CN115820404A - 光学系统、基因测序仪和基因测序系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学系统、基因测序仪和基因测序系统，光学系统用于对基因测序的生物芯片的第一表面和第二表面进行成像，光学系统包括物镜、分光片、第一成像组件和第二成像组件；物镜用于接收由流道发射的成像光束；分光片用于将物镜出射的成像光束进行分光，第一成像组件用于形成第一表面的图像；第二成像组件用于形成第二表面的图像。第二成像组件包括补偿镜，补偿镜用于校正成像时产生的像差上述光学系统，将成像光束通过分光片分为第一光束和第二光束，同时使用补偿镜对物镜在第二表面的成像进行补偿，能够实现对生物芯片的两个表面同时成像，获取双倍数据量，同时不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号。
Description
技术领域
本发明涉及基因检测技术领域，特别涉及一种光学系统、一种基因测序仪和一种基因测序系统。
背景技术
在相关技术中，第二代基因测序仪采用边合成边测序的技术，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，之后利用显微光学系统对DNA簇进行荧光成像。生化反应试剂是测序的重要耗材，是测序的主要成本之一。由于流道有上下两面，如果能在流道下表面也共价偶联上DNA簇，则一份生化试剂能产出的数据量翻倍而成本减半。
但在利用显微光学系统对流道下表面的DNA簇进行荧光成像时，流道下表面和物镜的最佳焦面处隔着一层液体，会对成像质量产生严重影响。
发明内容
本发明实施方式提供了一种光学系统、一种基因测序仪和一种基因测序系统。
本发明实施方式的一种光学系统，用于对基因测序的生物芯片进行成像，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和第二表面，所述光学系统包括物镜、分光片、第一成像组件和第二成像组件；
所述物镜用于接收由所述流道发射的成像光束；
所述分光片用于将所述物镜出射的成像光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束沿第一光路传输，所述第二光束沿第二光路传输；
所述第一成像组件包括第一筒镜和第一相机，沿所述第一光路，所述第一筒镜位于所述分光片和所述第一相机之间，所述第一筒镜用于将所述第一光束汇聚至所述第一相机，所述第一相机用于接收所述第一光束并利用所述第一光束形成所述第一表面的图像；
所述第二成像组件包括补偿镜、第二筒镜和第二相机，所述补偿镜位于所述分光片和所述第二相机之间，所述补偿镜用于接收沿所述第二光路传输的所述第二光束，并校正所述第二光束成像时产生的像差，沿所述第二光路，所述第二筒镜位于所述补偿镜与所述第二相机之间，所述第二筒镜用于将校正后的所述第二光束汇聚至所述第二相机，所述第二相机用于接收所述补偿镜校正后的所述第二光束并利用所述第二光束形成所述第二表面的图像。
上述光学系统，将物镜接收到的成像光束通过分光片分为第一光束和第二光束进行成像，同时使用补偿镜对物镜在第二表面的成像进行补偿，能够实现对生物芯片的两个表面同时成像并通过相机进行拍摄，在获取双倍数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号。
在某些实施方式中，所述物镜的焦面位于所述第一表面或所述第二表面。
在某些实施方式中所述第一成像组件还包括第一筒镜，沿所述第一光路，所述第一筒镜位于所述分光片和所述第一相机之间，所述第一筒镜用于将所述第一光束汇聚至所述第一相机。
在某些实施方式中，所述第二成像组件还包括第二筒镜，沿所述第二光路，所述第二筒镜位于所述补偿镜与所述第二相机之间，所述第二筒镜用于将校正后的所述第二光束汇聚至所述第二相机。
在某些实施方式中，所述光学系统包括滤光片，所述滤光片位于所述分光片和所述筒镜之间，用于透射由所述流道反射的成像光束。
在某些实施方式中，所述光学系统包括第一滤光片，所述第一滤光片位于所述分光片和所述第一筒镜之间，用于透射由所述流道发射的成像光束。
在某些实施方式中，所述光学系统包括第二滤光片，所述第二滤光片位于所述分光片和所述第二筒镜之间，用于透射由所述流道发射的成像光束。
在某些实施方式中，所述分光片相对于所述第一光路和所述第二光路倾斜45度设置，所述第一光路和所述第二光路垂直设置。
在某些实施方式中，所述分光片的透射和反射比例为1:1。
本发明实施方式的一种基因测序仪包括上述任一实施方式的光学系统。
在某些实施方式中，所述光学系统用于对基因测序的生物芯片进行成像，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和第二表面，所述光学系统包括第一相机和第二相机，所述基因测序仪包括处理模块，所述处理模块电连接所述第一相机和所述第二相机，所述处理模块用于对所述第一表面的图像和所述第二表面的图像进行减背景处理。
本发明实施方式的一种基因测序系统包括：
