包含荧光显微镜的基因测序仪的制作方法

专利名称：包含荧光显微镜的基因测序仪的制作方法
技术领域：
本公开概括地涉及使用于分子生物学、基因组学、生物信息学等的研究中的设备， 特别是，涉及包含荧光显微镜的测序仪。
背景技术：
在最近三十年中，在对从简单的病毒到人类以及其他哺乳动物的各种生物体的基 因组(所有遗传性状的编码形式)的解码中取得了显著的进步。多年来有各种工具被开发 出来用以协助这种基因组的解码或测序。鉴于更加复杂的生物体(比如人类)的基因组的 极端复杂性，在测序这样的基因组中牵涉到的时间和成本是相当高的。例如，众所周知的人 类基因组计划为了于2003年完成的第一个人类基因组的测序使用了 13年时间和35亿美 元，并且会递增地耗费大约3亿美元以在今天重复。然而，测序技术和设备中的进步导致了 在执行这样的测序中的速度和成本上的相应的改善。例如，在2007年9月公布的第二个人 类基因组的完成耗费了一年时间和7千万美元。同时，已开发出提供改善测序的速度和费 用两者的潜力的所谓第二代测序技术(基于对DNA(脱氧核糖核酸)链的较短的、随机的片 段的分析，以及基于对不同序列的重叠部分的计算密集型比较的随后的重组)。许多测序技术依靠荧光显微镜，其中有机或无机物质的性质使用荧光现象而被研 究。样品中的感兴趣部分以被称为荧光基团的荧光分子特别地“标记”，并且以特定波长的 光照射，造成荧光基团发射出较长波长的光(即，与吸收的光不同的颜色)。照射光通过使 用适当的滤镜以及拍摄的发射的光的图像而从弱得多的发射的荧光中分离。通过研究这样 的图像，可以识别和确定特定物质(例如，DNA核苷酸)的性质。不论使用何种具体的技术来执行测序，对于使基因测序(及其潜在的好处，诸如 个人化的、基于遗传学的医学治疗)更加广泛的可用的持续的障碍是用以执行测序的设备 和耗材的高昂的成本。例如，当前的第二代测序机通常的成本在大约45万美元到135万美 元的范围。此外，虽然稍微便宜些，前一代测序机不能够以与第二代机器同样高的效率运 行，并且提供相比起来大幅减小的吞吐量。简而言之，虽然在准确地和高效地执行基因组测 序所需的分子生物学和有机化学中取得了快速和显著的进步，合适的测序平台的开发未能 跟上步伐。

发明内容
本公开描述基于荧光显微镜的基因组测序仪，其实现了初始设备成本的大幅减 少，而据信不会损失性能。以这种方式，可以更加容易地实现广泛的基因测序的好处。概括地，公开的测序仪实施荧光显微系统，其中试剂在测试之前通过流体子系统流向混合器，而 不像在其中使用相对昂贵和庞大的自动进样器以将试剂合起来并将它们置于测试位置中 的现有技术设备。在此使用的“试剂”是基因学的术语，其包括在公开的测序仪的运行中所 使用的专用的有机化合物；洗剂；简单的有机溶液；以及溶剂，包括水。在一种实施方式中， 公开的用于运送流体的系统包括与一个或多个多端口阀流体连通的多端口泵，该一个或多 个多端口阀又与多种试剂的储存器流体连通。在合适的基于处理器的控制下，多端口泵致 使试剂通过所述一个或多个多端口阀被抽入混合器并在随后被抽入一个或多个流通池，或 者被直接抽入所述流通池。类似地，多端口泵能够将流体从流通池抽至废物容器。在一种 实施方式中，所述一个或多个多端口阀被安装在流体多支管的一侧上，该流体多支管具有 安装在相对侧的注射管。安装在可移动支座上的多支管可被带入和带出与包括所述多种试 剂的储存模块的流体连通，从而便于测序仪的快速和高效的服务。在另一种实施方式中，测序仪包括分光器分度器， 其为所谓的滤镜立方体的快速 和可靠的切换提供便利。特别是，用于多个滤镜立方体的支持构件被装设并被直接地或者 以其他方式耦合到合适的步进电机。支持构件另外包括分度指示器，其与传感器协作以确 定支持构件的初始位置，从而确保滤镜立方体的一致和可靠的切换。而在另一种实施方式中，提供运动控制系统，其中用于控制物镜与目标平台沿相 应的垂直轴的、相对于彼此的运动的第一和第二控制轴直接地耦合到惯性基准。用于控制 目标平台沿与第一和第二轴两者都垂直的第三轴的运动的第三控制轴与第二控制轴耦合。 因为第一和第二控制轴直接耦合到惯性基准，所以能够更加容易地实现高性能(高频率响 应)运动控制，同时最小化在控制轴与惯性基准之间的任何结构连接的有害的低频率共振 效应。


此公开中的描述的特征随同附加的权利要求中的特殊性而被阐述。从会同附图， 对下面的详细描述的考虑中，这些特征以及随之而来的优点将会变得清晰。一种或多种实 施方式现在仅通过举例的方式，参考附图而被描述，其中相似的附图标记代表相似的元件， 并且附图中图1为根据本公开的荧光显微测序仪的示意性框图；图2为根据本公开的荧光显微测序仪的组件的内部布置的透视图；图3为根据本公开的用于运送流体的系统的示意性示例说明；图4A为在图3中所示例说明的用于运送流体的系统的部分的实施的透视图，并且 其中系统被示例说明在“打开”位置；图4B为示例说明于图4A中并且用于试剂的存储的储存模块的实施方式的放大的 透视图；图4C为示例说明于图4B中的储存模块的顶视图；图5为在图4A中所示例说明的用于运送流体的系统的部分的实施的透视图，并且 其中系统被示例说明在“关闭”位置；图6为根据本公开的泵与混合器的布置的透视图；图7为示例说明于图6中的混合器的局部剖视与透视图8为根据本公开的分光器分度器的透视图；图9和图10示例说明运动控制系统的组件相对于惯性基准的各种潜在的布置；图11示例说明运动控制系统的组件相对于惯性基准的目前优选的布置；图12为示例说明于图11中的布置的实施的透视图；以及图13为示例说明于图12中的实施的侧视图。
