CN206607236U - 一种用于基因测序仪的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于基因测序仪的光学系统，包括：激光器，用于依次间隔发射两种不同波长的用于激发荧光标记物的激发光；耦合器，用于准直激发光；第一二向色镜，用于反射激发光并容许荧光信号透过；显微物镜，用于将激发光汇聚照射于荧光标记物上并汇聚荧光信号；第二二向色镜，用于容许荧光信号透过并用于配合自动对焦模块进行对焦；筒镜，用于汇聚荧光信号以进行曝光成像；相机，用于曝光以拍到所需的荧光照片；其中，筒镜，设于第二二向色镜和相机之间。通过分时发射产生的两种荧光波长的组合，能够区分四种碱基，高效率实现对样品的荧光激发和检测成像，从而实现基因的测序过程，光路有很大的简化，光路调整简便，也较大的降低了成本。

Description

一种用于基因测序仪的光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于基因测序仪的光学系统。

背景技术

核酸测序/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(DNA sequencing，或译DNA定序)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。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)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)的排列方式。

目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，基因测序仪中需要设置光学系统用于激发荧光标记物并采集这些荧光标记物所发射出的荧光信号(荧光信号为光线)，但是现有的基因测序仪光学系统结构复杂，因此导致调试非常不便，而且还具有成本高等不足。

现有技术一般使用一种荧光信号代表一种碱基，四种碱基就需要四种荧光。实现激发和检测四种荧光的光学系统结构复杂，因此导致调试非常不便，而且还具有成本高等的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、易于调试、准确度高的用于基因测序仪的光学系统。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种用于基因测序仪的光学系统，用于激发基因测序芯片上的荧光标记物并采集该荧光标记物发射的荧光信号，包括：

激光器，用于依次间隔发射两种不同波长的用于激发上述荧光标记物的激发光；

耦合器，用于准直上述激发光；

第一二向色镜，用于反射上述激发光并容许上述荧光信号透过；

显微物镜，用于将上述激发光汇聚照射于上述荧光标记物上并汇聚上述荧光信号，与筒镜配合将荧光信号成像在相机上；

第二二向色镜，用于容许上述荧光信号透过并用于配合自动对焦模块进行对焦；

筒镜，用于与上述显微物镜配合汇聚上述荧光信号以进行曝光成像；

相机(CCD)，用于曝光以拍到所需的荧光照片；

其中，上述筒镜，设于上述第二二向色镜和上述相机之间。

进一步地，还包括：

平面反射镜，设于上述第二二向色镜和上述筒镜之间，用于改变透过上述第二二向色镜的荧光信号的光路方向。

进一步地，还包括：

第一滤光片，设于上述耦合器和上述第一二向色镜之间，用于过滤激光波长，截止不需要的激光波段；

第二滤光片，设于上述第二二向色镜和上述筒镜之间，用于过滤光线，允许荧光波段透过，截止不需要的激光背景光。

进一步地，还包括：

平面反射镜，设于上述第二二向色镜和上述筒镜之间，用于改变透过上述第二二向色镜的荧光信号的光路方向；

第一滤光片，设于上述耦合器和上述第一二向色镜之间，用于过滤激光波长，截止不需要的激光波段；

第二滤光片，设于上述第二二向色镜和上述平面反射镜之间，用于过滤光线，允许荧光波段透过，截止不需要的激光背景光。

进一步地，两种不同波长的激发光分别是位于520～535nm和635～645nm两个波段范围的光波。

进一步地，上述显微物镜的焦距为10mm，数值孔径为0.75。

进一步地，上述基因测序芯片上固定有DNA纳米球，每个上述DNA纳米球成像到上述相机芯片的大小为2×2像素。

进一步地，上述光学系统的放大倍率为12.22倍。

本实用新型的光学系统中的激光器能够依次间隔发射(分时发射)两种不同波长的激发光，同时基因测序芯片上四种碱基仅使用两种荧光标记物进行标记，激发光激发两种荧光标记物产生两种波长的荧光，通过分时发射产生的两种荧光波长的组合，能够区分四种碱基，能够高效率实现对样品的荧光激发和检测成像，从而实现基因的测序过程，并且只使用一个相机，光路有很大的简化，光路调整简便，也较大的降低了成本。

此外，光学系统中采用激光器作为激发光源，在功率密度、光束质量、波长的纯净度方面有比较大的优势。另外，光学系统采用滤光片组，分别有对应的通过波长和截止波长，保证激发光顺利到达样品而在相机前被截止，荧光顺利到达相机并被检测到。

本基因测序仪光学系统通过特有的设计实现了将一个DNA纳米球产生的荧光信号成像在2×2像素范围内。通过对相机分辨率及像素大小的选择，实现了每张图片可以拍摄约1M的DNA纳米球。大大提高了测序通量。