生物芯片，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和所述第二表面，所述流道用于承载待检测样本；和，
上述实施方式的基因测序仪，所述基因测序仪用于根据所述第一表面的图像和所述第二表面的图像检测所述待检测样本的碱基序列。
在某些实施方式中，所述待检测样本分别固定在所述第一表面和所述第二表面。
上述基因测序仪和基因测序系统，能够通过光学系统的两个成像组件同时对生物芯片的两个表面进行成像，通过补偿镜对第二光束成像时产生的像差进行校正，从而能够同时获得两个表面的清晰成像，在获取双倍数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号以进行后续测序步骤。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施方式的基因测序系统的结构示意图；
图2是本发明实施方式的生物芯片的结构示意图；
图3是本发明实施方式的基因测序仪的模块示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的实施方式的限制。
在本发明的实施方式中，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1至图3，本发明实施方式提供的一种光学系统100用于对基因测序的生物芯片10进行成像。
生物芯片10设有流道12，流道12包括第一表面14和第二表面16，光学系统100包括物镜18、分光片20、第一成像组件22和第二成像组件24，物镜18用于接收由流道12发射的成像光束，分光片20用于将物镜18出射的成像光束分为第一光束和第二光束，第一光束沿第一光路13传输，第二光束沿第二光路15传输，第一成像组件22包括第一筒镜30和第一相机26，沿第一光路13，第一筒镜30位于分光片20和第一相机26之间，第一筒镜30用于将第一光束汇聚至第一相机26，第一相机26用于接收沿第一光路13传输的第一光束并利用第一光束形成第一表面14的图像，第二成像组件24包括补偿镜27、第二筒镜32和第二相机28，补偿镜27位于分光片20和第二相机28之间，补偿镜27用于接收沿第二光路15传输的第二光束，并校正第二光束成像时产生的像差，沿第二光路15，第二筒镜32位于补偿镜27和第二相机28之间，第二筒镜32用于将校正后的第二光束汇聚至第二相机28，第二相机28用于接收沿补偿镜27校正后的第二光束并利用第二光束形成第二表面16的图像。
上述光学系统100，将物镜18接收到的成像光束通过分光片20分为第一光束和第二光束进行成像，同时使用补偿镜27对物镜18在第二表面16的成像进行补偿，能够实现对生物芯片10的两个表面同时成像并通过相机进行拍摄，在获取双倍数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号。
具体地，用于基因测序的生物芯片10具有能够使生化反应试剂在其中流通的流道12，通过将需要进行测序的DNA簇17通过共价偶联的方式固定在流道12的表面，再通入生化反应试剂进行生化反应，最终能够获得DNA簇17的碱基序列。为了能够节省生化反应试剂同时获得更多的信息量，一个可行的方法为，在流道12的上下表面都固定DNA簇17，以获得双倍的信息量。由于一般商用显微镜都是对标准盖玻片厚度0.17mm进行成像设计，与流道12上表面的玻璃厚度一致，但如果使用该显微镜直接对下表面进行成像，则会给成像带来以球差为主的像差，使成像模糊。同时由于生化反应试剂在流道12中的残留，会使流道12下表面和物镜18的最佳焦面处存在一层液体层，液体层的厚度大约在几十微米的量级，会对成像质量产生影响。
本发明实施方式的光学系统100，首先物镜18接收由流道12发射的成像光束，经过分光片20透射形成第一光束，第一光束沿第一光路13传输，在第一光路13上设置第一筒镜30和第一相机26，第一筒镜30位于分光片20和第一相机26之间，第一筒镜30将第一光束汇聚至第一相机26，由此，能够在第一相机26上形成第一表面14的清晰图像。在第二光路15上设置第二相机28，物镜18接收由流道12发射的成像光束，经过分光片20反射形成第二光束，第二光束沿第二光路15传输，在第二光路15上设置第二筒镜32和第二相机28，第二筒镜32位于补偿镜27和第二相机28之间，补偿镜27接收沿第二光路15传输的第二光束，并校正第二光束成像时产生的像差，再经过第二筒镜32将第二光束汇聚至第二相机28，由此，能够在第二相机28上形成第二表面16的清晰图像，在获取双倍数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号。
在图示的实施方式中，第一表面14为流道12的上表面，第二表面16为流道12的下表面，第一表面14平行于第二表面16。
在某些实施方式中，物镜18的焦面位于第一表面14或第二表面16。
如此，能够获取焦面上的清晰成像。
