CN115575395A - 基于基因测序的光学监控系统及其监控方法、测序系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于基因测序的光学监控系统及其监控方法、测序系统，包括红外光源、扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，红外广角镜头设置于支撑结构件的中心位置，红外光源与扩散镜组一一对应，红外光源及扩散镜组均设置于支撑结构件且均匀分布在红外广角镜头的周围；红外光源用于发射红外光线；扩散镜组用于将红外光源发射的红外光线进行发散，以使发散的红外光线照射到待测序基因芯片；红外广角镜头用于接收并会聚待测序基因芯片散射的红外光线，以使散射的红外光线到达相机；相机用于根据接收的红外光线对待测序基因芯片进行成像并拍摄。本发明实施例通过光学成像实时监控测序芯片中液体情况，准确性好，可广泛应用于检测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于基因测序的光学监控系统及其监控方法、测序系统。
背景技术
第二代基因测序仪采用边合成边测序（SBS：sequencing-by-synthesis）的技术，需要每次测序前在测序芯片中按顺序通入不同的试剂进行生化反应。生化反应完成后，还需要通入含有抗氧化剂的溶液留存于芯片中，保护成像过程中激光对DNA的光损伤。在系统实际泵入流体的过程中，主要会发生以下两个问题：一、有异物堵住电磁阀造成某种试剂无法通入芯片，这样会导致生化反应中某个过程无法被执行，可能会导致该轮测序失败。二、流体系统气密性出现问题，或者流速变化导致通入的液体中存在气泡；存在气泡的区域由于无法充分接触到试剂，会导致生化反应不充分；如果在测序拍照时存在气泡，由于气泡对光线的反射，由此导致自动对焦系统用于追焦的激光强度发生显著变化，使自动对焦系统对焦面位置产生误判，造成追焦失败。综上所述，流体系统产生问题对测序结果的影响是非常显著的。因此，实时监控测序芯片中流体的状态，对保证测序质量，准确定位产生问题的原因具有十分重要的意义。
现在主流监控流体的方式是在测序芯片前端或后端安装压力传感器，通过监控流道中的压力来判断泵液时流路的状态是否异常。但是，用压力传感器来监控测序芯片中液体的情况，存在以下几个问题：一、压力传感器只能装在测序芯片外部的管路上，无法直接反馈测序芯片中的实时情况；二、管路中存在大段空气时，压力传感器的压力表数值才会发生明显改变。
基于以上原因，压力传感器即使检测出了大段的空气，也无法说明该段空气的一部分也同时存在测序芯片中；就算是未检测出空气，也无法说明该轮泵液过程中测序芯片内无小段的气泡残留，只能通过最后的测序数据来判断，无法做到实时纠正错误；并且，压力传感器对小气泡的检测无能为力，因此无法避免小气泡对测序过程中追焦的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于基因测序的光学监控系统及其监控方法、测序系统，可以通过光学成像实时监控测序芯片中液体情况，准确性好。
本发明实施例提供了一种基于基因测序的光学监控系统，包括若干个红外光源、若干个扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，所述红外广角镜头设置于所述支撑结构件的中心位置，所述红外光源与所述扩散镜组一一对应，所述红外光源及所述扩散镜组均设置于所述支撑结构件且均匀分布在所述红外广角镜头的周围；其中，
所述红外光源，用于发射红外光线；
所述扩散镜组，用于将所述红外光源发射的红外光线进行发散，以使发散的红外光线照射到待测序基因芯片；
所述红外广角镜头，用于接收并会聚所述待测序基因芯片散射的红外光线，以使散射的红外光线到达所述相机；
所述相机，用于根据接收的红外光线对所述待测序基因芯片进行成像并拍摄。
可选地，所述扩散镜组包括两个凹透镜，凹透镜的焦距满足以下条件：
-7.5mm<f1<-4.5mm
-16.5mm<f2<-13.5mm
其中，f1表示第一凹透镜的焦距，f2表示所述第二凹透镜的焦距。
