CN116426371A - 基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法，涉及医疗设备技术领域。其中，基因测序光学系统包括：激发模块、测序模块和TDI成像组件，其中测序模块利用分光组件将待检测样本产生的荧光信号分为四路目标荧光信号，TDI成像组件中集成的四个TDI成像芯片基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。由于只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。同时，由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

Description

基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法。

背景技术

基因测序是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的排列方式。目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，基因测序光学系统用激光激发基因测序芯片上荧光标记物产生荧光，并收集荧光信号，四种碱基结合不同的荧光标记物而产生四种不同的荧光波段，以此识别碱基。一个基因分子含有多个碱基，测序时，其中一个碱基会被接上一个荧光标记物，荧光标记物受激光激发会产生荧光信号。

相关技术中，基因测序光学系统需要通过多通道的方式进行成像，常见的为四通道成像系统或者双通道成像系统。对于双通道成像系统，每个相机需要在样品的同一位置曝光两次，基于相机本身的限制，曝光一次后需要数十毫秒的数据传输时间，再加上两次数据传输的时间，必然造成成像时间的延长。四通道成像系统，每个通道的相机在样品同一位置拍摄一次，分别得到四种碱基的图像。虽然四通道成像系统相比于双通道成像系统可以节约至少一半的成像时间，但由于每个通道的套筒透镜及滤光片价值较高，导致四通道成像系统的成本较高。因此如何在降低系统成本的同时实现快速成像，成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提出一种基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法，能够降低系统成本，同时能够实现快速成像。

为实现上述目的，本发明实施例的第一方面提出了一种基因测序光学系统，用于激发待检测样本并采集所述待检测样本发射的荧光信号进行荧光成像，所述待检测样本包括四种碱基，包括：

激发模块，用于产生激发所述待检测样本的激发光束；

成像模块，用于利用所述激发光束对所述待检测样本进行成像；

所述成像模块包括：

测序模块，用于利用所述激发光束照射所述待检测样本产生四路目标荧光信号；

TDI成像组件，包括集成的四个TDI成像芯片，所述TDI成像芯片与所述碱基一一对应，所述TDI成像组件用于利用所述TDI成像芯片基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果；

所述测序模块包括：

物镜，用于接收并汇聚所述激发光束至所述待检测样本，还用于收集所述待检测样本受激发生成的荧光信号；

分光组件，沿所述荧光信号的光路设置于所述物镜后方，用于接收所述荧光信号，并将所述荧光信号分成四路目标荧光信号，所述目标荧光信号与所述碱基一一对应。

在一实施例，所述TDI成像组件还包括：套筒透镜；

所述套筒透镜用于接收四路所述目标荧光信号，并会聚所述目标荧光信号的光路与对应的所述TDI成像芯片匹配；

所述TDI成像芯片用于在预设位置接收经过所述套筒透镜会聚光路的所述目标荧光信号，对所述碱基进行荧光成像。

在一实施例，所述测序模块还包括：第一二向色镜；

所述第一二向色镜用于将接收到的所述激发光束反射至所述物镜；

所述第一二向色镜还用于将接收到的所述物镜出射的所述荧光信号透射至所述分光组件。

在一实施例，所述分光组件用于对所述荧光信号进行分光，得到四路对应于所述碱基的目标荧光信号，所述TDI成像芯片的成像面位于对应的所述碱基的所述目标荧光信号的焦点位置。

在一实施例，所述分光组件用于对所述荧光信号进行分光，得到对应于所述碱基的四路目标荧光信号。

在一实施例，所述分光组件包括以下至少之一：透射光栅、反射光栅或棱镜。

在一实施例，所述激发装置包括：光源和照明组件；

所述光源用于产生激光信号；

所述照明组件沿所述激光信号的光轴设置于所述光源的后方，用于根据所述激光信号形成激发光束。

在一实施例，所述光源包括：第一光源、第二光源和合束组件；

所述第一光源用于发射第一激光信号；

所述第二光源用于发射第二激光信号；

所述合束组件设置于所述第一激光信号与所述第二激光信号的相交处，所述合束组件用于对所述第一激光信号进行透射，对所述第二激光信号进行反射，以对所述第一激光信号与所述第二激光信号进行合束，形成所述激光信号。

在一实施例，所述照明组件包括以下至少一种：球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、鲍威尔棱镜、透镜阵列、反射镜或滤光片。

在一实施例，还包括承载所述待检测样本的位移台，所述位移台用于以预设移动速度移动所述待检测样本，以使得移动过程中所述待检测样本的不同位置均可受激发生成所述荧光信号，所述预设移动速度根据所述TDI成像芯片的行频确定。