具体实施例方式现在参考图1，荧光显微测序仪100的示意性框图被于简化形式中示例说明。照射 源102作为应提供给用于分析的样品的激发照射源而被装设。在目前优选的实施方式中， 照射源102包括300瓦、强制空气冷却的氙气灯。然而，本公开不限制在任何特定的照射源， 其可根据设计选择而被挑选。氙气灯提供相较于其他照射源而言相对平坦的工作光谱的好 处，从而使得激发照射的选择(以便适应不同的荧光基团)能够被简化为激发滤镜116的 适当的选择。可选地，可以由具有被调谐到或者可调谐到期望的荧光基团吸收波长的合适 的波长的一种或多种激光来替代氙气灯。在这种实施方式中，优选地提供四种不同波长的 激光(例如，每一种激光用于四种不同的DNA核苷酸中的一种)。可编程快门组件104被耦合到照射源102。在一种实施方式中，快门104包括光 进入管以防止杂散光进入外壳、冷光镜、红外(IR)波束截止器、聚焦透镜、以及高速快门叶 片。如在本领域中所知，冷光镜采用多层介质膜以提供在感兴趣波长范围(360nm到730nm) 上的非常高(> 95% )的反射，同时将不需要的IR能量透射入波束截止器。高速、低惯性 快门叶片在汇聚光锥就要进入液体光导110光圈之前将其拦截。快门的行程、加速度、减速 度、以及速度可以经由运动控制器172 (在下面描述)而被灵活地编程。协同于相机140 — 同工作(在下面更详细的描述)，快门的主要目的不是为了设置曝光时间，而是为了在相机 的积分周期的任何一侧迅速的打开并随后熄灭光，确保几乎所有命中样品的光子都由探测 器有用地积分，并且不在积分周期之外贡献于样品的光致漂白。优选地由BK-7光学玻璃制成的聚焦透镜106被涂以防反射涂层，以最大化光的透 射，并且将来自快门104的准直光束聚焦入液体光导110的光圈之中，液体光导110可从 Lumatec GmbH商购，其提供用于将激发照射传达至激发滤镜116的容易地引导的路径。液 体光导110的内部流体被选择以最大化其寿命以及跨期望的，例如360nm到730nm的波长 的频谱的透射。液体光导110还空间均勻化透射的光，允许具有在全关与全开之间的许多 (高达200)亮度水平的快门104的可编程定位，同时保持均勻的场照明，这又提供在样品曝 光上的额外的控制度。光导110终止于被涂以防反射涂层的准直透镜112，其也优选地由 BK-7光学玻璃制成，并生成随后进入滤镜立方体114的平行光束。如在本领域中具有普通技能的人员将会认识到的那样，高吞吐量荧光显微是光的 动态编排的、波长选择性解析。光的波长选择性解析，相应地，通过使用常常被称为滤镜立 方体114的一个或多个光学滤镜而实现。在一种实施方式中，装设有多个滤镜立方体114。 如在下面更加详细地描述的那样，滤镜立方体114可以作为每四个立方体一组的组而被装 设。分光器分度器和控制115快速的将四个波长选择性滤镜立方体114中的任意一个，或者 用于样品在分析之前的定位的伴随的(第五)白光滤镜立方体安置于沿光轴的精确位置。每个波长选择性滤镜立方体114通常包括注塑塑料(见，例如，图8)，其包括激发滤镜116，将由照射源102提供的光缩窄到只有为了激发预期的荧光基团所需的波长范围。 45度二向色分光器118将产生的激发波长反射向物镜120以及样品，同时将任何产生的发 射波长(从物镜120)透射向发射滤镜136。发射滤镜136在最大程度上确保只有来自发射 的荧光基团的光被透射向相机140。如已知于本领域中的那样，可从Semr0Ck，InC.获得的 滤镜116、136和分光器118必须与期望的荧光基团相协调，以避免相机140通过发射滤镜 116见到，滤镜η的激发对从荧光基团η-1或者η+1的发射的激励。物镜120协同于管镜头138，设置放大、分辨率以及光收集效率的期望水平。虽 然使用于这种应用中的这种类型的合适的光学元件对于那些本领域内的普通技术人员来 说将会是显而易见的，在目前优选的实施方式中，物镜120包括高性能，无限校正的，亮 场20Χ，0. 70(或更高)数值孔径的物镜与配套的1.25Χ管镜头相耦合，两者均由Leica Microsystems GmbH生产，以获得25X的总放大倍率。物镜120的非常高的数值孔径的使用 确保了从暗淡的荧光基团的高效的信号采集。然而，应了解，可以使用任意数量的无限校正 的物镜以适应特定的取决于应用的需求。物镜120与相机140之间的光路被衬垫物镜与相 机镜头的光学黑绒纸所保护，以防止杂散光。 相机140对于由荧光基团发射的微量的光高度敏感，并且优选地为采用电子倍增 电荷耦合器件(EMCCD)技术的数码相机，比如由Hamamatsu Corporation生产的C9100-02 型号。在目前优选的实施方式中，相机140包括SmmxSmm的探测器(8平方um像素的 1000x1000阵列)，其与由光学元件120、138提供的放大倍率相结合，提供320平方um的视 场，而每个像素对应于样品平面中的额定的320平方nm的区域。实际上，衍射极限分辨率 是物镜120的数值孔径和感兴趣波长的函数；在最短波长(360nm)，分辨率为260nm，相当接 近于几何分辨率。在最长波长(730nm)，分辨率变粗糙，在520nm。在目前优选的实施方式 中，热致暗电流(即，在获取的图像中的噪声)的引入通过由在相机140的控制之下工作的 强制空气Peltier型热电冷却器142持续地保持在_50°C的，密封高真空的探测器腔而被最 小化。使用EMCXD相机140，可以将从1到高达2000X的内部增益应用到能够以高达每秒 30帧的速率被采集的每幅图像帧。帧速率和积分周期(即，在其中发射的光被收集的时间 长度)，在目前优选的实施方式中，可以由可包括一台或多台适当编程的机架式计算机的运 动与温度控制器174所完全的编程和控制。正如上文所述，测序仪100的各种部件自集中式控制器144接收控制信号并且/ 或者提供数据至集中式控制器144，其如所示的那样，包括多个适当编程的、机架式的计算 机或者其他处理设备，而任何必需的控制信号经由适合的通讯路径(为便于示例说明而未 全部示出)被引导至适当的部件。在示例说明的实施方式中，集中式控制器144包括用 来控制测序仪100的整体工作的采集与控制计算机(ACC) 170。