二维强度信息，包括散斑信号、高斯光斑或艾里斑信号、编码信息和光谱信息，所述关联重构算法选自以下方法中的任意一种：
1）压缩感知算法，结合矩阵映射理论和光学关联成像算法，通过
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寻找信号的最优解，可快速恢复目标信号空间、光谱强度信息；
2）深度学习算法，通过构建神经网络模型，利用不同光子数水平下的弱荧光信号不断训练和优化网络，从而实现荧光弱信号图像的恢复；
3）极大似然估计算法，通过弱信号与强信号之间的统计概率关系，建立弱信号与需要恢复的信号之间的似然函数，利用似然函数与弱信号的外部先验信息结合构建目标函数，通过最优化方法优化似然函数，以此完成荧光弱信号的恢复，或是与压缩感知算法结合，实现基于稀疏泊松压缩感知算法；
4）基于稀疏约束的图像重构算法，通过标记荧光信号具有稀疏特性，结合噪声不能进行稀疏表达特点，对需要恢复的信号施加稀疏约束并结合噪声方差分布构建优化问题，进而利用最优化算法恢复原始荧光弱信号，或是与压缩感知算法结合，实现基于稀疏约束压缩感知算法。
根据本发明的第二方面，提供一种高效的核酸检测和基因测序装置，用于实现上述高效的核酸检测和基因测序方法。该装置包括：激发光源模块，根据核酸样品单重或多重靶点荧光标记的需求采用单路激发光源或多路激发光源激发；成像模块，包括：投影透镜组和多通道滤光片组；以及面阵探测器；其中，待检测的核酸样品经单路激发光源或多路激发光源激发样品后发出一色或多色荧光信号，经过成像模块调制、编码，再利用面阵探测器采样，最后采用关联重构算法恢复出样品中一色或多色荧光分子的空间、光谱和强度分布信息，实现对核酸样品的高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和测序。
所述待检测的核酸样品可以是用于核酸检测的实时荧光定量PCR（qPCR）样品，或数字PCR（dPCR）芯片，或用于基因测序的基因芯片等。核酸样品可根据检测需求标记的多种荧光基团。
所述激发光源模块根据荧光检测需求采用多路或单路激发光源。所述的激发光源是高功率、窄带的LED光源或激光。该激发光源模块无机械装置，结构简单，体积小，波长利用率高。
上述的成像模块分为以下4种：
1）由投影透镜组、多通道滤光片组组成，其中所述的投影透镜组可以采用大孔径短焦的复合透镜，或者高数值孔径物镜，或投影物镜，再或者微透镜阵列，来实现大视场，高效率的荧光信号收集。所述的多通道滤光片组包括二向色镜和探测模块前的滤光片，二向色镜用于将光源反射进所述透镜组，并透过所述透镜组收集的反射的荧光信号；所述滤波片为多通道滤光片，抑制激发光源的干扰，获取高信噪比的多色荧光信号。经过该成像模块，面阵探测器探测的是荧光信号高斯光斑或艾里斑信号。
2）由投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块组成，所述的投影透镜组、多通道滤光片组与上述1相同。空间调制模块则采用空间随机相位调制器对荧光信号实现光场随机调制，获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是整个成像面上散斑图案。所述的空间随机相位调制器为具有一定高宽比范围、颗粒随机分布的毛玻璃，或电脑编程控制产生随机相位的相位调制器。
3）由投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块组成，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或数字微镜器件（DMD）构建特定二维编码矩阵，对荧光信号进行强度编码，面阵探测器探测的是荧光信号编码的强度信息。
4）由投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件组成，所述的荧光收集透镜组、多通道滤光片组与上述第一种成像模块相同。所述色散元件采用光栅或棱镜，实现光谱色散分光，面阵探测器探测的是荧光信号空间和光谱信息。
所述面阵探测器采用由像增强器和高速CMOS相机结合构成的单光子相机，或采用光电倍增管（PMT）/雪崩二极管（APD）的二维阵列，具有纳秒级高速电子快门及皮秒级高精度时序控制，可实现单光子灵敏度的高速探测，同时有效的抑制背景光的干扰。亦可采用其它高灵敏的CMOS或CCD探测器。
本发明提供一种高效的核酸检测和基因测序方法，采用荧光探针标记目标核酸序列，光源激发并对荧光信号进行处理并采集，对采集的信号利用光学关联成像方法重构出标记的荧光探针的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、高灵敏、快速、多重核酸、基因检测和测序。基于该方法提供了一种高效的核酸检测和基因测序装置。本发明将基于光联成像的图像重构方法和算法应用到核酸、基因检测和测序中，利用先验信息，大大提高信息获取效率，以及图像恢复的信噪比、重构精度和速度，从而缩短核酸、基因检测和测序时间，提高了核酸检测效率、探测灵敏度、通量和准确度。
本发明所述的高效的核酸检测和基因测序方法和装置与现有方法和装置相比具有以下优点：
1）高灵敏度快速探测，采用关联成像方法，利用先验信息，可大幅度提高图像恢复信噪比和重构精度，结合单光子灵敏度的相机，提高探测灵敏度与图像信息的获取效率；同时可以在更少的PCR循环数内有效检测荧光信号，缩短检测时间。