在一实施例，所述预设移动速度表示为：

其中，V_s表示预设移动速度，f表示所述TDI成像芯片的行频，C表示所述TDI成像芯片的像素尺寸，M表示所述光学系统的成像放大倍率。

在一实施例，还包括滤光片，所述滤光片沿所述目标荧光信号的光轴设置于所述套筒透镜的后方，用于对经过所述套筒透镜会聚光路后的四路所述目标荧光信号分别进行滤光，滤除混杂在所述目标荧光信号中的残留的所述激发光束，得到对应的四路滤光信号；

所述TDI成像芯片用于在预设位置接收所述滤光信号，并根据所述滤光信号对所述碱基进行荧光成像。

在一实施例，所述激发模块还包括光束整形模块，所述光束整形模块设置在所述照明组件发出所述激发光束的光路上，所述光束整形模块用于将所述激发光束在一维方向上整形成照明光斑。

为实现上述目的，本发明实施例的第二方面提出了一种基因测序光学系统测序方法，其特征在于，应用于如第一方面任一项所述的基因测序光学系统，所述方法包括：

所述激发模块产生激发所述待检测样本的激发光束，所述待检测样本包括：四种碱基，每种所述碱基发出的荧光信号的波段均不相同；

所述测序模块利用所述激发光束以预设扫描频率对所述待检测样本进行扫描，以产生四路对应于所述碱基的目标荧光信号；

扫描过程中，所述物镜采集所述目标荧光信号并传输至所述TDI成像组件；

所述TDI成像组件基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。

在一实施例，所述TDI成像组件基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果，还包括：

分别利用所述TDI成像芯片基于所述目标荧光信号得到对应的所述碱基的图像；

将四种所述碱基对应的所述碱基图像进行配准，得到所述基因测序结果。

本发明实施例提出的基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法，其中，基因测序光学系统包括：激发模块和成像模块，其中成像模块包括：测序模块和TDI成像组件，测序模块利用分光组件将激发光束照射待检测样本产生的荧光信号分为四路目标荧光信号，TDI成像组件中集成的四个TDI成像芯片基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。由于只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。同时，由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基因测序光学系统的结构示意图。

图2是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的TDI成像组件中TDI成像芯片示意图。

图3是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的光路示意图。

图4是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的光路示意图。

图5是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的光路示意图。

图6是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的光路示意图。

图7是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的激发模块示意图。

图8是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的激发模块示意图

图9是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的待检测样本中DNA片段示意图。

图10是本发明又一实施例提供的基因测序光学系统的结构示意图。

图11是本发明一实施例提供的基因测序光学系统使用方法的成像示意图。

附图标记说明：

基因测序光学系统100，激发模块200，测序模块400，TDI成像组件500，待检测样本600，第一TDI成像芯片5101，第二TDI成像芯片5102，第三TDI成像芯片5103，第四TDI成像芯片5104，第一二向色镜410，物镜420，分光组件430，套筒透镜520，滤光片530，光源210，照明组件220，第一光源2101、第二光源2102和合束组件2103。

激发光束S，荧光信号F，第一目标荧光信号F1，第二目标荧光信号F2，第三目标荧光信号F3，第四目标荧光信号F4，第一滤光信号F1’，第二滤光信号F2’，第三滤光信号F3’，第四滤光信号F4’。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

显微成像技术在样本检测中具有广泛应用，例如，在基因测序中，需对生物芯片上的碱基进行荧光成像。基因测序光学系统在医学和生命科学领域上有着广泛的应用，如病原体、遗传病、肿瘤基因的检测，以及药物个体化治疗和无创产前检测等。基因测序光学系统工作时需对生物芯片上的碱基进行荧光成像。基因测序光学系统测序时需对ATGC四种碱基，即腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)，进行荧光成像，通常采用多通道(如四通道或二通道)成像，然后对每个通道得到的检测图像进行算法配准，从而使不同图像的碱基位置相匹配。显微成像系统广泛应用于基因测序光学系统中。在基因测序光学系统工作时，需要对ATGC四种碱基进行荧光成像，以此实现DNA中碱基序列的测定。

相关技术中，为了实现四种碱基(即四种荧光波段)的区分，基因测序光学系统需要通过多通道的方式进行成像，常见的为四通道成像系统或者双通道成像系统，每通道均由套筒透镜、滤光片及相机组成。

申请人发现，对于双通道成像系统，需要两种波长的激发光依次交替开启，对于生物样品上的每个位置，每通道的成像系统分别在不同波长的激发光下拍摄一次，从而分别得到ATGC四种碱基的图像。基于相机本身的限制，曝光一次后需要数十毫秒的数据传输时间，但双通道成像系统的每个相机需要在样品的同一位置曝光两次，再加上两次数据传输的时间，必然造成成像时间的延长。