ACC 170，相应地，与用于 控制全部硬件部件，例如，运动部件、传感器、温度控制设备等的工作的运动与温度控制器 (MTC) 172的控制运行相联系。ACC 170还与使用合适的软件实施的图像处理算法，提供实 时图像处理与质量指标，以及最终碱基响应(即，探测到的DNA序列的确定)的图像处理 计算机(IPC) 174相联系。在目前优选的实施方式中，IPC 174还与一个或多个允许测序仪 100与外部设备、网络等的联系的接口 146相联系。例如，ACC 170可以是IU机架式计算机，其包括具有4MB的L2高速缓存的2. 4GHz 双核Intel Core 2Duo中央处理单元(CPU)、2GB的双数据速率2随机存取存储器(DDRIIRAM)、双千兆以太网端口、串行端口、在PCI-e插槽中用于图像获取的相机连接采集卡，以 及lTB，7200rpm的串行高级技术附加装置接口(SATA II)硬盘驱动器。除了执行全部的仪 器控制功能以外，ACC 170另外还与相机140相联系以执行图像采集、临时图像存储以及到 IPC 174的图像传输。相应地，IPC 174可以是类似的IU机架式计算机，其包括具有4MB的 L2高速缓存的2. 4GHz双核Intel Core 2Duo CPU,8GB的DDRII RAM、双千兆以太网端口、 以及两个lTB，7200rpm的SATAII硬盘驱动器。MTC 172，正如上文所述，控制全部运动相关 部件、温度调节部件、流体输送部件以及自动对焦部件，如下所述，其优选地包括3U机架式 计算机，该计算机经由串行、USB和/或以太网端口的任意组合与ACC 170相联系。用于编 程这样的计算机以执行此处所述的操作的技术为本领域中的普通技术人员所熟知。例如， 在目前优选的实施方式中，ACC 170和IPC 174两者可以全部运行“LINUX”操作系统以及 来自 Harvard Medical School 的 Church Laboratory 的公开可用的软件。除了快门控制104和 分光器分度器115，测序仪100另外地包括所谓的X-控制轴、 Y-控制轴和Z-控制轴124-128，用以精确地控制目标平台122 (包括流通池313)与物镜120 相对于彼此的定位。如图所示，X-轴124和Y-轴126优选地控制目标平台122(以及相应 的温度控制器134)的运动，而Z-轴128控制物镜120的运动。在一种实施方式中，X-控 制轴、Y-控制轴和Z-控制轴124-128分别提供150mmX150mmX2mm的行程，伴随以沿任意轴 的5nm的分辨率。优选地，控制轴124-128中的每一个都包括非接触式、直接驱动的直线电 机，其包含非接触式光学线性编码器以及具有抗蠕动保护的精密磨光的交叉滚子导轨。合 适的控制轴124-128可以从Danaher Motion-Dover获得。在集中式控制器的控制下，这 些轴提供高性能运动，其中在χ-轴上的视场到视场(视场是当前正被成像的样品的部分) 步进和稳定时间近似于相机140的最高帧速率。如参考例如图12所示的那样，目标平台 122包括双样品载体，提供样品室或者流通池的精确配准。另外，在目标平台122上的流通 池313的温度可以由相应的温度控制器134(仅示出一个)所控制。在目前优选的实施方 式中，每个温度控制器134都包括会同主动强制空气传热工作的Peltier热电模块，允许在 15°C到60°C范围内的多个温度设置点的使用，而每个设置点可对于任何期望的时间间隔编 程，从而提供宽泛的生化协议范围。虽然测序仪的物镜120的景深必然取决于所采用的物镜120的配置，本领域中的 技术人员将会明白，几乎所有为此目的而使用的物镜120都将具有需要使用恒定聚焦修正 的非常精确的景深。例如，上述的20X、0. 70NA的Leica物镜的景深在测序仪100的波长范 围上(360nm到730nm)变化，从在最短波长上的0. 52um,到在最长波长上的1. 06um。由于 生产和对齐具有这样的平面度的样品是不可能的，所以装设有主动激光自动对焦系统130。 在优选的实施方式中，自动对焦系统130使用平面极化的785nm激光二极管以生成单调的 聚焦误差信号，聚焦误差信号接着又被数字Z-控制轴其128所积分，以在包括步进和扫描 时在内的所有时间中维持关键的、亚微米聚焦。785nm波长的激光二极管的使用避免了最 红的荧光基团的潜在的发射滤镜136衰减。正如上文所述，Z-轴128的分辨率为5nm，并且 其2mm的行程允许物镜120在样品的加载和卸载中被从主动自动对焦平面切换到缩回的位 置。如示意性地示例说明的那样，多波长选择性滤镜132被用以将自动对焦激光束通过经 由适当的分光器133引导至样品，同时确保自动对焦激光保持完全不能被相机140探测到， 并且潜在的荧光激发和发射的全范围(360nm到730nm)保持可以高透射获得。
现有技术测序仪通常依靠昂贵的自动进样器以在将期望的混合物放置于目标平 台上之前机械地访问每一种必要的试剂的容器(通常在实际的测序设备的外部)。这在那 些包括基因组测序和活细胞荧光成像的，需要在成像之前从样品区域引入和去除试剂的应 用中变得尤其麻烦。相反，此处所述的测序仪100依靠高度灵活和高效的流体输送系统150 来完成试剂的获得和混合。为此，流体输送系统150为所有将由测序仪100所使用的试剂提供储存。一般地， 由测序仪100所使用的试剂被分为两个基本组那些需要冷却或者能够从冷却中受益的， 和那些不这样的。在目前优选的实施方式中，后者156、158被安置于在测序仪100之内或 在其旁边的单独的Nalgene瓶中；在默认配置中，测序仪100包括两个2升的瓶158，以及 两个250ml的瓶156，它们经由穿过每个瓶的螺帽中的扣眼的标准1/8”FEP管道与流体子 系统的其它部分连接。当被布置于测序仪100之内时，这些瓶156中的液体将被维持在测 序仪100的内部温度， 通常为大约31°C。