可选地，所述扩散镜组和所述红外光源组成照明模块，所述照明模块满足以下关系：
13mm<d1<17mm
8.5mm<d2<11.5mm
其中，d1表示所述红外光源与所述第一凹透镜之间的距离，d2表示所述凹透镜与所述第二凹透镜的距离。
可选地，所述光学监控系统包括四个所述照明模块，所述支撑结构件为圆形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间形成的夹角均为直角，所有所述照明模块与所述红外广角镜头之间的距离均相等。
可选地，所述光学监控系统包括八个所述照明模块，所述支撑结构件为正方形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间形成的夹角均为45度，所有所述照明模块呈矩阵排布。
可选地，所述光学监控系统还包括处理器，所述处理器用于根据所述相机拍摄的视频计算液体流动的速度。
可选地，通过以下公式计算液体流动的速度：
V=(N×Z)/(m×t)
其中，V表示液体流动的速度，t表示时间，N表示t时间段内流道中气泡通过相机的像素个数，Z表示像素尺寸，m表示放大倍率。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基因测序系统，包括基因测序仪、测试芯片及上述的光学监控系统；其中，
所述基因测序仪，用于对所述测试芯片进行基因测序；
所述光学监控系统，用于对所述测试芯片中的液体进行监控。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于基因测序的光学监控系统的监控方法，包括：
控制相机拍摄测试芯片的测试图像；
根据所述测试图像实时监控所述测试芯片中液体包含的气泡情况。
可选地，当液体中包含气泡，所述监控方法还包括：
根据所述测试图像确定气泡在预设时间段内通过相机的像素个数；
根据所述测试图像的像素尺寸、放大倍率、所述预设时间段及所述像素个数确定液体流动的速度。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中的光学监控系统包括多个红外光源和扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，红外光源与扩散镜组一一对应，红外光源及扩散镜组均匀分布在红外广角镜头的周围；红外光源发出的红外光经过扩散镜组发散后照射到待测序基因芯片，待测序基因芯片散射的红外光经过红外广角镜头收集并会聚后到达相机并成像，通过相机拍摄的图像对测序基因芯片中液体情况进行实时监测；红外光源不会加重检测导致的碱基荧光光漂白，不影响后续测序的信噪比；若干个红外光源发出的红外光经过扩散镜组发散后对基因测序芯片进行照明，基因测序芯片散射的红外光通过红外广角镜头到达相机成像，通过扩散镜组和红外广角镜头在有限的距离范围内，实现大面积基因测序芯片的均匀照明，提高相机的成像质量；因此，通过该光学监控系统能够实时地准确监控基因测序芯片中液体情况。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于基因测序的光学监控系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种照明模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种基于基因测序的光学监控系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基因测序芯片的照明强度仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
由于基因测序系统限制，基因测序的光学监控系统和基因测序芯片的空间间隔无法设置太长。因此，基因测序的光学监控系统如果要提高成像质量，需在有限的空间中实现大面积的均匀照明。例如，在一个具体的实施例中，扩散镜组最后一片镜片的后表面到基因测序芯片的距离为27mm，成像视野对角线为70mm。