申请人还发现，对于四通道成像系统，两种波长的激发光可以同时持续开启，对于生物样品上的每个位置，每通道的成像系统拍摄一次，从而分别得到ATGC四种碱基的图像。四通道成像系统相比于双通道成像系统，虽然可以节约至少一半的成像时间，但每个通道的套筒透镜及滤光片均价值较高，四通道系统势必造成成本的增加。

基于此，本发明实施例提出一种基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法，用于解决降低系统成本的同时实现快速成像的问题。其中，基因测序光学系统包括：激发模块和成像模块，其中成像模块包括：测序模块和TDI成像组件，测序模块利用分光组件将激发光束照射待检测样本产生的荧光信号分为四路目标荧光信号，TDI成像组件中集成的四个TDI成像芯片基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。由于只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。同时，由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

本发明实施例提供基因测序光学系统及基因测序光学系统测序方法，具体通过如下实施例进行说明，首先描述本发明实施例中的基因测序光学系统。

本发明实施例中以基因测序芯片为待检测样本，以基因测序芯片上ATCG四种碱基为例，四种碱基分别通过不同的荧光染料进行染色，四种碱基在受到激光照射后将分别激发出四种不同波段的荧光。

一般来说，基因测序芯片上按照阵列排列或随机分布的若干个DNA簇，DNA簇为包括若干碱基的碱基链，测序过程中，对基因测序芯片上每个DNA簇中的碱基进行逐一识别，不同类型的碱基会分别被接上四种不同的荧光标记物之一。当对应波长的激光信号照射到对应的荧光标记物上后，不同的荧光标记物将被激发产生不同波段的荧光信号。

基因测序光学系统对基因测序芯片进行基因测序的过程描述如下：基因测序芯片上的A、T、G、C四种碱基，两种荧光染料，其中，A碱基和G碱基分别只和一种荧光染料结合，T碱基不和荧光染料结合，C碱基和两种荧光染料都结合。两种荧光染料，只能分别被红绿激光中的一种激光激发，另一种激光对其不能激发。两种碱基被激光1激发，另两种碱基被激光2激发，两色激光同时开启，四个芯片分别同时接收1张图像，从而得到四种碱基的图像。

图1是本发明实施例提供的基因测序光学系统结构示意图。

该实施例中基因测序光学系统100用于激发待检测样本并采集待检测样本发射的荧光信号进行荧光成像，待检测样本包括四种碱基。

基因测序光学系统100包括：

激发模块200，用于产生激发待检测样本的激发光束S。

在一实施例中，激发光束S可以是由激发器作为光源产生的激光信号生成。在传统基因测序技术中，多选择汞灯、氩灯等作为激发光源，但是汞灯的寿命与启动次数和工作时间有关，启动次数愈多，每次工作时间愈短，寿命愈短；氩灯则需专用的低压直流电源箱，灯的温度极高，价格比汞灯更为昂贵。因此，本申请实施例中采用激光器作为激发光源，其具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等优点。

成像模块300，用于利用激发光束S对待检测样本进行成像，得到基因测序结果。

其中成像模块300包括：

测序模块400，用于利用激发光束S照射待检测样本产生四路目标荧光信号。

TDI成像组件500，包括集成的四个TDI成像芯片，其中，TDI成像芯片与碱基一一对应，TDI成像组件500用于利用TDI成像芯片基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

例如在一实施例中，参照图2，TDI成像组件500中四个TDI成像芯片分别是：第一TDI成像芯片5101、第二TDI成像芯片5102、第三TDI成像芯片5103和第四TDI成像芯片5104，与碱基的对应关系是：第一TDI成像芯片5101用于对A碱基进行成像，第二TDI成像芯片5102用于对T碱基进行成像，第三TDI成像芯片5103用于对G碱基进行成像，第四TDI成像芯片5104用于对C碱基进行成像。可以理解的是，上述TDI成像芯片与碱基成像之间的对应关系仅作示意，不代表对其进行限定。可以理解的是，图2中四个TDI成像芯片排列成一行，四个TDI成像芯片也可以排列成一列，图2仅是四个TDI成像芯片的一种可能排列方式，本实施例不对四个TDI成像芯片的排列方式做限制。

相比于传统的线阵相机，本申请实施例采用的TDI成像的扫描速度非常快，从测序芯片一头扫描到另一头用时一般不到20秒，使得扫描成像时间大为缩短，能够缩短测序工作时间，提高基因测序光学系统的工作效率。另外，TDI成像的扫描精度非常高，TDI成像扫描方式采用共聚焦的方式，确定聚焦光源的位置于一条线上，可以调节聚焦的位置扫描不同层次的待测对象，并且避免周围环境的影响。