通常，在前一类中有更多的试剂，S卩，那些其保存期将会通过受控的冷却而被提高 的试剂。然而这样的试剂的必要的体积往往趋向于相当小也是事实。对于这后一类的试 齐U，提供有试剂或储存模块152，其允许高达26种不同试剂的储存，而储存空间在从5ml到 80ml之间的范围中。如图所示，与上述的那些(即，温度控制器134)基本上相同的温度控 制器162被装设，以将储存模块152的温度控制在大约6°C。注意，虽然储存模块152的温 度能够被设置得更高，在实践中通常不会这样做，因为目的是延长仪器内被冷却的试剂的 保存期。在以下参考图3更加详细的描述的泵与阀系统154被装设以将期望的试剂从任意 存储部件152、156、158抽入到混合器160并且随后抽入到目标平台上的流通池313，或者直 接地抽入目标平台122上的流通池313或从其中抽出。类似地，泵与阀系统154可被用以 将流体从流通池313排出至提供在外部的废物容器164，或者从任意存储部件152、156、158 排出至废物容器(如在，例如，使用水或洗剂来清理任意阀或介于其间的管道的情况中)。 如在以下更加详细的描述的那样，因为许多在基因组测序、生物化学实验等当中所采用的 试剂是非常昂贵的，泵与阀154、混合器160以及介于其间的管道被优选地保持在最小尺寸 和长度，以最小化试剂的用量。现在参考图2，示例说明荧光显微测序仪100的各个部件的目前优选的内部布置 的透视图。特别是，支架被示出，其包括安装到又被安装在垂直壁208和脚210上的垂直支 架206的惯性基准204。在目前优选的实施方式中，惯性基准204为相对厚重的加工过的 铝板，其服务于两个主要目的。第一，惯性基准204为示例说明于图1中的大部分部件提供 支撑；如图所示，只有集中式控制器144(正如上文所述，优选地包括ACC 170、MTC 172和 IPC 174)由垂直壁208所支撑。注意，目标平台122和温度控制器134位于X-轴124之 上。其垂直定位由Z-轴128所控制的物镜120，位于由分光器分度器115、管镜头138以及 相机140所建立的光路的一端。第二，如在以下更加详细地描述的那样，惯性基准204充当 各个X-轴、Y-轴和Z-轴的结构参考点。现在参考图3，更加详细地示例说明流体输送子系统150的实施方式。如图所示， 子系统150包括多个多端口阀302-306以及多端口泵308。多端口泵308与两个多端口阀 302、304、混合器311以及两个流通池313流体连通。如图所示，多端口泵308能够被配置以将其任意端口与注射泵310流体地耦合，类似地，多端口阀306-306中的每一个能够被配 置以将其输出端口(被示意性地示例说明为中心端口)与其任意输入端口流体地耦合。第 一三通阀316可被控制以将第三多端口阀306直接地流体耦合到流通池313，或者将混合 器311流体耦合到流通池313。第二三通阀314允许分别地选择两个流通池313中的任意 一个。第三三通阀316流体地耦合到全部三个多端口阀302-306从而允许空气或洗剂(存 储于外部容器158中的一个中)通过任意多端口阀302-306而被抽出。第四三通阀318被 以与多端口泵308的流体连通来装设，这有助于两种特定的、冷却的试剂，在此范例中，连 接酶或者接合缓冲液(相应地标记为L和LB)的任意一种的选择。注意，合适的三通阀由 Biirkert Fluid Control System 生产。如图所示，由多端口阀302-306所提供的端口中的大多数都被流体地耦合到存储 于储存模块152中的试剂。在示例说明的范例中，以这种方式存储的试剂包括锚定引物(标 记为从Al到A4，Nl和N3)、具有4个荧光基团的单体和接合缓冲液(标记为从N-I到N-7 以及N+1到N+6)、以及核酸外切酶(标记为Exo)。在这种配置中，存在四个空余的试剂室 (标记为从S2到S5)。如图所示，第一多端口阀302和第二多端口阀304两者都仅仅与存 储于储存模块152内的试剂流体地耦合。相反，第三多端口阀306被耦合到储存模块152 中的试剂并且耦合 到在示例说明的实施方式中存储水、洗剂、氢氧化钠或者盐酸胍的两个 未冷却的容器156、158之一或全部。尽管未明确地在图3中示例说明，多支管(于以下描 述)被使用于目前优选的实施方式中，用以支持多端口阀302-306和三通阀312-318两者， 并且用以建立多端口泵308、多端口阀302-306以及流通池313之间的各种连接。每个多端口阀302-306优选地包括十端口旋转阀，比如那些由Rheodyne LLC生产 的。注射泵310，比如那些由Tecan Group Ltd.生产的，优选地装备有提供容积流量控制和 额外的流动路径的九端口陶瓷旋转阀308。在目前优选的实施方式中，注射泵310容积为 Iml伴随以0. 5ul的分辨率和可重复性，以及IOul的绝对精度，尽管可理解，用户可以快速 和容易的替换一系列可选的注射器，为了分辨率而牺牲容量。鉴于此配置，试剂的选择、它 们的操作次序、它们的体积、流速，以及在多个温度下在样品室中的持续时间等，均可以完 全地由用户编程。在示例说明于图3中的配置中，流体输送系统150能够执行数种操作以在测序仪 100内移动流体。例如，多端口泵308可以将任意试剂从储存模块152经由第一或第二多端 口阀302、304抽入到混合器311中。注意，多端口泵308提供多条输入线路(经由端口 1 和8，如示例说明的)到混合器，从而允许这些从多端口泵308到混合器311的线路在期望 时被注入以频繁使用的试剂。如在以下进一步详细的描述的那样，混合器311可被操作以 将被引入其中的任何流体混合在一起。此后，多端口泵308可以通过向两个流通池313中 的全部或之一的远端(相对于混合器311)应用真空(凭借注射泵310)而将混合物从混合 器311抽入两个流通池311中的全部或之一中。以类似的方式，那些可以通过第三多端口 阀306获得的试剂可以一同绕过混合器311而被直接地抽入两个流通池311中的全部或之 一。