附图说明

图1为本实用新型的用于基因测序仪的光学系统第一种实施方式的示意图；

图2为本实用新型的用于基因测序仪的光学系统第二种实施方式的示意图；

图3为四种碱基对应的荧光信号状态信息的一种实施方式的示意图；

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型实施例的基因测序仪光学系统通过检测两种荧光信号从而检测到四种碱基信息的测序过程，有效的简化光学系统，从而实现基因的测序过程，光路有很大的简化，光路安装调试简便，大大降低了整个系统的成本。并且每个DNA纳米球产生的成像光斑能量一般分布在2×2像素点上，有效提高单次拍照包含的DNA纳米球数量，从而实现基因的测序过程，保证了DNA测序仪的通量。

参见图1，本实用新型实施例提供一种基因测序仪光学系统，用于激发基因测序芯片1上的荧光标记物(荧光标记物体积极其微小，因此未在图中示出)并采集该荧光标记物发射的荧光信号，其包括：

激光器2，用于依次间隔发射两种不同波长的用于激发荧光标记物的激发光；耦合器3，用于准直激发光；第一二向色镜5，用于反射激发光并容许荧光信号透过；显微物镜6，用于将激发光汇聚照射于荧光标记物上并汇聚荧光信号，与筒镜配合将荧光信号成像在相机上；第二二向色镜7，用于容许荧光信号透过并用于配合自动对焦模块8进行对焦；筒镜10，用于与显微物镜配合汇聚荧光信号以进行曝光成像；相机11，用于曝光以拍到所需的荧光照片；其中，筒镜10，设于第二二向色镜7和相机11之间。

对于该实施例，需要说明的是：激光器2能够发射两种不同波长的激发光，例如绿激光21(波长位于520nm～535nm波段范围)和红激光22(波长位于635nm～645nm波段范围)，用于激发荧光标记物以产生两种波长的荧光。激光器2通过分时打开，达到分别对两种荧光进行激发拍照的目的。为了过滤光线，截止不需要的光线，可以在耦合器3和第一二向色镜5之间设置第一滤光片4；类似地，可以在第二二向色镜7和筒镜10之间设置第二滤光片9。自动对焦模块8保持系统在工作时让样品一直处于显微物镜的焦平面上。

激光器2射出的激发光，经耦合器3准直后，通过第一滤光片4过滤，截止不需要的激光波段，然后射向第一二向色镜5，经第一二向色镜5反射至显微物镜6，再由显微物镜6聚焦，汇聚射至基因测序芯片1的荧光标记物上，在焦平面形成一个聚焦光斑，使荧光标记物受激发而发射出特定波长的光，从荧光标记物射出的荧光信号沿激发光的原路射回，由显微物镜6汇聚后射至第一二向色镜5上，由于第一二向色镜5允许荧光信号通过，因此荧光信号透过第一二向色镜5后射入第二二向色镜7，由于第二二向色镜7允许荧光信号通过，因此荧光信号透过第二二向色镜7射向第二滤光片9，然后进入筒镜10，经过筒镜10汇聚荧光信号以进行曝光成像，最终在相机11上曝光以拍到所需的荧光照片。

本实施例的光学系统，大大简化了基因测序仪光学系统的结构，易于调试，同时又能够保证信号采集的准确性，可对基因进行高效测序。

参见图2，其与图1的光学系统的差别在于：在第二滤光片9和筒镜10之间进一步设置一个平面反射镜12，用于改变透过第二二向色镜7的荧光信号的光路方向。平面反射镜12的作用在于可以改变光线传播的方向，使得光学系统内的各零部件可以按照需要调整它们的设置位置。

本实用新型的筒镜10可以含有多个透镜。

以下以激光器2分时发射绿激光21和红激光22为例，来说明本实用新型实施例的光学系统的成像流程：绿激光21和红激光22由激光器2内同一根多模光纤(图1-2中未示出)输出，经耦合器3准直后通过第一滤光片4再由第一二向色镜5反射，再由显微物镜6聚焦，在焦平面形成一个聚焦光斑；当基因测序芯片上的荧光标记物受到激光束激发后会发射出荧光；荧光信号会被由物镜及筒镜组成的成像系统成像到相机上，相机经曝光就能拍到所需的荧光照片。

