一种台阶式生物芯片以及用于检测该生物芯片的基因测序装置的制作方法

本发明涉及一种台阶式生物芯片以及用于检测该生物芯片的基因测序装置，属于光学测量技术领域。

背景技术：

基因测序是一种新型的医疗检测技术，意义非常重大，因此国内外热度居高不下。如何实现低成本高速率的基因测序一直都是众多公司的研究方向。

目前实现产业化的基因测序装置都是采用搭载高na的20x显微物镜(为了实现高分辨率，通常分辨率在亚微米级)，实现荧光信号收集；且采用同轴照明，同时通过配合高精度抑制激光进入相机的滤光片(截止深度大于6)来提高基因测序装置的信噪比，从而实现荧光信号的成像分析。因此现有基因测序设备成本非常高，对各个器件的要求也极为苛刻。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种台阶式生物芯片，该台阶式的生物芯片，台阶式生物芯片能够使基因测序装置通过在同一视场范围内拍摄多幅图像来获取信息，一幅图像代表一个台阶深度，假设该芯片有n个台阶，那么同一视场内可拍摄n幅图像(通过移动z轴)，通过记录拍摄的次数，能够精准的知道这些图像的位置。若该装置使用的物镜的分辨率是δ，通过使用台阶式生物芯片，能够使物镜的分辨率提高到δ/n。

本发明还要解决的技术问题是提供一种用于检测上述台阶式生物芯片的基因测序装置，该基因测序装置无需使用高分辨率的显微物镜，只要使用标准的显微物镜即可得到高分辨率的成像，且装置中无需使用滤光片，从而使基因测序设备的成本大大降低。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种台阶式生物芯片，包括基底以及位于基底顶端携带有生物信息的荧光小球，相邻荧光小球中心点距基底底边a的高度为等数值递增或递减。

其中，相邻荧光小球呈阶梯状排布，多个呈阶梯状排布的荧光小球为一组，生物芯片上依次排布有多组呈阶梯状排布的荧光小球。

一种用于检测上述台阶式生物芯片的基因测序装置，包括芯片放置平台以及放置在平台上的台阶式生物芯片，还包括位于芯片放置平台上方的显微物镜以及以一定入射角度照射在台阶式生物芯片上的照明光源；其中，所述台阶式生物芯片包括基底以及位于基底顶端携带有生物信息的荧光小球，相邻荧光小球中心点距基底底边a的高度为等数值递增或递减。

其中，每组呈阶梯状排布的荧光小球中，相邻荧光小球的高度差大于显微物镜的2倍焦深。

其中，所述照明光源发出的入射光与生物芯片的夹角大于0°小于90°，具体为照明光源的入射角度大于arctan(d/2l)；其中，d为显微物镜的直径，l为物镜到生物芯片的垂直距离。

相邻荧光小球的水平间隔为亚微米级，台阶的深度(相邻荧光小球中心点的垂直高度差)大于物镜的2倍焦深，防止不同台阶深度的荧光像相互影响，保证一次拍照只针对一个深度的荧光信号，通过台阶信息确认相关信号(即快递定位到对应发光的荧光小球)，实现低na物镜高分辨率成像。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：

本发明基因测序装置采用的是低倍率标准显微物镜，视场范围远远大于传统的20x物镜，从而提高了装置的扫描速度；本发明基因测序装置采用斜入射照明方式，照明光无法进入系统成为背景杂光，从而大大提高系统的信噪比，同时也不再需要截止激光的高精度滤光片；本发明基因测序装置的生物芯片采用台阶结构，从而实现了采用低倍率低数值孔径物镜也能得到高分辨率成像的效果。

附图说明

图1为现有基因测序装置的结构示意图；

图2为本发明基因测序装置的结构示意图；

图3为本发明台阶式生物芯片的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图3所示，本发明台阶式生物芯片，包括基底以及固定在基底顶端携带有生物信息的荧光小球，相邻荧光小球中心点距基底底边a的垂直高度等数值递减，每五个呈阶梯状排布的荧光小球为一组，生物芯片上沿水平向依次排布有三组呈阶梯状排布的荧光小球(三组荧光小球排布在一条水平线上)，每组呈阶梯状排布的荧光小球中，相邻荧光小球中心点垂直高度差大于显微物镜的2倍焦深。