在一实施例中，激发模块200产生的激发光束可以是激光信号，基因测序光学系统100基于荧光染料的激发特性，能够通过激发模块200产生激光信号形成相应的照明区域，照射在待检测样本上，对照明区域内的荧光染料进行激发照明，使得待检测样本在激发信号的激发下产生相应的荧光信号，通过相机对荧光信号进行成像，从而能够对基因序列进行检测。

需要说明的是，本发明实施例中的基因测序光学系统可以为一种成像系统，具体的，本发明实施例可以得到待检测样本信息的数据立方体，该数据中不仅有待检测样本的空间信息，还有光谱信息。本发明实施例中的激发模块200、测序模块400和TDI成像组件500均可以设置有多个元件，以执行模块所需要的功能。

参照图3，测序模块400包括：第一二向色镜410、物镜420和分光组件430。

其中，第一二向色镜410，可以透过一部分光，反射另一部分光。参照图3的光路示意图，第一二向色镜410的第一面将激发光束S反射至物镜420，用于激发待检测样本600。

物镜420，用于接收第一二向色镜410反射的的激发光束S，并汇聚激发光束S至待检测样本600，还用于接收待检测样本600受激发生成的荧光信号F。参照图3的光路示意图，荧光信号F入射第一二向色镜410的第一面，经过透射，从第一二向色镜410的第二面射出，进入分光组件430。

分光组件430，沿荧光信号F的光路设置于第一二向色镜410的后方，也位于物镜420后方，用于接收从第一二向色镜410的第二面射出的荧光信号F，并将荧光信号分成四路目标荧光信号，其中目标荧光信号与碱基一一对应。在一实施例中，四路目标荧光信号分别是：第一目标荧光信号F1、第二目标荧光信号F2、第三目标荧光信号F3和第四目标荧光信号F4，其中，第一目标荧光信号F1用于检测A碱基，第二目标荧光信号F2用于检测T碱基，第三目标荧光信号F3用于检测G碱基，第四目标荧光信号F4用于检测C碱基。可以理解的是，上述目标荧光信号与碱基之间的对应关系仅作示意，不代表对其进行限定。

在一实施例中，参照图4的光路示意图，TDI成像组件500还包括：套筒透镜520。

其中，套筒透镜520用于接收分光组件430发出的四路目标荧光信号，并会聚目标荧光信号的光路与对应的TDI成像芯片匹配。TDI成像芯片用于在预设位置接收经过套筒透镜520会聚光路的目标荧光信号对碱基进行荧光成像。

在一实施例中，参照图4，不同的TDI成像芯片位于对应目标荧光信号的光路上，用于对对应碱基进行成像。第一TDI成像芯片5101接收第一目标荧光信号F1，用于对A碱基进行成像，第二TDI成像芯片5102接收第二目标荧光信号F2，用于对T碱基进行成像，第三TDI成像芯片5103接收第三目标荧光信号F3，用于对G碱基进行成像，第四TDI成像芯片5104接收第四目标荧光信号F4，用于对C碱基进行成像。可以理解的是，上述TDI成像芯片与碱基成像之间的对应关系仅作示意，不代表对其进行限定。

在一实施例中，为了进一步提升成像效果，降低目标荧光信号的信号杂质，利用滤光片。参照图5，TDI成像组件500还包括：滤光片530。其中，滤光片530沿目标荧光信号的光轴设置于套筒透镜的后方，用于对经过套筒透镜会聚光路后的四路目标荧光信号分别进行滤光，滤除混杂在目标荧光信号中的残留的激发光束，得到对应的四路滤光信号。

图5中，滤光片530包括四个区域，是第一滤光区5301，第二滤光区5302，第三滤光区5303和第四滤光区5304，分别对应于四路目标荧光信号。图中为了示意清楚，将四个滤光区域分散放置，不代表其真实位置，滤光区域可以是一个滤光片上划分的不同区域。在一实施例中，第一目标荧光信号穿过第一滤光区5301，形成第一滤光信号F1’；第二目标荧光信号穿过第二滤光区5302，形成第二滤光信号F2’；第三目标荧光信号穿过第三滤光区5303，形成第三滤光信号F3’；第四目标荧光信号穿过第四滤光区5304，形成第四滤光信号F4’。四个TDI成像芯片410分别设置在预设位置，接收对应的滤光信号，并根据滤光信号对碱基进行荧光成像。

本发明实施例中通过单一通道中一次拍摄即可记录四种碱基的荧光信号，仅需要设置一个分光组件即可将四路荧光信号按照碱基种类进行分光，并从而实现高效拍摄，无需设置其他光学元件。

本发明实施例中以具有分光作用的目标荧光信号，通过识别目标荧光信号的对应波长，从而最终识别到碱基的碱基类别，因此本发明实施例中单一通道中一次拍摄即可记录四色碱基的荧光，无需设置复杂的光学结构，即可实现基因测序，系统成本低。