本发明实施例提供了一种基于基因测序的光学监控系统，包括若干个红外光源、若干个扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，所述红外广角镜头设置于所述支撑结构件的中心位置，所述红外光源与所述扩散镜组一一对应，所述红外光源及所述扩散镜组均设置于所述支撑结构件且均匀分布在所述红外广角镜头的周围；其中，
所述红外光源，用于发射红外光线；
所述扩散镜组，用于将所述红外光源发射的红外光线进行发散，以使发散的红外光线照射到待测序基因芯片；
所述红外广角镜头，用于接收并会聚所述待测序基因芯片散射的红外光线，以使散射的红外光线到达所述相机；
所述相机，用于根据接收的红外光线对所述待测序基因芯片进行成像并拍摄。
参阅图1，图1中（a）是光学监控系统的剖视图，图1中（b）是光学监控系统中支撑结构件的俯视图，光学监控系统包括相机1-1、红外广角镜头1-2、红外光源1-3、扩散镜组1-4和支撑结构件1-5，红外光源1-3和扩散镜组1-4一一对应，红外广角镜头1-2设置于支撑结构件1-5的中心位置，红外光源1-3和扩散镜组1-4均匀分布在红外广角镜头1-2的周围。红外光源1-3发出的红外光经过扩散镜组1-4发散，照射到测序芯片上，测序芯片散射的红外光通过红外广角镜头1-2收集并会聚，到达相机1-1成像。
需要说明的是，红外光源包括但不限于红外LED或红外激光等，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
需要说明的是，红外光源和扩散镜组的位置一一对应，红外光源与扩散镜组的数量相等，红外光源与扩散镜组的数量根据实际应用需求及支撑结构件的形状确定，本实施例不做具体限制。红外光源和扩散镜组在支撑结构件上的具体位置分布，根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
需要说明的是，红外广角镜头采用现有的广角镜头，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
可选地，所述扩散镜组包括两个凹透镜，凹透镜的焦距满足以下条件：
-7.5mm<f1<-4.5mm
-16.5mm<f2<-13.5mm
其中，f1表示第一凹透镜的焦距，f2表示所述第二凹透镜的焦距。
具体地，参阅图2，扩散镜组1-4包括第一凹透镜4-1和第二凹透镜4-2，第一凹透镜4-1靠近红外光源1-3，红外光源1-3发射的红外光依次经过第一凹透镜4-1和第二凹透镜4-2。第一凹透镜4-1与第二凹透镜4-2的凹面相对。
需要说明的是，第一凹透镜和第二凹透镜的焦距具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。如，在一个具体的实施例中，第一凹透镜的焦距f1取值-6mm，第二凹透镜的焦距f2取值-15mm。
可选地，所述扩散镜组和所述红外光源组成照明模块，所述照明模块满足以下关系：
13mm<d1<17mm
8.5mm<d2<11.5mm
其中，d1表示所述红外光源与所述第一凹透镜之间的距离，d2表示所述第一凹透镜与所述第二凹透镜的距离。
参阅图2，照明模块包括红外光源1-3和扩散镜组1-4，扩散镜组1-4包括第一凹透镜4-1和第二凹透镜4-2。红外光源1-3、第一凹透镜4-1和第二凹透镜4-2可以通过镜筒的形式按照设计的距离进行排列安装。
需要说明的是，红外光源、第一凹透镜和第二凹透镜之间的距离根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，红外光源与第一凹透镜之间的距离设置为15mm，第一凹透镜和第二凹透镜之间的距离设置为10mm。
光学监控系统中照明模块的个数及排布方式以均匀照明为原则，具体根据实际的应用确定。例如，光学监控系统包括4、8或12个等照明模块。
可选地，所述光学监控系统包括四个所述照明模块，所述支撑结构件为圆形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间形成的夹角均为直角，所有所述照明模块与所述红外广角镜头之间的距离均相等。