2）多重荧光快速探测，采用随机相位调制器、编码和色散元件，并结合关联成像重构方法，可实现单次曝光多色荧光成像。克服传统多重荧光PCR检测和基因测序采用的多通道切换依次曝光方法从而检测速度慢的限制，且消除了荧光信号之间的干扰问题。实现多样本、多基因靶点实时同步快速检测，提高检测效率，降低检测成本。
3）低浓度核酸定量检测，本发明采用高灵敏、高通量的探测方式，突破传统核酸检测和基因测序对低浓度核酸样本的限制，在低浓度核酸检测上具有革命性的优势。
4）仪器的小型化，本发明光学系统结构简单，无机械传动装置，简化了传统PCR仪和基因测序装置多通道荧光切换需要的复杂的光机装置以及为了实现高通量而设计的庞大光学系统，有利于实现小型化。
综上所述，本发明改变传统光学检测方式，开发出了一种用于核酸检测和基因测序的光学关联成像方法，并基于此提出一种小型高效的核酸检测和基因测序装置，实现高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。
附图说明
图1为本发明提出的一种高效的核酸检测和基因测序方法原理和流程示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的基于空间相位调制器的小型高效的核酸检测和基因测序装置原理示意图。
图3为根据本发明的另一个实施例的基于色散元件的小型高效的核酸检测和基因测序装置原理示意图。
图4为根据本发明的另一个实施例的基于空间编码模块的小型高效的核酸检测和基因测序装置原理示意图。
图5为根据本发明的另一个实施例的小型高效的核酸检测和基因测序装置原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
第一实施例 高效的核酸检测和基因测序方法
如图1所示，根据本发明的第一实施例的一种高效的核酸检测和基因测序方法包括如下步骤：
步骤S1：样品面101上的点光源102发出的单波长λ1的荧光信号经成像模块调制或编码或直接成像到探测器上，探测器探测的二维荧光强度信息103作为定标矩阵A104的一列A(i,1)；接着在样品面101上移动点光源102到下个位置，获得该位置的强度信息作为A(i,2)，继续重复此操作，直到获得样品面101上每个位置点光源的强度信息103，作为定标矩阵A(i,1)~ A(i,n)；选择另一个波长λ2的点光源，重复上述操作，获得λ1~λm不同波长下、不同空间位置下点光源在探测面上的强度信息，构建空间和光谱定标矩阵Ai×j，其中i是二维探测器的像素数，j是m×n。该过程可以通过实验标定或光线追迹和波动光学计算，或深度学习训练获得。
步骤S2：采用不同荧光探针标记目标核酸序列106，制备具有空间分布的核酸芯片105，激发核酸芯片105发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对其进行调制、编码和采集，获得多色荧光强度信息107，构建二维强度测量矩阵Y108；
步骤S3：通过关联重构算法来将所述定标矩阵104与所述测量矩阵108进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X109，即所述核酸芯片105中标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息。
需要说明的是，在所述步骤S1和S2中，成像模块可以分为4种：
1. 包括投影透镜组、多通道滤光片组，面阵探测器探测的是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度测量矩阵。
2.包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块，其中空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是基于散斑图案的多色荧光二维强度测量矩阵。
3. 包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵，面阵探测器探测的是经过编码的多色荧光二维强度测量矩阵。
4. 包括投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件，色散元件对多色荧光信号的光谱色散分光，面阵探测器探测的是基于光谱信号的多色荧光二维强度测量矩阵。
因此，在所述步骤S1和S2中，探测到的二维荧光强度信息103和多色荧光强度信息107可以是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度信息，或基于散斑图案的多色荧光二维强度信息，或编码的多色荧光二维强度信息，或基于光谱信号的多色荧光二维强度信息。
需要说明的是，在所述步骤S3中关联成像算法具体包括以下4种：
1. 压缩感知算法，充分利用发展的压缩感知理论和算法，结合矩阵映射理论和算法，可快速恢复测量的荧光分子空间、光谱强度信息。
2. 深度学习算法，通过构建神经网络模型，包括卷积神经网络、全连接网络、生成对抗网络及其组合，通过利用不同光子数水平下的弱荧光信号去不断训练和优化网络，从而实现荧光弱信号图像的恢复。
3. 极大似然估计算法，通过弱信号与强信号之间的统计概率关系，建立弱信号与需要恢复的信号之间的似然函数，利用似然函数与弱信号的外部先验信息结合构建目标函数，通过最优化方法实现似然函数最大，再结合压缩感知算法结合，以此完成原始信号的恢复。