为了提高单独的试剂之间的分离，系统可以被配置为使洗剂或空气可被输送通过任意 多端口阀302-306和流通池313。最后，多端口泵308可以将流体从流通池313之一(或者 从第一和第二多端口阀302、304之一)抽入到外部废物容器164。现在参考图4A-图4C以及图5，示例说明流体输送子系统150的目前优选的实施方式，包括储存模块152。多支管404被装设，其上表面充当用于安装多端口阀302-306以 及三通阀312-318的平台。在多支管404的一相对侧，多个不锈钢注射管406向下延伸，并 且以使得它们能够被储存或试剂模块152中的相应地安置的凹室或腔室430-434所接收的 方式，将它们在多支管404的表面上对齐。全部冷却的试剂都储存于单个整体块的储存模 块152中，其优选地由带特氟隆涂层的铝制成(使得它与超声波清洗和热压灭菌相兼容)， 并可以通过外壳的前门而被容易地移除、清洁、重新注入，以及重新插入。在使用中，储存模 块152位于用于降低试剂的温度的温度控制器162的上边。如在图4C中最好的示例说明的那样，在储存模块152中的每个凹室430-434包括 锥形底面440。优选地，每个注射管406精确地与每个相应的锥形底面440的最低点对齐，从 而使得在多支管404被降低时，每个注射管406被带入与其相应的凹室430-434的流体连 通中，从而确保每种试剂除了 IOul以外全部都可被取得。在一种实施方式中，每个凹室 430-434可以被配置为直接储存所需量的相应试剂或者，在替代实施方式中，储存相应地 直接储存所需试剂的小瓶或其他容器。在后一种实施方式中，限定每个凹室430-434的内 部尺寸可被配置，以唯一地符合于具有配对的外表面配置的仅一种类型的小瓶。如在图4B 和图4C中所示的，可以根据需要而装设不同形状和大小(即 ，内部容积)的凹室430-432。 例如，在目前优选的实施方式中，在储存模块152中装设提供0. 75ml、1.5ml、3ml、6ml、8ml 和45ml的容量的凹室430-434。同样地，可以在必要时选择储存模块152中的每个凹室 430-434的具体位置。而在另一种实施方式中，储存模块152可以由相对容易处理的材料， 比如真空成型的、生物惰性塑料之类所构成。这样的储存模块152 (或者甚至可互换的非一 次性储存模块)可被预先填充以试剂的任意期望组合，并且随后被薄膜密封以防止试剂的 泄漏或交叉污染，从而方便立即可用的试剂模块152的运输。在这种实施方式中，每个注射 器可以具有在多支管被降低时将会穿透密封薄膜的刀口斜面。在示例说明的实施方式中，储存模块152包括横向插槽436，其在储存模块152被 插入或移除时与相应的横向导轨411的水平布置的凸缘啮合。手把438也可以被装设在流 体模块152中以协助其操纵。除了提供储存模块152中的试剂与相应的阀302-306、312_318之间的相对短的流 体连接以外，多支管404在必要时还提供允许未冷却的容器156、158到阀302_306、312_318 的连接的装配。此外，多支管404可以支持协助为试剂提供等温环境的，围绕注射管406的 向下伸出的外壳(为方便于示例说明，仅示出侧壁408和后壁410)。如在图4A和图5中所示，多支管404被优选地安装(直接地或者，如图所示，经 由外壳侧壁408)在包括一对可滑动地安装在垂直引导柱414上的托架412 (仅示出一个) 的可移动支架之上。杠杆构件416被装设并且通过支点轴418被可旋转地安装到外壳面板 402 (仅示出一个)。杠杆构件416此外包括可滑动地与在每个托架412中的相应的导引 槽420啮合的针脚422 (仅示出一个)。使用安装在杠杆构件416上的手柄424，杠杆构件 416可以相对于支点轴418旋转，从而导致针脚420提升或降低托架412以及随附的多支管 404。图4A示例说明了在“打开”位置的多支管404以及其可移动支架，允许储存模块152 的方便的访问以及快速的插入/移除。相反，图5示例说明了在“闭合”位置的多支管404 以及其可移动支架，其中注射管406被带入与它们相应的凹室430-434的流体连通。还应 注意，在目前优选的实施方式中，装设有闩锁柱426，其在多支管404被置于打开位置时与弹簧承载的闩锁428啮合，并且其在将多支管404置于闭合位置之前必须从闩锁柱426脱罔。现在参考图6和图7，示例说明混合器311的目前优选的实施方式。特别是，混合器 311被示例说明为安装在包括用以控制注射泵310的电子和机械元件的泵外壳600之上。 如图所示，注射泵310由造成流体被抽入注射泵310或者从其中喷出的垂直移动台601所 驱动。混合器311，相应地，凭借一对托架602而被安装到泵外壳600。混合器311包括混合 室604，可拆卸地安装于第一托架602a之中，以及至少部分地被由安装到第二托架602b的 电动机608所驱动的可旋转阀轭606所包围。阀轭606包括多块磁体607，其如最好地示例 说明于图7中的那样，对安装在旋转构件或叶轮704中的相应的磁体706起作用。亦即，随 着阀轭606被电机608旋转，磁体607、706的相互吸引在叶轮704中也引起旋转运动。电 机608可以包括具有减速器等的常规DC有刷电机。在当前的实施中，混合室604包括具有3ml的内部容量的玻璃小瓶，优选地具 有锥 形或者以其他方式逐渐变得尖细的内部底面(如图7中所示)以及平坦的外部底面。以与 混合室604的开口的密封啮合装设盖子610，并且其优选地形成有多个端口 612和通风孔 614。正如上文所述，多个端口 612允许流体输送子系统150与混合器311之间的专用输入 和/或输出线路，从而避免在试剂之间切换时要倾倒掉线路上昂贵的试剂。在示例说明的 实施方式中，单独一条输出导管702被示出，其经由中央端口 612自混合室604冒出并且终 止于t连接器616之中。