在一实施例中，分光组件430可以是光栅或棱镜，光栅又可以是透射光栅或反射光栅等。以光栅为例子，本发明实施例中通过光栅分光的方式直接得到碱基荧光的光谱，碱基激发产生的荧光信号达到光栅，被光栅衍射得到四种荧光信号。可以理解的是，本发明实施例中仅需要设置一个能够产生目标荧光信号的光栅即可，对四种带有不同荧光基团的碱基的成像实现空间上的分离，使得TDI成像组件500可以获取光栅衍射后产生的目标荧光信号，即可实现在一次扫描过程即实现对碱基的分别成像。可以理解的是，光栅的选择可根据实际测序参数设定，本实施例对此不做具体限定。本发明实施例利用低成本的光栅实现分光，使得系统设计成本降低。

需要说明的是，本申请实施例在设计分光组件430、套筒透镜520、滤光片530和四个TDI成像芯片410时，可以根据光学参数知识获得目标荧光信号的焦点位置作为预设位置，将TDI成像芯片410的成像面设置在对应的碱基的目标荧光信号的焦点位置。

在一实施例中，参照图5，经过滤光片530之后的四路滤光信号的焦点位置与对应的TDI成像芯片410的成像面匹配，这样能够单一通道中一次拍摄即可记录四色碱基的荧光，并分别进行清晰的成像。

在一实施例中，参照图6，荧光信号经过分光组件430之后，被分成四路目标荧光信号射入套筒透镜520，套筒透镜520将四路荧光信号同时会聚，使其能够在对应位置的TDI成像芯片410上聚焦，能够在TDI成像芯片410的成像面获取清晰的成像结果。图中成像面仅为示意，不代表每一个TDI成像芯片410的成像面位于同一垂直位置。

可以理解的是，经过对四种碱基对应的目标荧光信号的焦点位置计算，进而得到TDI成像芯片的安装位置，各部件按照光学参数安装设计完成后，无需再调整位置，即可完成对四路碱基的同时成像。

本申请实施例的基因测序光学系统只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。同时，由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

在一实施例中，参照图7，激发模块200包含：光源210和照明组件220，光源210能够同时发出双色激光，例如输出红色或者绿色的激发光束，照明组件220沿激光信号的光轴，设置在光源210的后方，根据激光信号生成激发光束S。利用激发光束S对待检测样本上四种碱基：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)及胞嘧啶(C)进行荧光成像，来实现DNA序列的测定。激发光束S中同时包含红光和绿光，例如用绿光激发出碱基AT的荧光，用红光激发出碱基GC的荧光，以此完成对四色碱基的识别。

在一实施例中，参照图8，光源210包括第一光源2101、第二光源2102和合束组件2103，第一光源2101用于发射第一激光信号S1，例如红光；第二光源2102用于发射第二激光信号S2，例如绿光；合束组件2103设置于第一激光信号S1与第二激光信号S2的相交处，合束组件2103用于对第一激光信号S1进行透射，对第二激光信号S2进行反射，以对第一激光信号S1与第二激光信号S2进行合束，形成激光信号。进而通过照明组件220生成激发光束S，激发光束S中同时包含两种颜色的激光，例如用绿光激发出碱基AT的荧光，用红光激发出碱基GC的荧光，以此完成对四色碱基的识别。在测序过程中，两种激光可以持续开启，无需进行转换，有效降低成像时间。在一实施例中，合束组件2103也是一种二向色镜。

可见，上述实施例中，激发模块均同时激发多种特定波长的可见光，提高上述基因测序光学系统的测序效率。

在一实施例中，照明组件包括以下至少一种：球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、鲍威尔棱镜、透镜阵列、反射镜或滤光片。

在一实施例中，待检测样本600中依次排列有多行DNA阵列，每行DNA阵列均设置有若干个DNA片段，如图9所示的每行DNA片段阵列中均设置有多个DNA片段，每个DNA片段为如图9所示中的圆形图案，每个DNA片段可以包含多个DNA，每条DNA包含多个碱基。对待检测样本600中DNA片段多采用行扫描的方式，为了提高激发光源的利用效率，同时提高扫描时激发光束的激发效果，本申请实施例的激发模块200还包括光束整形模块。其中，光束整形模块设置在照明组件220发出激发光束S的光路上，光束整形模块用于将激发光束S在一维方向上整形成照明光斑，即对激发光束S在一维方向上整形，形成线性的光斑，使其恰好能照射在待检测样本600中的某一行DNA阵列上，以提高行扫描的成像效果。可以理解的是，图9中以阵列排列的方式对DNA片段进行示意，不代表DNA片段的排列方式只能是阵列形式，本实施例对此仅作示意不做限定。