台阶数(每组呈阶梯状排布的荧光小球有几个)和台阶深度(相邻荧光小球的中心高度差)的选取与设备中所使用的显微物镜相关。本发明选取的显微物镜为5x，na为0.15。如果分辨率需要达到0.9um等同于传统方式的20x/0.75物镜的水平，由于5x物镜的分辨率只有4.5um，那么我们需要采用5个台阶，即每组呈阶梯状排布的荧光小球的个数为5个。为了避免两个台阶之间成像相互影响，两个台阶之间的高度差需要保证在2倍焦深约100um。同理本发明基因测序装置的测试速度也将大大提高。5x物镜的物方视场为ф5mm(场数为25mm的标准物镜)，而传统方式的20x物镜，物方视场为ф1.25mm，因此相比于现有基因测序装置，本发明基因测序装置一次成像的面积整整增大了16倍，在芯片移动、自动对焦和拍照的时间均相同时，测试同样面积的芯片，本发明基因测序装置的速度提高了8倍。

如图2所示，本发明用于检测上述台阶式生物芯片的基因测序装置，包括芯片放置平台以及放置在平台上的台阶式生物芯片，还包括位于芯片放置平台上方的显微物镜以及以一定入射角度照射在台阶式生物芯的照明光源；照明光源的入射角度，即入射光与生物芯片的夹角大于0度小于90度，具体来说，当选定了装置中的显微物镜后，照明光源的入射角度大于arctan(d/2l)；其中，d为显微物镜的直径，l为物镜到生物芯片的垂直距离。

本发明基因测序装置采用是斜入射照明，那么未转化成荧光的照明光通过镜面反射，无法进入成像系统成为背景杂光，从而不需要在装置中设置抑制照明光源的滤光片。与传统的同轴照明相比，斜入射照明大大降低了系统的噪音，同时抑制照明光源的滤光片也不在需要，从而大大降低了成本。斜入射的角度与选取的物镜的外径和工作距离相关。假设物镜的直径为d，工作距离(物镜到生物芯片的垂直距离)为l，那么照明光源的斜入射角度(斜入射角度是指入射光与生物芯片呈一定的夹角)需要大于arctan(d/2l)。

传统的方式，工作过程如下：光从照明光源发出，通过分色片的反射进入系统，再通过分光片和物镜，到达生物芯片，照射在生物组织上激发荧光。荧光通过物镜收集，通过分光片、分色片和筒镜、滤光片进入相机。生物芯片的尺寸较大，而物镜的视场范围小，因此需要一个高精度xy移动平台，每一移动一次都需要自动对焦一次，保证生物芯片一直在物镜的焦面上。由于照明光源能量非常高，而荧光能量极其弱，物镜和分光片等反射的光能量需要截止深度很高的滤光片进行抑制。

而本发明装置工作过程如下：光从照明光源斜入射进入生物芯片中，那么通过基底和盖玻璃反射的光属于规则反射，无法进入荧光收集系统，因此滤光片和分色片都可以去掉，大大降低成本。同理激发荧光，通过物镜和筒镜收集进入相机。自动对焦模块也是保证xy移动平台移动时，生物芯片始终处于物镜的焦面上。在同一视场需要采集多幅图像，相邻两幅图像之间需要一个在z方向有一个位移，该位移深度为两个台阶之间的深度差。由于本发明显微物镜视场范围大，因此得到相同视场下生物芯片上的所有信息，本发明装置只需要对生物芯片进行z方向上对应台阶数的成像即可(即每个台阶上成像一次)，而现有技术装置需要将生物芯片在xy方向上移动多次，且每移动一次，需要聚焦一次，才能得到相同视场下生物芯片上的所有信息，从而本发明装置的测试速度远远高于现有装置。