4. 基于稀疏约束的图像重构算法，通过标记荧光信号具有稀疏特性，结合噪声不能进行稀疏表达特点，对需要恢复的信号施加稀疏约束并结合噪声方差分布构建优化问题，进而利用最优化算法恢复原始荧光弱信号，并与压缩感知算法结合，实现基于稀疏约束压缩感知算法。
第二实施例 基于空间相位调制器的小型高效的核酸检测和基因测序装置
如图2所示为根据本发明的第一实施例的一种小型高效的核酸检测和基因测序装置，包括激发光源模块201、成像模块202~206、面阵探测器207。多路或单路的激发光源201经过二向色镜202反射，通过投影透镜组203照射到待检测的核酸样品204上，激发样品产生的荧光信号通过投影透镜组203，再经过二向色镜202透射，多通道滤光片组205进一步滤去激发光源的干扰，以及空间相位调制器206对荧光信号进行光场随机调制，获得荧光信号的散斑图像。再利用面阵探测器207对整个成像面上的散斑图像采样，最后采用关联成像重构算法恢复出样品中荧光分子的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、快速的多重核酸检测和基因测序。
在本实例中，激发光源模块201采用多路或单路的LED光源或激光。
在本实例中，待检测的核酸样品204可以是用于核酸检测的实时荧光定量PCR（qPCR）样品，或数字PCR（dPCR）芯片，或用于基因测序的基因芯片等。核酸样品可根据检测需求标记的多种荧光基团。
在本实例中，投影透镜组203可以采用大孔径短焦的复合透镜，或者高数值孔径物镜或投影物镜，再或者微透镜阵列，来实现大视场，高效率的荧光信号收集。
空间随机相位调制器206为具有一定高宽比范围、颗粒随机分布的毛玻璃，或电脑编程控制产生随机相位的相位调制器。
在本实例中，面阵探测器207可采用由像增强器和高速CMOS相机结合构成的单光子相机，或采用光电倍增管（PMT）/雪崩二极管（APD）的二维阵列，具有纳秒级高速电子快门及皮秒级高精度时序控制。
在本实施例中，针对面阵探测器探测到荧光散斑信号，荧光弱信号图像重构算法主要基于散斑场的关联成像重构算法，具体算法参照第一实施例中步骤S3。
由此，在本实施例中，基于散斑场随机测量的光学关联成像算法的好处在于，所述随机测量方法通过对荧光信号进行光场随机调制，提升了信号的随机特性，更能满足压缩感知随机测量的要求，大幅度提高了信号重构的定位精度和密度，并且具有光谱分辨能力，实现单次曝光多色成像，该方法极大地提升了信息获取效率，能实现快速、高通量、高灵敏的核酸检测和基因测序。
第三实施例 基于色散元件的小型高效的核酸检测和基因测序装置
如图3所示为根据本发明的第三实施例的一种小型高效的核酸检测和基因测序装置，包括激发光源模块301、成像模块302~306、面阵探测器307。多路或单路的激发光源301经过二向色镜302反射，通过投影透镜组303照射到待检测的核酸样品304上，激发样品产生的荧光信号通过投影透镜组303，再经过二向色镜302透射，多通道滤光片组305进一步滤去激发光源的干扰，以及色散元件306对荧光信号进行光谱色散分光，获得荧光信号的光谱信息。再利用面阵探测器307对整个成像面上的荧光信号空间和光谱信息进行采样，最后采用关联成像重构算法恢复出样品中荧光分子的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、快速的多重核酸检测和基因测序。
在本实例中，激光光源模块301、多通道滤光片组302、投影透镜组303、待测核酸样品304、面阵探测器307同实施例一。
在本实例中，色散元件306可以是光栅或棱镜。
在本实施例中，针对面阵探测器探测到荧光信号空间和光谱信息，光联成像重构算法主要基于空间和光谱信号的关联成像计算，具体算法参照第一实施例中步骤S3。
第四实施例 基于空间编码模块的小型高效的核酸检测和基因测序装置
如图4所示为根据本发明的第四实施例的一种小型高灵敏多重核酸快速检测仪，包括激发光源模块401、成像模块402~406、面阵探测器407。多路或单路的激发光源401经过二向色镜402反射，通过投影透镜组403照射到待检测的核酸样品404上，激发样品产生的荧光信号通过投影透镜组403，再经过二向色镜402透射，多通道滤光片组405进一步滤去激发光源的干扰，以及空间编码模块406对荧光信号进行空间强度编码。再利用面阵探测器407对整个成像面上的编码后的荧光信号空间信息进行采样，最后采用关联成像重构算法恢复出样品中荧光分子的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、快速的多重核酸检测和基因测序。
在本实例中，激光光源模块401、多通道滤光片组402、投影透镜组403、待测核酸样品404、面阵探测器407同实施例一。
在本实例中，空间编码模块406采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵。
在本实施例中，针对面阵探测器探测到荧光信号编码后的空间信息，光联成像重构算法主要基于编码的空间信号的关联成像计算，具体算法参照第一实施例中步骤S3。
第五实施例 小型高效的核酸检测和基因测序装置