优选地，输出导管702由相对无弹性的材料，比如不锈钢管或相似 物等制成。如在图7中最好地示出的那样，输出导管702基本上与混合室的纵轴对齐并且 从混合室604的近端延伸至远端(即，从混合室604的开口至其内部逐渐变得尖细的底部 的尖端)。靠近混合室604的远端放置输出导管702的一端确保了在需要时能够提取容纳 于混合室604中的除了微量的之外的几乎全部混合物。如进一步在图7中所示的，叶轮704与输出导管702同轴地对齐，输出导管702通 过叶轮704的纵向通道，从而提供叶轮704可以自由地绕其旋转的轴。注意，导管702的远 端自叶轮704中的纵向通道的底部冒出。凭借重力和叶轮的磁体706对外部阀轭606的磁 体吸引力，叶轮704被优选地紧靠混合室604的远端安置并且，还更进一步地，构成叶轮704 的每片鳍叶711同样具有逐渐尖细的形状以更好地符合混合室604的逐渐尖细的底部。为 了提高叶轮704的混合能力，每片鳍叶711优选地包括开口 708和有斜面的上边缘710以 在所需的混合物中更好地弓I起扰动。现在参考图8，更加详细地示例说明分光器分度器115的目前优选的实施方式。概 括地，分光器分度器115包括支持构件(在此范例中为转轮)802，在其上安装有多个分光器 (如示例说明的，以滤镜立方体的形式)114。在示例说明的实施方式中，支持构件802包括 用于多达六个滤镜立方体的位置，虽然在实践中保持至少一个位置开放，即，不安装滤镜立 方体可能是期望的。支持构件802的运动是由步进电机804所引起的，在示例说明的实施 方式中，步进电机804引起支持构件802的旋转运动。每个滤镜立方体114被安装到支持 构件802，从而使得在步进电机行进通过多个固定位置时，相应的滤镜立方体(如果存在) 基本上对齐于在一个平面中的光源的光轴，在此范例中，准直透镜112和光导110，以及在 另一个基本上垂直的平面中的另一个光轴，在此范例中，管镜头138。凭借形成于支持构件 802中的开口 805，接收自光源的光在滤镜立方体114的第一开口(在滤镜立方体114的侧面上)中被接收，并且被内部反射通过第二开口(在滤镜立方体114的顶面上)以及在支 持构件802中的相邻的开口 805。同样地，在滤镜立方体114中的第三开口(与第二开口相 对并且基本上与其平行，即，在滤镜立方体114的底面上)允许发射的光(来自荧光基团) 通过第二开口并进入管镜头138。在当前的实施中，步进电机804能够以低于IOurad的角 重复性在150ms内在滤镜立方体114之间切换。虽然在图8中示例说明了旋转实施方式， 可理解，支持构件的其他类型的运动也可以被等同地采用。例如，支持构件802可被实施为 以线性的方式驱动的线性支持构件，而不是转轮。不论如何，支持构件802还包括分度指示器806 (如示例说明的，以切口的形式)， 其与相应地确定分度指示器806是否存在的传感器808 (在此范例中为金属接近传感器) 相配合。那些在本领域中具有普通技能的人员将会明白，其他类型的传感器，例如，光学传 感器，也可以为此目的而被采用。注意，传感器808与支持构件802 (凭借其在步进电机804 上的安装)通过共同安装在对齐构件810上，被保持在基本上固定的对齐中，对齐构件810 还将光学元件(例如，准直透镜112和管镜头138)保持对齐。通过检测分度指示器806存 在与否，传感器808能够提供指示出支持构件802的初始位置的指示(例如，电信号)。例 如，在测序仪100的开机序列中或者在其复位之后，步进电机804 可被控制，以相对缓慢地 转动支持构件802，直至分度指示器被探测到。在示例说明的实施方式中，支持构件802具 有从支持构件802的中心(在步进电机804下方)径向地间隔开的外围边缘803，而分度指 示器806沿外围边缘803安置。然而，如那些在本领域中具有普通技能的人员将会明白的 那样，分度指示器806可以采取可被放置在支持构件802的其他位置上(例如，在转轮的顶 面上)或者在分度器115的其他元件上(例如，在滤镜立方体自身上)的其他形式(例如， 可检测的颜色或图案，比如条形码等)。此外，在示例说明的实施方式中，支持构件802的初 始位置造成该多个分光器(如果存在)中的一个被如上所述地那样光学地对齐。因此，分 度器115的默认位置是为了提供连续的光路。然而，默认到在其中连续光路被禁止的位置 可能是期望的，在这种情况下，放置分度指示器从而使得当在初始位置时每个分光器(或 者其他光通道)都不与任何光轴对齐可能是期望的。如已知于本领域中的那样，必须控制被分析的目标平台122相对于物镜120的运 动。通常，这通过使用如上所述的，以不同的方式布置的x-、Y-和Z-控制轴而实现。通常， X-和Y-控制轴目标平台与物镜相对于彼此的横向对齐，而Z-控制轴目标平台与物镜相对 于彼此的垂直对齐。在这样的定位系统中，高性能(快速的移动和稳定时间、在停止时的紧 密的位置稳定性，等等)需要高伺服带宽(即，以高频率响应扰动的能力)。例如，在目前 描述的测序仪100中，在图像采集中实现大约每秒25幅图像(伴随以目标平台122在图像 之间的25次相应的运动，以及物镜120的连续跟踪自动对焦运动)以及优于景深(0. 5um) 的跟踪性能是期望的。实现这样的高性能带宽的限制常常是由系统中的最低谐振(自然频 率)所设置的。因此，为了得到高性能/高带宽，全部运动相关的部件(并且尤其是在常常 是大且重的支撑结构中)中的谐振频率都应当是相对较高的。为了得到高谐振频率，支撑 结构理想地是小的、轻量的，并且尤其是坚硬的。连接各个控制轴的相对长和/或柔软的结 构会导致非常低的性能。为此的典型的方法的范例示例说明于图9和图10中。如图所示，惯性基准902被 装设。如在此处使用的，惯性基准提供参考点，所有受控的运动都相对于其执行。这样，惯性基准优选地具有相对较大的质量(从而导致相应地较大的惯性力矩)和刚性(从而具有 相对较高的谐振频率)。