具体的，TDI成像组件中TDI成像芯片只对其成像面内的目标荧光信号进行成像，因此为了对待检测样本600的不同区域进行扫描成像，本申请实施例的基因测序光学系统还包括：位移台，位移台用于承载待检测样本600，其中位移台用于在行扫描过程中以预设移动速度按行移动待检测样本600，以使得移动过程中能够调节待检测样本的位置，从而使得激发光束对测序芯片的不同区域进行激发照明，具体的，待检测样本600按行依次受激发生成荧光信号，这里的预设移动速度根据TDI成像芯片的行频确定。

该实施例中，测序芯片(待检测样本)为矩形，TDI成像芯片的成像面为矩形成像面，且矩形成像面的长宽比例为L：W，因此激发光束S的光斑D长短轴比例为L：W。当位移台处于初始位置时，激发光束S的光斑D对测序芯片的X1区域进行激发照明，并产生相应的荧光信号，TDI成像芯片根据上述工作原理生成图像信号，并根据图像信号生成相应的检测结果x1。然后位移台继续进行移动，使得激发光束的光斑D照射在测序芯片的X2区域，并按照上述步骤获得检测结果x2。位移台继续进行移动，使得相机能够对测序芯片上的X3、X4...等区域进行扫描成像，从而获得测序芯片上不同的检测结果。

在一实施例中，激发光束S的光斑的长轴与测序芯片的长边相互垂直，且测序芯片沿着激发光束的长边进行移动，以使得相机对测序芯片上的X1区域、X2区域等进行扫描操作成像，从而获得检测结果。

可以理解的是，由于测序芯片的长边对应目标荧光信号的短轴，即测序芯片的长边对应相机的短边，相比于测序芯片的长边对应相机长边的扫描方式，能够缩短位移台的单次移动距离，从而提高相机的扫描效率。

在一实施例中，位移台的预设移动速度表示为：

其中，V_s表示预设移动速度，f表示TDI成像芯片的行频，C表示TDI成像芯片的像素尺寸，M表示TDI成像芯片的成像放大倍率。

可以理解的是，位移台可以是电动位移台，位移台通过电机控制带动样品在水平方向上移动，实现整个光学系统对待检测样本的扫描。并且由于TDI成像组件500中每个TDI成像芯片410均可以进行独立的成像与运算，因此可以根据上述关系，通过预先设定位移台的预设移动速度，使之与TDI成像组件的线扫描频率相匹配，从而可以实现在快速扫描的过程中，得到清晰的四种碱基的图像，提升成像效率。

参照图10，为本申请一实施例的系统结构示意图。

图10中以光源210包括第一光源2101、第二光源2102和合束组件2103为例进行说明。其中，合束组件2103为一个二向色镜，第一光源2101发出第一激光信号S1，第二光源2102发出第二激光信号S2，第一激光信号S1通过合束组件2103反射，合束组件2103设置于第一激光信号S1与第二激光信号S2的相交处，合束组件2103用于对第一激光信号S1进行透射，对第二激光信号S2进行反射，以对第一激光信号S1与第二激光信号S2进行合束，形成激光信号S’，合束后的激光信号S’经过照明组件220后，形成激发光束S。

图10中激发光束S射入第一二向色镜410，第一二向色镜410可以透过一部分光，反射另一部分光。参照图11，第一二向色镜410的第一面将激发光束S反射至物镜420，到达样品上使待检测样本600受激产生荧光信号F。荧光信号F又通过物镜420收集，经过透射从第一二向色镜410的第二面射出，进入分光组件430。

图10中分光组件430沿荧光信号F的光路设置于第一二向色镜410的后方，接收从第一二向色镜410的第二面射出的荧光信号F，并将荧光信号分成四路目标荧光信号，其中目标荧光信号与碱基一一对应。参照图10，四路目标荧光信号分别是：第一目标荧光信号F1、第二目标荧光信号F2、第三目标荧光信号F3和第四目标荧光信号F4，分光组件430使四种不同波段的目标荧光信号(对应ATGC四种碱基)在空间上分离。

图10中套筒透镜520接收分光组件430发出的不同角度的四路目标荧光信号(F1、F2、F3和F4)，并会聚目标荧光信号的光路与对应的TDI成像芯片410匹配，将目标荧光信号汇聚到对应的TDI成像芯片上。参照图10，滤光片530沿目标荧光信号的光轴设置于套筒透镜520的后方，用于对经过套筒透镜会聚光路后的四路目标荧光信号分别进行滤光，滤除混杂在目标荧光信号中的残留的激发光束，得到对应的四路滤光信号(F1’、F2’、F3’和F4’)。四个TDI成像芯片410分别设置在预设位置，接收对应的滤光信号，并根据滤光信号对碱基进行荧光成像。上述实施例的基因测序光学系统只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。

