一种高通量基因测序碱基荧光图像捕获系统装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物医学设备以及自动控制领域，特别涉及一种高通量基因测序碱基 荧光图像捕获系统装置及方法。
【背景技术】
[0002] 传统测序技术以末端终止法为核心的Sanger测序法，这种方法费时费力，需要 大量的技术人员参与，耗费大量财力。新一代高通量测序方法（也称其为深度测序（deep sequencing)或下一代测序技术（nextgenerationsequencing，NGS)在技术上实现了质 的飞跃，是一个里程碑式的生物技术平台，它可以同时将整个基因组在短时间内测序完成。 开发高通量、全自动化而且价格便宜的测序仪器目前正在全世界展开激烈的科技和商业竞 赛。国际顶尖科技公司都在开发各种高通量并行化的测序技术，以达到降低测序成本，推动 广泛应用的目的。高通量基因测序市场也迅速成为整个生物医学领域新的增长点。
[0003] 目前，针对高通量测序仪中所需的荧光检测方法一直是该设备的关键技术。对于 基于生物芯片的荧光成像技术主要有点扫描共聚焦荧光检测方法和面成像荧光检测方法。 点扫描共聚焦荧光检测方法采用共聚焦光路去除干扰光，激光会聚成点来激发荧光，具有 很高的探测灵敏度；但是，成像需要二维机械扫描，增加了测量的时间和仪器的成本。面 成像荧光检测方法使用面阵相机等装置直接探测整个生物芯片的荧光图像，具有探测时间 短、设计简单、成本较低的优点；但是，由于激发光照射整个被测面，单位面积的激发功率较 小，因此探测灵敏度较低。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高通量基因测序碱基 荧光图像捕获系统装置及方法，能够对基因芯片上高密度的待测DNA片段序列荧光信号进 行高效、稳定的捕获并实现仪器自动化，摆脱了人工现场管理，实现了高通量DNA测序仪的 安全、稳定、高效的自动化操作，在高通量基因测序技术中，获得的原始图像是由含有碱基 位信息的荧光点组成，通过图像处理和数据分析，可以得到所测DNA片段中的碱基位置序 列信息。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种高通量基因测序碱基荧光图像捕获系统装置，待测DNA片段样品放置于基因 测序仪的基因芯片〇〇1中，包括：
[0007] 激光控制单元，控制激光光源输出Y向的平行线型激光束对基因芯片001进行X 向及Y向扫描，激发待测DNA片段样品中核苷酸携带的荧光染料基团发光；
[0008] 图像捕获单元，对荧光染料基团所发的光进行分离得到几种不同波长的光，并利 用TDI相机模块对该几种光成像。
[0009] 所述基因芯片001中注入四种不同类型的荧光染料，所述激光控制单元包括绿激 光器101和红激光器102以及其各自连接的电源，其中绿激光器101的输出光依次经滤光 片五103、光闸一 105和扩束镜一 107后，被半透半反镜四110反射通过柱面镜一 111后到 达振镜112,红激光器102的输出光依次经滤光片六104、光闸二106和扩束镜二108后，由 反射镜五109反射透过半透半反镜四110后通过柱面镜一 111到达振镜112,两束光再一起 被振镜112反射至位于基因芯片001下表面的偏振分光棱镜114上，由偏振分光棱镜114 反射至基因芯片001的下表面。
[0010] 所述偏振分光棱镜114位于导轨113上，步进电机009连接导轨113带动其沿Y 向运动，实现Y向扫描。
[0011] 所述图像捕获单元包括聚焦模块、半透半反镜模块、滤光片模块、反射镜模块以及 TDI相机模块，其中：
[0012] 所述聚焦模块用于收集所述荧光染料基团所发荧光并调节焦距，经收集后的光束 进入半透半反镜模块；
[0013] 所述半透半反镜模块用于控制特定波段的光束被反射，而其他波段的光束则能通 过，反射的光进入滤光片模块；
[0014] 所述滤光片模块用于筛选通过特定波长的光束，其他波长的光束则被阻断，通过 的光束进入反射镜模块；
[0015] 所述反射镜模块用于将光束进行反射使其对准TDI相机模块；
[0016] 所述TDI相机模块用于对接收的光束进行成像，并将生成的图片传送至计算机。
[0017] 所述聚焦模块包括物镜201、柱面镜二202和反射镜二203,所述荧光依次通过物 镜201和柱面镜二202后，被反射镜二203反射；