以下示例性的说明用两种荧光检测四种碱基信息：

基因测序芯片1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。绿激光打开，样品(DNA纳米球)被绿激光激发荧光并被光学系统成像到相机，相机检测到荧光信号并拍照，然后绿激光关闭，红激光打开，样品被红激光激发荧光并被光学系统成像到相机，相机检测到荧光信号并拍照。如图3所示，在同一DNA纳米球的位置，被激光激发时，若检测到荧光信号则记为1，没有检测到则记为0，依次记录其两次拍照时的荧光信号状态。若是A碱基，只结合了一种荧光染料，绿激光激发时能检测到荧光信号，红激光激发时不能检测到荧光信号，则记为10；同理，G碱基，只结合了另一种荧光染料，绿激光激发时不能检测到荧光信号，红激光激发时能检测到荧光信号，则记为01；T碱基没有结合荧光染料，所以两次拍照时都不能检测到荧光信号，记为00；C碱基结合了两种荧光染料，所以两次拍照时都能检测到荧光信号，记为11。所以，当光学系统按顺序完成两次拍照，并记录了每个DNA纳米球位置的荧光信号状态，就能检测到其碱基信息。

以下示例性的说明实现一个DNA纳米球对应2×2像素的成像：

一个DNA纳米球成像到相机芯片的大小为2×2像素。根据像素尺寸及DNA纳米球的间隔，确定系统的放大倍率。在一个实施例中，使用的像素尺寸为5.5微米，DNA纳米球间隔为0.9微米，所以放大倍率为12.22倍；选择显微物镜的焦距为10mm，数值孔径(NA)为0.75，根据放大率的要求设计焦距为122.2mm的筒镜。

本实用新型实施例的光学系统能够高效率实现对样品的荧光激发和检测成像，从而实现基因的测序过程，并且只使用一个相机，光路有很大的简化，光路调整简便，也较大的降低了成本。光学系统中采用激光器作为激发光源，在功率密度、光束质量、波长的纯净度方面有比较大的优势，且激光器发射两种波长，例如绿光和红光，两种光分别激发一种荧光，经过一定的组合分别对应四种碱基的序列信息。另外，光学系统采用滤光片组，分别有对应的通过波长和截止波长，保证激发光顺利到达样品而在相机前被截止，荧光顺利到达相机并被检测到。

值得说明的是，本实用新型的光学系统并不限于图1-2所示的光学系统结构，当光学系统需求改变或成像通道改变时，如改变筒镜位置，改变滤光片及反射镜数目，或改变相机数目时，同样属于本实用新型的光学系统范围。此外，本实用新型并不限于如图3所示的碱基与荧光信号状态的对应，A、T、G、C四种碱基都分别可与其它荧光信号状态对应。同样，红绿激光器的拍照顺序也并不限于先绿激光后红激光，也可以先红激光后绿激光，或使用其它波长的激光器。本实用新型并不限于上述的像素尺寸和DNA纳米球间隔，也可以是另外的数值。同样，根据不同的像素尺寸和DNA纳米球间隔，可以设计不同焦距的筒镜。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于基因测序仪的光学系统，用于激发基因测序芯片上的荧光标记物并采集该荧光标记物发射的荧光信号，其特征在于，包括：

激光器，用于依次间隔发射两种不同波长的用于激发所述荧光标记物的激发光；

耦合器，用于准直所述激发光；

第一二向色镜，用于反射所述激发光并容许所述荧光信号透过；

显微物镜，用于将所述激发光汇聚照射于所述荧光标记物上并汇聚所述荧光信号，与筒镜配合将荧光信号成像在相机上；

第二二向色镜，用于容许所述荧光信号透过并用于配合自动对焦模块进行对焦；

筒镜，用于与所述显微物镜配合汇聚所述荧光信号以进行曝光成像；

相机，用于曝光以拍到所需的荧光照片；

其中，所述筒镜设于所述第二二向色镜和所述相机之间。

2.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，还包括：

平面反射镜，设于所述第二二向色镜和所述筒镜之间，用于改变透过所述第二二向色镜的荧光信号的光路方向。

3.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，还包括：

第一滤光片，设于所述耦合器和所述第一二向色镜之间，用于过滤激光波长，截止不需要的激光波段；

第二滤光片，设于所述第二二向色镜和所述筒镜之间，用于过滤光线，允许荧光波段透过，截止不需要的激光背景光。

4.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，还包括：

平面反射镜，设于所述第二二向色镜和所述筒镜之间，用于改变透过所述第二二向色镜的荧光信号的光路方向；

第一滤光片，设于所述耦合器和所述第一二向色镜之间，用于过滤激光波长，截止不需要的激光波段；

第二滤光片，设于所述第二二向色镜和所述平面反射镜之间，用于过滤光线，允许荧光波段透过，截止不需要的激光背景光。

5.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，所述两种不同波长的激发光分别是位于520~535nm和635~645nm两个波段范围的光波。

6.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，所述显微物镜的焦距为10mm，数值孔径为0.75。

7.根据权利要求1所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，所述基因测序芯片上固定有DNA纳米球，每个所述DNA纳米球成像到所述相机芯片的大小为2×2像素。

8.根据权利要求7所述的用于基因测序仪的光学系统，其特征在于，所述光学系统的放大倍率为12.22倍。