通常，惯性基准902以水平的方式部署，如图所示，以形成运动部件 能够安装于其上的表面。在第一实施方式中，使用各个轴904-908以直接地控制目标平台 909相对于基本上静止的物镜910的运动。为此，第一轴(在此范例中，X-轴904)被直接 地安装到惯性基准902并且第二轴(在此范例中，Y-轴906)被安装在第一轴上。如图9和 图10中所示，这控制了在垂直于此页的水平面中的所有运动。如图9中所示，第三轴(在 此范例中，Z-轴908)可以被安装在第二轴上，并且被用以控制目标平台909的垂直运动。 物镜910，在图9中，经由结构连接912耦合至惯性基准910并且因而是基本上静止的。以 这种方式，目标平台909相对于物镜910的运动仅仅通过目标平台的运动而被控制。在示 例说明于图10中的可选的实施方式中，Z-轴908被替代地用以控制物镜910相对于目标 平台909的运动，并且因此经由结构连接912耦合至惯性基准902。然而，示例说明于图9和图10中的两种实施方式都将被相对较低的谐振频率所限 制，该谐振频率将会由于相对长和柔软的结构连接912而被包括于结构环路(即，物镜910 与目标平台909之间的物理连接)之中。结果是，示例说明于 图9和图10中的系统的性能 将会被限制，因为目标平台909和/或物镜910的每次运动将会造成相对较低的谐振频率， 其将会耗费成比例地更长的时间来消散，从而限制系统的速度和/或准确性。为了解决这样的限制，可以采用示例说明于图11中的结构系统。如图所示，两个 控制轴，在此范例中Y-轴126和Z-轴128，被直接地安装至惯性基准204，从而使得两个轴 能够从与惯性基准204的相对较高的谐振频率的紧密的耦合中受益。为了实现这一目标， 将惯性基准以如图所示的垂直朝向安装是优选的。这对于减少测序仪100的整体占用面积 以及经由Z-轴128提供物镜120的特别精确控制而言是特别有用的。另外，在Z-轴128 和Y-轴126之间插入惯性基准204使得X-轴124(以及目标平台122)能够经由相对短而 坚硬的结构连接1102耦合至Y-轴，从而最小化在由此产生的结构环路中的任何相对较低 的谐振频率。图11中所示的结构的实施在图12和图13中被进一步地示例说明。如图所示，惯 性基准204被垂直地安装(在未示出的垂直支撑206上)，伴随以Z-轴128直接地安装于 其正面之上。如在图13中最好地示出的那样，Y-轴126被直接地安装在惯性基准204的背 面上，伴随以X-轴124凭借结构连接1102耦合至Y-轴126。如图所示，目标平台122通过 使得温度控制器134能够靠近目标平台122 (以及相应的流通池313)安装的一组三个短、 坚硬的支撑1202而被安装至X-轴124。在示例说明的实施方式中，Y-轴126与X-轴124 之间的结构连接1102包括底板1102a，其耦合至侧壁1102b、1102c以及背板1102d。注意， 在图13中，右侧壁1102c为便于示例说明而被移除。因为结构连接1102相对短而坚硬，该 系统能够达到非常高的性能，包括快速移动以及短的稳定时间。如上所述，本发明的测序仪克服了现有技术设备的许多限制。这是部分通过对流 体输送子系统的使用而实现的，该流体输送子系统包括用于准备期望的试剂混合物的混和 器，该混合器取代相对昂贵的自动进样器设备并且在开发期望的化学协议中提供同样的灵 活性。此外，滤镜立方体的快速和可靠的选择通过对高度可靠和精确的分光器分度器的使 用而被提供。再进一步，运动控制系统被装设，其允许在具有相对较小的占用面积的装置中 的高性能吞吐量。
虽然示出和描述了特定的优选的实施方式，对于本领域 内的技术人员而言，显而 易见，在不背离本教导的情况下可做出改变和修改。例如，在此处描述的测序仪可以被装备 以允许用户确定测序仪的状态的合适的用户界面。因此以上所述的教导的任意的和全部的 修改、变更或者等效物都被认为是落入在以上公开的和在此处要求保护的基本原理的范围 之内。
权利要求
一种在基因组测序仪中用于输送流体的系统，包括混和室；多种试剂的储存器；与储存器流体连通的多端口阀；与所述多端口阀和所述混和室流体连通的多端口泵，所述多端口泵可操作以将所述多种试剂中的至少一种试剂从所述储存器经由所述至少一个多端口阀抽入到所述混合室中；以及与所述多端口泵和所述混和室流体连通的流通池，其中所述多端口泵可操作以将包括所述至少一种试剂的混和物从所述混合室抽入到所述流通池中。
2.根据权利要求1所述的用于输送流体的系统，其中所述储存器进一步包括多个单独 的存储部件，所述系统进一步包括至少两个多端口阀，所述至少两个多端口阀中的每一个与所述多个单独的存储部件的 不同部分流体连通。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个存储部件包括储存模块，所述至少两个 多端口阀进一步包括与所述多端口泵和所述储存模块的第一部分流体连通的第一多端口阀，其中所述多端 口泵可操作以经由所述第一多端口阀将所述多种试剂在所述储存模块的所述第一部分中 的部分中的任意试剂抽入所述混合室中；以及与所述多端口泵和所述储存模块的第二部分流体连通的第二多端口阀，其中所述多端 口泵可操作以经由所述第二多端口阀将所述多种试剂在所述储存模块的所述第二部分中 的部分中的任意试剂抽入所述混合室中。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个存储部件包括多个容器，所述至少两个 多端口阀进一步包括与所述流通池和所述多个容器流体连通的第三多端口阀，其中所述多端口泵可操作以 将所述多种试剂中存储于所述多个容器中的部分中的任意试剂经由所述第三多端口阀抽 入所述流通池中。
5.根据权利要求4所述的系统，所述第三多端口阀与所述储存模块的第三部分流体连 通，其中所述多端口泵可操作以将所述多种试剂在所述储存模块的所述第三部分中的部分 中的任意试剂经由所述第三多端口阀抽入所述流通池中。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个容器中的至少一个容器是在所述基因组 测序仪的外部。
