一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪与流程

1.本发明涉及基因测序领域，特别是涉及一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪。


背景技术：

2.显微成像技术在样本检测中具有广泛应用，例如基因测序仪在测序过程中需要对碱基进行荧光成像，之后根据成像的结果得到dna中碱基的序列。
3.相关技术中，基因测序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，但无论是四通道成像系统还是双通道成像系统，在基因检测的时候，碱基荧光信号之间会产生串扰，导致拍摄效率低、准确率低，且均需要设置多个套筒透镜来分别成像，增加了系统的成本。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪，拍摄效率及准确率高，系统成本低。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种高光谱测序方法，包括：向待测样品发出激光，以使所述待测样品中的碱基在所述激光的激发下产生荧光；采集所述碱基激发后产生的荧光，并对所述荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像；确定所述荧光光谱中的目标荧光光谱，并在所述荧光图像中识别所述目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光；根据所述目标衍射光得到所述目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，并根据所述波长确定所述目标碱基的碱基类别。
6.在一些实施例中，所述待测样品设置有依次排列的多行dna簇阵列，包括第一dna簇阵列和第二dna簇阵列，所述碱基包括第一dna簇阵列中的碱基和所述第二dna簇阵列中的碱基；所述采集所述碱基激发后产生的荧光，并对所述荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像，包括：依次采集所述第一dna簇阵列中的碱基和所述第二dna簇阵列中的碱基激发后产生的荧光；对所述第一dna簇阵列中的碱基产生的所述荧光进行衍射和成像，得到衍射后的荧光图像，所述荧光图像包含所述第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱；依次对所述第二dna簇阵列中的碱基产生的所述荧光进行衍射和成像，得到衍射后的荧光图像，另一所述荧光图像包含所述第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
7.在一些实施例中，所述dna簇阵列中包括目标dna簇，所述目标dna簇中包括多个所述碱基，包括位于所述目标dna簇上依次排列的第一目标碱基和第二目标碱基，所述方法还包括：对所述第一目标碱基进行一轮碱基类别检测之前，通过荧光染料对所述第一目标碱基进行染色得到对应的第一荧光基团，并合成到所述目标dna簇中；在完成所述第一目标碱基的碱基类别检测之后，对所述第二目标碱基进行另一轮碱基类别检测，并在检测所述第二目标碱基的碱基类别之前，切除所述第一荧光基团，通过荧光染料对所述第二目标碱基进行染色得到对应的第二荧光基团，并合成到所述目标dna簇中。
8.在一些实施例中，在确定所述第二目标碱基对应的所述目标荧光光谱时，确定所述荧光光谱中的目标荧光光谱，包括：获取所述第二目标碱基对应的荧光光谱的合成光谱特征信息以及组成所述荧光光谱的子光谱形态特征信息；根据所述合成光谱特征信息和所述子光谱形态特征信息对所述荧光光谱进行线性光谱解混，解析得到多个子光谱，其中，所述子光谱包括第一子光谱和多个第二子光谱，所述第一子光谱的亮度高于所述第二子光谱的亮度；确定所述第一子光谱为所述目标荧光光谱。
9.在一些实施例中，所述目标衍射光为所述目标荧光光谱中起分光作用的1级光；所述根据所述目标衍射光得到所述目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，包括：在所述荧光图像中识别目标荧光光谱中的0级光；计算所述目标荧光光谱的所述0级光和所述1级光之间的相对距离；根据所述相对距离得到对应的目标碱基的波长。
10.第二方面，本发明实施例还提供了一种高光谱测序系统，包括：光源模块，用于发出激光；光路模块，所述光路模块包括二向色镜、物镜和分光器；其中，所述二向色镜设置在所述光源模块发出所述激光的光路上，所述二向色镜用于接收所述激光并反射所述激光；所述物镜设置在所述二向色镜反射所述激光的光路上，所述物镜用于汇聚所述激光并在所述待测样品上形成照明光斑，以使所述待测样品中的碱基在所述激光的激发下产生荧光，所述物镜还用于接收所述碱基激发后产生的荧光并透射给所述二向色镜，所述二向色镜还用于透射所述荧光；所述分光器设置在所述二向透射所述荧光的光路上，所述分光器用于对所述荧光进行衍射；成像模块，所述成像模块设置在所述分光器衍射所述荧光的光路上，所述成像模块用于接收衍射后的所述荧光并得到包含对应的荧光光谱的荧光图像；处理模块，用于确定所述荧光光谱中的目标荧光光谱，并在所述荧光图像中识别所述目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光；用于根据所述目标衍射光得到所述目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，并根据所述波长确定所述目标碱基的碱基类别。