在一实施例中，TDI成像组件500中TDI成像芯片采用4K/256阶的TDI成像芯片，成像像素尺寸为5um，将4个不同的TDI成像芯片集成在一起，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

在一实施例中，分光组件为光栅，物镜采集的四种荧光信号通过光栅分光，分别根据其波长以不同的角度入射到套筒透镜中，而后套筒透镜再将不同角度的目标荧光信号分别会聚到四个TDI成像芯片上。该实施例中，光栅的参数为800线/mm，套筒透镜的焦距为150mm，不同的TDI成像芯片之间的中心间隔为10mm，TDI成像芯片的宽度为1.28mm。

本申请实施例的基因测序光学系统只需要一个成像通道，因此每个通道必须的套筒透镜及滤光片也只需要一组，能够显著降低成本。同时，由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，因此能够实现快速成像。并且集成化的成像芯片能够使电路更小型化，进一步降低系统的成本。

另外，本发明实施例还提供一种基因测序光学系统测序方法，应用于上述基因测序光学系统。

参照图11，为本申请实施例提供的基因测序光学系统使用方法流程图，方法主要由控制器或者处理器执行，方法包括步骤S1210至步骤S1230：

步骤S1110，激发模块产生激发待检测样本的激发光束。

在一实施例中，首先将待检测样本放置于基因测序光学系统的检测范围内。其中，待检测样本中依次排列有多行DNA阵列，每行DNA阵列均设置有若干个DNA片段，如图10所示的每行DNA片段阵列中均设置有多个DNA片段，每个DNA片段为如图10所示中的圆形图案，每个DNA片段可以包含多个DNA，每条DNA包含四种碱基，每种碱基的荧光信号的颜色均不相同。

步骤S1120，测序模块利用激发光束以预设扫描频率对待检测样本进行扫描，以产生四路对应于碱基的目标荧光信号。

在一实施例中，测序模块的成像模块利用激发光束以预设扫描频率对待检测样本进行扫描得到荧光信号，并利用分光组件将荧光信号分成对应于碱基的四路目标荧光信号。扫描过程中，物镜采集目标荧光信号并发送至TDI成像组件。可以理解的是，这里的预设扫描频率与位移台的预设移动速度相匹配，扫描得到的荧光信号与碱基一一对应。

在一实施例中，分光组件分出的四路目标荧光信号分别是：第一目标荧光信号F1、第二目标荧光信号F2、第三目标荧光信号F3和第四目标荧光信号F4，其中，第一目标荧光信号F1用于检测A碱基，第二目标荧光信号F2用于检测T碱基，第三目标荧光信号F3用于检测G碱基，第四目标荧光信号F4用于检测C碱基。可以理解的是，上述目标荧光信号与碱基之间的对应关系仅作示意，不代表对其进行限定。

步骤S1130，TDI成像组件基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。

由此可见，本申请实施例的基因测序光学系统使用方法，利用一个成像通道显著降低成本。同时由于TDI成像组件中集成了四个与碱基一一对应的TDI成像芯片，能够在一次拍摄过程中分别得到四种碱基的图像，能够实现快速成像。

在一实施例中，步骤S1230TDI成像组件基于目标荧光信号对碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果具体包括：分别利用TDI成像芯片基于目标荧光信号得到对应的碱基的碱基图像，然后将四种碱基对应的碱基图像进行配准，得到基因测序结果。

可以理解的是，利用一个成像通道，进行一次扫描即可根据四路碱基的目标荧光信号同时进行对应碱基的成像，得到碱基图像后，将四路碱基图像进行配准以及进一步分析，即可得到该待检测样本的基因测序结果，实现了成像时间上的大幅度减少。

由此可见，上述基因测序光学系统实施例中的内容均适用于本实施例的基因测序光学系统使用方法的实施例中，本使用方法实施例所具体实现的功能与上述基因测序光学系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述基因测序光学系统实施例所达到的有益效果也相同。

需要说明的是，本发明实施例描述的基因测序光学系统的结构是为了更加清楚的说明本发明实施例的技术方案，并不构成对于本发明实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着设备架构的演变和新应用场景的出现，本发明实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

本领域技术人员可以理解的是，图中示出的基因测序光学系统并不构成对本发明实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。以上参照附图只是说明了本发明实施例的优选实施例，并非因此局限本发明实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明实施例的权利范围之内。

Claims (14)