如图5所示为根据本发明的第五实施例的一种小型高灵敏多重核酸快速检测仪，包括激发光源模块501、成像模块502~505、面阵探测器506。多路或单路的激发光源501经过二向色镜502反射，通过投影透镜组503照射到待检测的核酸样品504上，激发样品产生的荧光信号通过投影透镜组503，再经过二向色镜502透射，多通道滤光片组505进一步滤去激发光源的干扰。获得基于点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑的荧光信号图像，利用面阵探测器506对整个成像面上的荧光信号直接采样，最后采用关联成像重构算法恢复出样品中荧光分子的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、快速的多重核酸检测和基因测序。
在本实例中，激光光源模块501、投影透镜组503、多通道滤光片组502、待测核酸样品504、面阵探测器506同实施例一。
在本实施例中，针对面阵探测器探测到荧光信号空间分布的点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑，关联成像重构算法主要基于采用点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑的强度关联计算，具体算法参照第一实施例中步骤S3。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0：提供一种高效的核酸检测和基因测序装置，包括：激发光源模块，根据核酸样品单重或多重靶点荧光标记的需求采用单路激发光源或多路激发光源激发；成像模块，包括：投影透镜组和多通道滤光片组，还包括：空间调制模块或空间编码模块或色散元件，其中，所述空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，所述空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵；以及面阵探测器，所述面阵探测器采用基于微通道板的像增强器和高速CMOS相机结合构成的单光子相机，或采用光电倍增管/雪崩二极管的二维阵列；
S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；
S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对所述多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；以及
S3：通过关联成像算法来将所述定标矩阵A与所述测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即所述标记核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，从而实现高效的核酸检测和基因测序。
2.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述空间和光谱定标矩阵A采用实验标定或光线追迹和波动光学计算或深度学习训练获得，通过标定面上不同空间位置、不同波长的点光源被成像模块成像到面阵探测器上的光强分布，从而构建出所述空间和光谱定标矩阵A。
3.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组，面阵探测器探测的是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度测量矩阵。
4.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块，其中空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是基于散斑图案的多色荧光二维强度测量矩阵。
5.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵，面阵探测器探测的是经过编码的多色荧光二维强度测量矩阵。
6.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件，色散元件对多色荧光信号的光谱色散分光，面阵探测器探测的是基于光谱信号的多色荧光二维强度测量矩阵。
7.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述关联成像算法选自以下方法中的任意一种：
1）压缩感知算法，结合矩阵映射理论和光学关联成像算法，通过
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寻找信号的最优解，可快速恢复目标信号空间、光谱强度信息；
2）深度学习算法，通过构建神经网络模型，利用不同光子数水平下的弱荧光信号不断训练和优化网络，从而实现荧光弱信号图像的恢复；
3）极大似然估计算法，通过弱信号与强信号之间的统计概率关系，建立弱信号与需要恢复的信号之间的似然函数，利用似然函数与弱信号的外部先验信息结合构建目标函数，通过最优化方法优化似然函数，以此完成荧光弱信号的恢复，或是与压缩感知算法结合，实现基于稀疏泊松压缩感知算法；
4）基于稀疏约束的图像重构算法，通过标记荧光信号具有稀疏特性，结合噪声不能进行稀疏表达特点，对需要恢复的信号施加稀疏约束并结合噪声方差分布构建优化问题，进而利用最优化算法恢复原始荧光弱信号，或是与压缩感知算法结合，实现基于稀疏约束压缩感知算法。
8.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，所述激发光源为LED或激光。
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