11.在一些实施例中，所述待测样品设置有依次排列的多行dna簇阵列，包括第一dna簇阵列和第二dna簇阵列，所述碱基包括第一dna簇阵列中的碱基和所述第二dna簇阵列中的碱基；所述成像模块，还用于依次对所述第一dna簇阵列中的碱基和所述第二dna簇阵列中的碱基激发出的荧光成像，包括：对所述第一dna簇阵列中的碱基产生的所述荧光进行成像，得到衍射后的荧光图像，所述荧光图像包含所述第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱；依次对所述第二dna簇阵列中的碱基产生的所述荧光进行成像，得到衍射后的另一荧光图像，另一所述荧光图像包含所述第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
12.在一些实施例中，还包括位移台，所述位移台设置在所述物镜汇聚所述激光的光路上，所述位移台用于放置所述待测样品；所述位移台还用于移动所述待测样品，以使得所述成像模块依次对所述第一dna簇阵列中的碱基和所述第二dna簇阵列中的碱基激发出的荧光成像。
13.在一些实施例中，所述目标衍射光为所述目标荧光光谱中起分光作用的1级光；所述处理模块，还用于在所述荧光图像中识别目标荧光光谱中的0级光；还用于计算所述目标荧光光谱的所述0级光和所述1级光之间的相对距离；还用于根据所述相对距离得到对应的目标碱基的波长。
14.在一些实施例中，还包括光束整形模块，所述光束整形模块设置在所述光源模块发出所述激光的光路上，所述光束整形模块用于将所述激光在一维方向上整形成照明光
斑。
15.在一些实施例中，所述光路模块还包括滤光片，所述滤光片设置在所述二向色镜透射所述荧光的光路上，所述滤光片用于透射所述荧光并滤除混杂在所述荧光中的残留的激发光。
16.在一些实施例中，所述光路模块还包括筒镜，所述筒镜设置在所述分光器衍射所述荧光的光路上，所述筒镜用于汇聚衍射后的所述荧光到所述成像模块中成像。
17.第三方面，本发明实施例还提供了一种基因测序仪，包括如本发明第二方面实施例中任意一项所述的高光谱测序系统。
18.本发明实施例至少包括以下有益效果：本发明实施例提供了一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪，其中，通过高光谱测序方法实现基因测序的过程中，本发明实施例可以向待测样品发出激光，以使待测样品中的碱基在激光的激发下产生荧光，随后采集碱基激发后产生的荧光，并对荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像，确定荧光光谱中的目标碱基对应的目标荧光光谱，并在荧光图像中识别目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光，根据目标言射光可以判断目标碱基的类别，随后根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，不同的碱基具有不同的波长，因此并根据波长可以确定目标碱基的碱基类别，实现基因测序，本发明实施例拍摄效率及准确率高，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。
附图说明
19.图1a是相关技术中四通道测序系统的成像光路示意图；
20.图1b是相关技术中双通道测序系统的成像光路示意图；
21.图2是本发明一个实施例提供的高光谱测序系统的成像光路示意图；
22.图3是本发明一个实施例提供的照明光斑照明待测样品示意图；
23.图4是本发明一个实施例提供的荧光图像的示意图；
24.图5是本发明一个实施例提供的高光谱测序方法的流程示意图；
25.图6是本发明另一个实施例提供的高光谱测序方法的流程示意图；
26.图7是本发明另一个实施例提供的高光谱测序方法的流程示意图
27.图8是本发明另一个实施例提供的高光谱测序方法的流程示意图；
28.图9是本发明一个实施例提供的单一染料荧光和混合染料荧光对比图；
29.图10是本发明一个实施例提供的线性光谱解混后的子光谱强度示意；
30.图11是本发明另一个实施例提供的高光谱测序方法的流程示意图。
具体实施方式
31.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。
32.应了解，在本发明实施例的描述中，多个(或多项)的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到“第一”、“第