参阅图3，图3中（a）是另一种光学监控系统的剖视图，图3中（b）是另一种光学监控系统中支撑结构件的俯视图，光学监控系统包括相机1-1、红外广角镜头1-2、红外光源1-3、扩散镜组1-4和支撑结构件1-5，支撑结构件1-5为圆形结构，红外光源1-3和扩散镜组1-4一一对应，红外光源1-3和扩散镜组1-4组成照明模块，红外广角镜头1-2设置于支撑结构件1-5的中心位置，四个红外光源1-3和四个扩散镜组1-4均匀分布在红外广角镜头1-2的周围。
可选地，所述光学监控系统包括八个所述照明模块，所述支撑结构件为正方形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间形成的夹角均为45度，所有所述照明模块呈矩阵排布。
参阅图1，光学监控系统包括相机1-1、红外广角镜头1-2、红外光源1-3、扩散镜组1-4和支撑结构件1-5，支撑结构件1-5为正方形结构，红外光源1-3和扩散镜组1-4一一对应，红外光源1-3和扩散镜组1-4组成照明模块，红外广角镜头1-2设置于支撑结构件1-5的中心位置，八个红外光源1-3和八个扩散镜组1-4呈矩阵排列且均匀分布在红外广角镜头1-2的周围。
参阅图4，采用图1中的光学监控系统对基因测序芯片的照明进行仿真，图4中（a）表示照明强度仿真结果，图4中（b）表示照明强度仿真对应的横向强度值。从图4可知，在±35mm范围内最小值为10.52，最大值为13.18，照明均匀度为10.52/13.18=0.798，因此在70mm范围内照明均匀度大于60%，符合监控系统的要求。
可选地，所述光学监控系统还包括处理器，所述处理器用于根据所述相机拍摄的视频计算液体流动的速度。
可选地，通过以下公式计算液体流动的速度：
V=(N×Z)/(m×t)
其中，V表示液体流动的速度，t表示时间，N表示t时间段内流道中气泡通过相机的像素个数，Z表示像素尺寸，m表示放大倍率。
本发明实施例还提供了一种基因测序系统，包括基因测序仪、测试芯片及上述的光学监控系统；其中，
所述基因测序仪，用于对所述测试芯片进行基因测序；
所述光学监控系统，用于对所述测试芯片中的液体进行监控。
基因测序系统中，基因测序仪对测试芯片进行基因测序，光学监控系统对测试芯片中的液体进行监控，便于实时根据液体的气泡情况，对测试芯片中通入的液体进行实时调控，提高基因测序结果的准确性。
本发明实施例还提供了一种基于基因测序的光学监控系统的监控方法，包括：
S100、控制相机拍摄测试芯片的测试图像；
S200、根据所述测试图像实时监控所述测试芯片中液体包含的气泡情况。
具体地，处理器还包括图像处理功能，如提取图像中流道的气泡。处理器根据图像中气泡的流动速度计算流道中液体流动的速度。需要说明的是，测试图像包括但不限于测试视频和测试照片。
基因测序仪对测试芯片进行测序时，控制光学监控系统中的相机对测试芯片进行拍摄得到测试图像，从测试图像中确定液体流道中的是否包含气泡，如果包含气泡，可以同时确定气泡的大小或流速等信息。
可选地，当液体中包含气泡，所述监控方法还包括：
S300、根据所述测试图像确定气泡在预设时间段内通过相机的像素个数；
S400、根据所述测试图像的像素尺寸、放大倍率、所述预设时间段及所述像素个数确定液体流动的速度。
预设时间段根据实际需求确定，本实施例不做具体限制。具体地，首先，采用图像处理软件提取测试图像中液体包含的气泡，并确定气泡在预设时间段内通过相机的像素个数；然后，根据相机的参数设置确定测试视频的像素尺寸及放大倍率；然后，根据上述的液体流动的速度计算公式、像素尺寸、放大倍率、预设时间段及预设时间段内的像素个数确定液体流动的速度。
从监控系统中相机拍摄的图像可知，气泡在流道中的图像清晰可见。相机拍摄的视频记录了液体中气泡从左往右移动的速度，根据气泡的移动速度即可计算出液体流动的速度。