[0018] 所述半透半反镜模块包括依次设置的半透半反镜一 204、半透半反镜二205、半透 半反镜三206和全反镜207,其中被反射镜二203反射的光束首先通过半透半反镜一 204， 使得部分光束被反射，部分透射进入半透半反镜二205,在半透半反镜二205再次使得部分 光束被反射，而部分透射进入半透半反镜三206,在半透半反镜三206再次使得部分光束被 反射，而部分透射进入全反镜207,最终被全反镜207全部反射；
[0019] 所述滤光片模块包括滤光片一 208、滤光片二209、滤光片三210和滤光片四211， 其中所述滤光片一 208设置于半透半反镜一 204的反射光路上，滤光片二209设置于半透 半反镜二205的反射光路上，滤光片三210设置于半透半反镜三206的反射光路上，滤光片 四211设置于全反镜207的反射光路上；
[0020] 所述反射镜模块包括反射镜一 212、反射镜二213、反射镜三214和反射镜四215 ;
[0021] 所述TDI相机模块包括TDI相机一 216、TDI相机二217、TDI相机三218和TDI相 机四219 ;
[0022] 其中，所述反射镜一 212将透过滤光片一 208的光束反射至TDI相机一 216,反射 镜二213将透过滤光片二209的光束反射至TDI相机二217,反射镜三214将透过滤光片三 210的光束反射至TDI相机三218,反射镜四215将透过滤光片四211的光束反射至TDI相 机四219。
[0023] 本发明还包括控制器008,所述控制器008与振镜112的驱动器一 011连接，由驱 动器带动振镜112调整其角度，从而实现X向扫描，其中控制器008给驱动器一 011提供一 个占空比为K的二角波作为驱动信号。
[0024] 所述基因芯片001设置于生化反应室中，生化反应室中设置有温度传感器005， 温度传感器005与所述控制器008连接，所述控制器008与温控装置006的驱动器二007 连接，实现对生化反应室内温度的控制；所述生化反应室中还设置有试剂组003和试剂栗 002,其中试剂栗002连接电机012,所述控制器008与电机012的驱动器三013连接，控制 相应试剂的试剂栗002工作向基因芯片001完成注入。
[0025] 所述TDI相机模块获取四幅图片，4种荧光素对一个光点颜色和光强贡献度的4元 一次方程如下：
[0026]
[0027] 其中，Ia，，1_分别是四路相机所捕获的特定波长荧光强度值。j表示 四种不同荧光基团在两种不同激发光照射下所产生的参数因子，1 <i，j< 4,上述公式中 A、C、G、T分别是携带有四种不同荧光染料基团的碱基。
[0028] 所述物镜201为f-theta物镜，其产生负畸变A?如下：
[0029] Ax，=f? 2 9-f?tg2 9 =f? (2 9 _tg2 9 )
[0030] 其中，f为振镜112的转轴到f-theta物镜的距离即焦距，0为振镜角度，振镜112 的转轴置于f-theta物镜的前焦面上；
[0031] 所述TDI相机模块中各个TDI相机的行扫描速率fH= (f/d) ?(Vg/H)，其中，f?为 振镜112的转轴到f-theta物镜的距离即焦距，d为象元尺寸，即一行的象元宽度，Vg为景 物即基因芯片中碱基荧光基团所激发的荧光的移动速率，H为摄影距离。
[0032] 本发明还提供了基于所述高通量基因测序碱基荧光图像捕获系统装置进行图像 捕获的方法，将待测DNA片段样品经PCR扩增使每个DNA片段复制成簇并固定在基因芯片 001中，将基因芯片001放置于基因测序仪的生化反应室中，其特征在于，包括如下步骤：
[0033] 步骤1，控制基因测序仪选择不同类型的荧光染料注入基因芯片001中，并调节生 化反应室中反应小室的温度满足生化反应所需的环境温度；
[0034] 步骤2,控制激光控制单元产生特定波长的Y向的平行线型激光束激发待测DNA片 段样品中核苷酸携带的荧光染料基团发光，控制振镜扫描装置使线型激光束以速度可控的 方式对基因芯片001进彳丁线扫描；
[0035] 步骤3,在图像捕获单元中捕获荧光图像信号。
[0036] 与现有技术相比，本发明与传统的共聚焦点扫描荧光检测方法相比，综合了面成 像检测法低成本、设计简单和共焦点扫描法灵敏度高的优点，把点激发变成线激发，从而把 二维扫描变成了一维扫描，提高了成像的速度，从而更