1.一种基因测序光学系统，用于激发待检测样本并采集所述待检测样本发射的荧光信号进行荧光成像，所述待检测样本包括四种碱基，其特征在于，包括：

激发模块，用于产生激发所述待检测样本的激发光束；

成像模块，用于利用所述激发光束对所述待检测样本进行成像；

所述成像模块包括：

测序模块，用于利用所述激发光束照射所述待检测样本产生四路目标荧光信号；

TDI成像组件，包括集成的四个TDI成像芯片，所述TDI成像芯片与所述碱基一一对应，所述TDI成像组件用于利用所述TDI成像芯片基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果；

所述测序模块包括：

物镜，用于接收并汇聚所述激发光束至所述待检测样本，还用于收集所述待检测样本受激发生成的荧光信号；

分光组件，沿所述荧光信号的光路设置于所述物镜后方，用于接收所述荧光信号，并将所述荧光信号分成四路目标荧光信号，所述目标荧光信号与所述碱基一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述TDI成像组件还包括：套筒透镜；

所述套筒透镜用于接收四路所述目标荧光信号，并会聚所述目标荧光信号的光路与对应的所述TDI成像芯片匹配；

所述TDI成像芯片用于在预设位置接收经过所述套筒透镜会聚光路的所述目标荧光信号，对所述碱基进行荧光成像。

3.根据权利要求1所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述测序模块还包括：第一二向色镜；

所述第一二向色镜用于将接收到的所述激发光束反射至所述物镜；

所述第一二向色镜还用于将接收到的所述物镜出射的所述荧光信号透射至所述分光组件。

4.根据权利要求3所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述分光组件用于对所述荧光信号进行分光，得到四路对应于所述碱基的目标荧光信号，所述TDI成像芯片的成像面位于对应的所述碱基的所述目标荧光信号的焦点位置。

5.根据权利要求1所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述分光组件包括以下至少之一：透射光栅、反射光栅或棱镜。

6.根据权利要求1所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述激发装置包括：光源和照明组件；

所述光源用于产生激光信号；

所述照明组件沿所述激光信号的光轴设置于所述光源的后方，用于根据所述激光信号形成激发光束。

7.根据权利要求6所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述光源包括：第一光源、第二光源和合束组件；

所述第一光源用于发射第一激光信号；

所述第二光源用于发射第二激光信号；

所述合束组件设置于所述第一激光信号与所述第二激光信号的相交处，所述合束组件用于对所述第一激光信号进行透射，对所述第二激光信号进行反射，以对所述第一激光信号与所述第二激光信号进行合束，形成所述激光信号。

8.根据权利要求6所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述照明组件包括以下至少一种：球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、鲍威尔棱镜、透镜阵列、反射镜或滤光片。

9.根据权利要求1所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，还包括承载所述待检测样本的位移台，所述位移台用于以预设移动速度移动所述待检测样本，以使得移动过程中所述待检测样本的不同位置均可受激发生成所述荧光信号，所述预设移动速度根据所述TDI成像芯片的行频确定。

10.根据权利要求9所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述预设移动速度表示为：

其中，V_s表示预设移动速度，f表示所述TDI成像芯片的行频，C表示所述TDI成像芯片的像素尺寸，M表示所述光学系统的成像放大倍率。

11.根据权利要求1至10任一项所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，还包括滤光片，所述滤光片沿所述目标荧光信号的光轴设置于所述套筒透镜的后方，用于对经过所述套筒透镜会聚光路后的四路所述目标荧光信号分别进行滤光，滤除混杂在所述目标荧光信号中的残留的所述激发光束，得到对应的四路滤光信号；

所述TDI成像芯片用于在预设位置接收所述滤光信号，并根据所述滤光信号对所述碱基进行荧光成像。

12.根据权利要求1至11任一项所述的一种基因测序光学系统，其特征在于，所述激发模块还包括光束整形模块，所述光束整形模块设置在所述照明组件发出所述激发光束的光路上，所述光束整形模块用于将所述激发光束在一维方向上整形成照明光斑。

13.一种基因测序光学系统测序方法，其特征在于，应用于如权利要求1至12任一项所述的基因测序光学系统，所述方法包括：

所述激发模块产生激发所述待检测样本的激发光束，所述待检测样本包括：四种碱基，每种所述碱基发出的荧光信号的波段均不相同；

所述测序模块利用所述激发光束以预设扫描频率对所述待检测样本进行扫描，以产生四路对应于所述碱基的目标荧光信号；

扫描过程中，所述物镜采集所述目标荧光信号并传输至所述TDI成像组件；

所述TDI成像组件基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果。

14.根据权利要求13所述的一种基因测序光学系统测序方法，其特征在于，所述TDI成像组件基于所述目标荧光信号对所述碱基分别进行荧光成像，得到基因测序结果，还包括：

分别利用所述TDI成像芯片基于所述目标荧光信号得到对应的所述碱基的图像；

将四种所述碱基对应的所述碱基图像进行配准，得到所述基因测序结果。

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