如果发现某个流道中存在气泡，可以通过启动泵液流程将气泡冲走，减少由于气泡对基因测序芯片产生的影响。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中的光学监控系统包括多个红外光源和扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，红外光源与扩散镜组一一对应，红外光源及扩散镜组均匀分布在红外广角镜头的周围；红外光源发出的红外光经过扩散镜组发散后照射到待测序基因芯片，待测序基因芯片散射的红外光经过红外广角镜头收集并会聚后到达相机并成像，通过相机拍摄的图像对测序基因芯片中液体情况进行实时监测；红外光源不会加重检测导致的碱基荧光光漂白，不影响后续测序的信噪比；若干个红外光源发出的红外光经过扩散镜组发散后对测序基因芯片进行照明，测序基因芯片散射的红外光通过红外广角镜头到达相机成像，通过扩散镜组和红外广角镜头在有限的距离范围内，实现大面积测序基因芯片的均匀照明，提高相机的成像质量；因此，通过该光学监控系统能够实时地准确监控测序基于芯片中液体情况。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于基因测序的光学监控系统，其特征在于，包括若干个红外光源、若干个扩散镜组、红外广角镜头、相机和支撑结构件，所述红外广角镜头设置于所述支撑结构件的中心位置，所述红外光源与所述扩散镜组一一对应，所述红外光源及所述扩散镜组均设置于所述支撑结构件且均匀分布在所述红外广角镜头的周围；其中，
所述红外光源，用于发射红外光线；
所述扩散镜组，用于将所述红外光源发射的红外光线进行发散，以使发散的红外光线照射到待测序基因芯片；
所述红外广角镜头，用于接收并会聚所述待测序基因芯片散射的红外光线，以使散射的红外光线到达所述相机；
所述相机，用于根据接收的红外光线对所述待测序基因芯片进行成像并拍摄。
2.根据权利要求1所述的光学监控系统，其特征在于，所述扩散镜组包括两个凹透镜，凹透镜的焦距满足以下条件：
-7.5mm<f1<-4.5mm
-16.5mm<f2<-13.5mm
其中，f1表示第一凹透镜的焦距，f2表示所述第二凹透镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的光学监控系统，其特征在于，所述扩散镜组和所述红外光源组成照明模块，所述照明模块满足以下关系：
13mm<d1<17mm
8.5mm<d2<11.5mm
其中，d1表示所述红外光源与所述第一凹透镜之间的距离，d2表示所述第一凹透镜与所述第二凹透镜的距离。
4.根据权利要求3所述的光学监控系统，其特征在于，所述光学监控系统包括四个所述照明模块，所述支撑结构件为圆形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间在轴向横截面形成的夹角均为直角，所有所述照明模块与所述红外广角镜头之间的距离均相等。
5.根据权利要求3所述的光学监控系统，其特征在于，所述光学监控系统包括八个所述照明模块，所述支撑结构件为正方形，相邻两个所述照明模块与所述红外广角镜头之间在轴向横截面形成的夹角均为45度，所有所述照明模块呈矩阵排布。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光学监控系统，其特征在于，所述光学监控系统还包括处理器，所述处理器用于根据所述相机拍摄的视频计算液体流动的速度。
7.根据权利要求6所述的光学监控系统，其特征在于，通过以下公式计算液体流动的速度：
V=(N×Z)/(m×t)
其中，V表示液体流动的速度，t表示时间，N表示t时间段内流道中气泡通过相机的像素个数，Z表示像素尺寸，m表示放大倍率。
8.一种基因测序系统，其特征在于，包括基因测序仪、测试芯片及如权利要求1-7任一项所述的光学监控系统；其中，
所述基因测序仪，用于对所述测试芯片进行基因测序；
所述光学监控系统，用于对所述测试芯片中的液体进行监控。
9.一种基于基因测序的光学监控系统的监控方法，其特征在于，包括：
控制相机拍摄测试芯片的测试图像；
根据所述测试图像实时监控所述测试芯片中液体包含的气泡情况。
10.根据权利要求9所述的监控方法，其特征在于，当液体中包含气泡，所述监控方法还包括：
根据所述测试图像确定气泡在预设时间段内通过相机的像素个数；
根据所述测试图像的像素尺寸、放大倍率、所述预设时间段及所述像素个数确定液体流动的速度。
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