具体地，在对生物芯片10进行成像时，需要调节物镜18与待测表面的距离，使得待测表面位于物镜18的焦面处，在一个实施方式中，由于流道12上表面玻璃的厚度一般与标准显微镜盖玻片厚度一致，因此测序中常用的方式为将DNA簇17通过共价偶联的方式附着于流道12上表面，这样能使DNA簇17处于显微物镜18的设计最佳焦面上，达到最佳成像效果。在测序时使流道12上表面，即第一表面14位于物镜18的焦面处，再通过分光片20将物镜18出射的成像光束分为第一光束和第二光束，第一光束从分光片20中透射，能够被第一相机26接收并形成第一表面14的图像，第二光束经过分光片20反射，沿第二光路15传输，通过补偿镜27校正成像时产生的像差，被第二相机28接收并形成第二表面16的图像。在其他实施方式中，物镜18的焦面可以位于第二表面16，同时需要增加相应的补偿镜27对第一表面14进行离焦补偿和对第二表面16的液体层影响进行补偿校正。
下文以物镜18的焦面位于第一表面14为例进行说明。
在某些实施方式中，光学系统100包括第一滤光片（未示出），第一滤光片位于分光片20和第一筒镜30之间，用于透射由流道12发射的成像光束。
如此，光学系统100能够采集生物芯片10上的荧光信号。
具体地，本发明实施方式的光学系统100可用于采集反射光信号和荧光信号，当光学系统100采集生物芯片10上的荧光信号时，需要通过在分光片20和第一筒镜30之间加入滤光片，来透射生物芯片10上的荧光信号。
在某些实施方式中，光学系统100包括第二滤光片（未示出），第二滤光片位于分光片20和第二筒镜32之间，用于透射由流道12发射的成像光束。
如此，光学系统100能够采集生物芯片10上的荧光信号。
具体地，本发明实施方式的光学系统100可用于采集反射光信号和荧光信号，当光学系统100采集生物芯片10上的荧光信号时，需要通过在分光片20和第二筒镜32之间加入滤光片，来透射生物芯片10上的荧光信号。
在某些实施方式中，分光片20相对于第一光路13和第二光路15倾斜45度，第一光路13和第二光路15垂直设置。
如此，便于在有限空间内将第一成像组件22和第二成像组件24配置到光学系统100中。
具体地，分光片20相对于第一光路13和第二光路15倾斜45度，能够使得由分光片20透射和反射的第一光束和第二光束呈90度，第一光束和第二光束分别沿第一光束和第二光束传输，由此使得第一光路13和第二光路15垂直设置，将第一成像组件22和第二成像组件24分别沿第一光路13和第二光路15设置，使得第一相机26和第二相机28垂直设置，便于在有限空间内将第一成像组件22和第二成像组件24配置到光学系统100中。
在某些实施方式中，分光片20的透射和反射比例为1:1。
如此，能够将物镜18出射的成像光束分为同等亮度的第一光束和第二光束。
具体地，选取透射和反射比例为1:1的分光片20，能够将物镜18出射的成像光束分为同等亮度的第一光束和第二光束。在其他实施方式中，当物镜18的焦面位于第一表面14上时，考虑到第二表面16由于距离焦面较远，同时被流道12中残留的生化反应试剂液体所影响而可能使图像变暗，可以选取透射和反射比例为2:8或透射和反射比例为3:7的分光镜，使物镜18接收由流道12反射的成像光束的80%或70%被反射至第二光路15，以保证在第一相机26和第二相机28中都能形成清晰的图像。
综上所述，本发明实施方式的光学系统100，物镜18接收由流道12发射的成像光束通过分光片20分为第一光束和第二光束，第一光束沿第一光路13传输，第二光束沿第二光路15传输。在第一光路13上设置第一筒镜30和第一相机26，第一光束通过第一筒镜30汇聚至第一相机26并在第一相机26上形成第一表面14的清晰图像；在第二光路15上设置补偿镜27、第二筒镜32和第二相机28，补偿镜27对第二光束成像时产生的像差进行校正，第二筒镜32接收补偿镜27校正后的第二光束并汇聚至第二相机28，第二相机28利用第二光束形成第二表面16的图像。由此，能够实现在一次测序过程中，同时对生物芯片10流道12的第一表面14和第二表面16同时成像，在获取双倍的数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号。
本发明实施方式的一种基因测序仪200包括上述任一实施方式的光学系统100。
在某些实施方式中，光学系统100用于对基因测序的生物芯片10进行成像，生物芯片10设有流道12，流道12包括第一表面14和第二表面16，光学系统100包括第一相机26和第二相机28，基因测序仪200包括处理模块34，处理模块电34连接第一相机26和第二相机28，处理模块34用于对第一表面14的图像和第二表面16的图像进行减背景处理。
如此，能够获取第一表面14和第二表面16的清晰图像。
具体地，在一个例子中，基因测序仪200工作时，在对第一表面14进行成像时，第二表面16由于距离焦面较远，同时在第二表面16上还有残留的生化反应试剂残留的液体层的影响，其信号是以一种严重离焦的方式叠加在第一表面14的清晰成像上，表现为较弱的、接近均匀的背景，该背景很容易被算法去除，不影响第一表面14的成像信噪比。同理，在对第二表面16进行成像时，由于加入了补偿离焦及液体层影响的补偿镜27，补偿后的光束经第二筒镜32聚焦到第二相机28上，可对第二表面16清晰成像。第一表面14的信号此时则以一种严重离焦的方式叠加在第二表面16图像上，也能通过图像算法进行去除。通过图像算法进行减背景处理属于图像处理领域的相关技术，在此不作具体展开。