7.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个容器中的至少一个容器是在所述基因组 测序仪的内部。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述多端口泵流体连通的废物容器，其中所述多端口泵可操作以将流体从所述流通 池抽入到所述废物容器中。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多端口泵可操作以将流体从所述多端口阀抽 入到所述废物容器中。
10.一种在基因组测序仪中用于输送流体的系统，包括多支管；安装在所述多支管的第一侧上并与所述多支管的第一侧流体连通的多端口阀； 安装在所述多支管的第二侧上并与所述多支管的第二侧流体连通的多个注射管，所述 多个注射管中的每一个经由所述多支管与所述多端口阀的相应的端口流体连通；包括多个用于存储试剂的凹室的储存模块，所述多个凹室中的每一个与所述多个注射 管中的相应的一个对齐；以及支持所述多支管和所述储存模块的可移动支架，其使得所述多个注射管能够被移入和 移出与所述多个凹室的流体连通。
11.根据权利要求10所述的系统，所述可移动支架进一步包括 至少一个垂直柱；以及至少一个托架，其被耦合至所述多支管并且可滑动地安装在所述至少一个垂直柱上， 使得所述多支管能够被垂直地移动，同时维持与所述储存模块的横向对齐。
12.根据权利要求11所述的系统，所述可移动支架进一步包括 至少一个支撑板；以及杠杆构件，在其一端可旋转地安装到所述支撑板并且可移动地耦合到所述至少一个托 架，使得所述杠杆构件的旋转引起所述托架的垂直运动。
13.—种基因组测序仪中的分光器分度器，包括 包括分度指示器的支持构件；耦合到所述支持构件的多个分光器； 直接地耦合到所述支持构件的步进电机；传感器，相对于所述支持构件安置，以检测所述分度指示器的存在；以及 控制器，与所述传感器和所述步进电机联系，在接收到来自所述传感器的所述分度指 示器存在的指示时，进行操作以控制在初始位置的步进电机。
14.根据权利要求13所述的分光器分度器，其中当所述支持构件在初始位置时，所述 多个分光器中的一个的光轴与照射源的光轴对齐。
15.根据权利要求13所述的分光器分度器，其中当所述支持构件在初始位置时，所述 多个分光器中的任何一个的光轴都不与照射源的光轴对齐。
16.根据权利要求13所述的分光器分度器，其中所述支持构件为转轮，其具有中心以 及距离所述中心的径向距离的外围边缘。
17.根据权利要求16所述的分光器分度器，其中所述多个分光器中的每一个被安装在 靠近所述转轮的所述外围边缘处。
18.根据权利要求16所述的分光器分度器，其中所述多个分光器中的每一个被安装为 使得所述分光器的第一开口垂直于所述转轮的所述外围边缘。
19.根据权利要求18所述的分光器分度器，其中所述多个分光器中的每一个包括全部 垂直于所述第一开口的第二开口和第三开口，所述第二开口平行于所述第三开口并与其有 一段距离，其中所述第二开口和所述第三开口与在所述转轮内的相应的开口对齐。
20.根据权利要求19所述的分光器分度器，其中穿过所述第二开口和所述第三开口的 中心的光轴是垂直对齐的。
21.根据权利要求13所述的分光器分度器，进一步包括耦合到所述步进电机和传感器，并且将所述步进电机、支持构件以及传感器维持在固 定对齐中的对齐构件；以及光学元件，耦合到与所述支持构件固定对齐的所述对齐构件。
22.根据权利要求21所述的分光器，其中所述步进电机被配置以在多个固定的位置之 间移动，并且其中所述多个分光器中的每一个被相对于所述多个固定位置中的相应的一个 安置从而使得，当所述步进电机在所述多个固定位置中的一个时，所述多个分光器中的一 个分光器与所述光学元件光学地对齐。
23.—种基因组测序仪中的运动控制系统，包括惯性基准；物镜；目标平台；第一控制轴，其直接地耦合到所述惯性基准和所述物镜，可操作以控制所述物镜沿第 一轴的运动；直接地耦合到所述惯性基准的第二控制轴；以及耦合到所述第二控制轴和所述目标平台的第三控制轴，所述第二控制轴可操作以控制所述目标平台沿垂直于所述第一轴的第二轴的运动，并 且所述第三控制轴可操作以控制所述目标平台沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三 轴的运动。
24.根据权利要求23所述的运动控制系统，其中所述惯性基准是垂直朝向的。
25.根据权利要求23所述的运动控制系统，进一步包括结构支持，其耦合到所述第二控制轴和所述第三运动控制，并且被配置为使得所述目 标平台接近于所述物镜。
26.根据权利要求23所述的运动控制系统，其中所述第一轴为垂直轴，而所述第二轴 和第三轴为水平轴。
全文摘要
一种荧光显微测序仪，其包括流体输送子系统，其中试剂通过一系列多端口阀被泵入混合器或者一个或多个流通池，或者直接地泵入流通池。所述一个或多个多端口阀可以被安装在具有安装于相对一侧的注射管的流体多支管上。安装于可移动支架上，所述多支管可以被带入和带出与包括多种试剂的储存模块的流体连通。在另一种实施方式中，所述测序仪包括分光器分度器，其有助于通过步进电机的使用而对滤镜立方体进行的快速和可靠的切换。而在另一种实施方式中，装设有运动控制系统，其中惯性基准被插入第一和第二控制轴之间并与之直接地耦合，从而最小化任何低结构谐振频率并且允许高性能(高频率响应)运动控制。
文档编号F04B19/04GK101970876SQ200980102524
公开日2011年2月9日 申请日期2009年5月1日 优先权日2008年5月6日
发明者K·麦卡西 申请人:科尔摩根公司