本发明实施方式的一种基因测序系统300包括生物芯片10和上述实施方式的基因测序仪200，生物芯片10设有流道12，流道12用于承载待检测样本，基因测序仪200用于根据第一表面14的图像和第二表面16的图像检测待检测样本的碱基序列。
在某些实施方式中，待检测样本分别固定在第一表面14和第二表面16。
如此，能够使基因测序系统300同时检测第一表面14和第二表面16的碱基序列。
具体地，在进行基因测序时，流道12承载的待检测样本为DNA簇17，在流道12的上下表面都固定DNA簇17，能够同时检测第一表面14和第二表面16的碱基序列，节省生化反应试剂并在相同检测时间内获得更多的信息量。在一个实施方式中，将需要进行测序的DNA簇17通过共价偶联的方式固定在流道12的第一表面14和第二表面16。
上述基因测序仪200和基因测序系统300，能够通过光学系统100的两个成像组件同时对生物芯片10的两个表面进行成像，通过补偿镜27对第二光束成像时产生的像差进行校正，从而能够同时获得两个表面的清晰成像，在获取双倍数据量的同时，不增加检测时间，实现高效快速地获取光信号以进行后续测序步骤。
需要说明的是，上述对光学系统100的实施方式和有益效果的解释说明，也适用于本实施方式的基因测序仪200和基因测序系统300，为避免冗余，在此不作详细展开。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种光学系统，用于对基因测序的生物芯片进行成像，其特征在于，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和第二表面，所述光学系统包括物镜、分光片、第一成像组件和第二成像组件；
所述物镜用于接收由所述流道发射的成像光束；
所述分光片用于将所述物镜出射的成像光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束沿第一光路传输，所述第二光束沿第二光路传输；
所述第一成像组件包括第一筒镜和第一相机，沿所述第一光路，所述第一筒镜位于所述分光片和所述第一相机之间，所述第一筒镜用于将所述第一光束汇聚至所述第一相机，所述第一相机用于接收所述第一光束并利用所述第一光束形成所述第一表面的图像；
所述第二成像组件包括补偿镜、第二筒镜和第二相机，所述补偿镜位于所述分光片和所述第二相机之间，所述补偿镜用于接收沿所述第二光路传输的所述第二光束，并校正所述第二光束成像时产生的像差，沿所述第二光路，所述第二筒镜位于所述补偿镜与所述第二相机之间，所述第二筒镜用于将校正后的所述第二光束汇聚至所述第二相机，所述第二相机用于接收所述补偿镜校正后的所述第二光束并利用所述第二光束形成所述第二表面的图像。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述物镜的焦面位于所述第一表面或所述第二表面。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括第一滤光片，所述第一滤光片位于所述分光片和所述第一筒镜之间，用于透射由所述流道发射的成像光束。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括第二滤光片，所述第二滤光片位于所述分光片和所述第二筒镜之间，用于透射由所述流道发射的成像光束。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述分光片相对于所述第一光路和所述第二光路倾斜45度设置，所述第一光路和所述第二光路垂直设置。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述分光片的透射和反射比例为1:1。
7.一种基因测序仪，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的光学系统。
8.根据权利要求7所述的基因测序仪，其特征在于，所述光学系统用于对基因测序的生物芯片进行成像，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和第二表面，所述光学系统包括第一相机和第二相机，所述基因测序仪包括处理模块，所述处理模块电连接所述第一相机和所述第二相机，所述处理模块用于对所述第一表面的图像和所述第二表面的图像进行减背景处理。
9.一种基因测序系统，其特征在于，包括：
生物芯片，所述生物芯片设有流道，所述流道包括第一表面和第二表面，所述流道用于承载待检测样本；和，
权利要求8所述的基因测序仪，所述基因测序仪用于根据所述第一表面的图像和所述第二表面的图像检测所述待检测样本的碱基序列。
10.根据权利要求9所述的基因测序系统，其特征在于，所述待检测样本分别固定在所述第一表面和所述第二表面。
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