二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
33.脱氧核糖核酸(deoxyr ibonuc leic ac id，dna)的结构简单，dna分子由两条很长的糖链结构构成骨架，通过碱基对结合在一起，就象梯子一样。整个分子环绕自身中轴形成一个双螺旋。在形成稳定螺旋结构的碱基对中共有4种不同碱基，根据它们英文名称的首字母分别称之为a(adenine腺嘌呤)、t(thymine胸腺嘧啶)、g(guanine鸟嘌呤)、c(cytosine胞嘧啶)。每种碱基分别与另一种碱基的化学性质完全互补，这样a总与t配对，g总与c配对,转录时a与u配对。
34.基因测序仪在测序过程中需要对atcg四种碱基分别进行荧光成像，之后根据成像的结果得到dna中碱基的序列。传统的测序方法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，每一个通道对应一种碱基。另一种普遍方案为双通道成像系统，该方案一次拍摄两种碱基的荧光，分两次完成四种碱基的荧光成像。
35.申请人发现，相关技术的四通道成像系统中，如图1a所示，为了实现四种不同类型的碱基的区分，需要搭配不同的二向色镜进行分光，同时配合不同的滤光片过滤来自其他通道的杂光以及残留的激发光对本通道信号的影响。由于同时检测的碱基荧光种类较多，碱基荧光信号之间不可避免的会产生串扰。为了最大限度的增加本通道的信号量，提高准确率，同时降低其他通道对本通道信号的影响，每个通道的滤光片带宽都需要经过严格的优化。也就是说，需要订制滤光片才能满足使用需求，而这种订制的费用相对较高，增加了系统的成本。其次，四通道成像系统需要四个相同的相机，四个相同的套筒透镜来分别成像，数量较多，拍摄效率低，成本也更高。
36.申请人还发现，相关技术中的双通道成像系统中，如图1b所示，成像通道比四通道的少，系统成本显著下降。但是存在多种缺点，例如，由于采用双通道来采集四色碱基荧光，因此每个通道的滤光片必然是双带通，也就是每个滤光片支持两种碱基的荧光通过，该方案虽然节省了成本，但增加了荧光信号串扰的风险，举例来说，假设通道1是检测a碱基和g碱基的荧光，在检测a碱基时，由于所选的g碱基染料的吸收光谱有一定宽度，理论上是可能被a碱基的激发光同时激发出荧光的(强度不高)，这就导致了g碱基的荧光信号在检测a碱基时进入通道1，对a碱基的识别造成干扰；其次，双通道需要拍摄两次才能采集四个碱基的荧光，导致拍摄时间增加一倍，拍摄效率低，减少了单位时间的测序数据通量；此外，虽然通道数减少了，但是依然需要两份重复的成像器件来完成四色碱基荧光拍摄，增加了系统成本。
37.基于此，本发明实施例中提供了一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪，能够克服现有技术中的问题，本发明实施例摒弃了采用二向色镜和滤光片组合的分光方式，通过光栅分光的方式直接得到碱基荧光的完整光谱，且在单一通道中一次拍摄即可记录四色碱基的荧光，通过线性光谱解混的方式将四色碱基有效区分，拍摄效率及准确率高，系统成本低。
38.本发明实施例中以基因测序芯片为待测样品，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长的荧光。
39.本发明实施例中提供了一种高光谱测序方法、系统和基因测序仪，首先描述本发
明实施例中的高光谱测序系统。
40.在一实施例中，本发明实施例中的高光谱测序系统包括：
41.光源模块，用于发出激光；
42.光路模块，光路模块包括二向色镜、物镜和分光器；
43.其中，二向色镜设置在光源模块发出激光的光路上，二向色镜用于接收激光并反射激光；
44.物镜设置在二向色镜反射激光的光路上，物镜用于汇聚激光并在待测样品上形成照明光斑，以使待测样品中的碱基在激光的激发下产生荧光，物镜还用于接收碱基激发后产生的荧光并透射给二向色镜，二向色镜还用于透射荧光；
45.分光器设置在二向透射荧光的光路上，分光器用于对荧光进行衍射；
46.成像模块，成像模块设置在分光器衍射荧光的光路上，成像模块用于接收衍射后的荧光并得到包含对应的荧光光谱的荧光图像；
47.处理模块，用于确定荧光光谱中的目标荧光光谱，并在荧光图像中识别目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光；用于根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，并根据波长确定目标碱基的碱基类别。
48.需要说明的是，如图2所示，本发明实施例中的高光谱测序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测样品信息的数据立方体，该数据中不仅有待测样品的空间信息，还有光谱信息。本发明实施例中的光源模块、光路模块、成像模块和处理模块均可以设置有多个元件，以执行模块所需要的功能，在一实施例中，光源模块为激光器，成像模块为相机。
49.在图2的光路系统中，激光器111发出激光，激光通过光路来到二向色镜121中，激光经过二向色镜121的反射后到达物镜122，之后通过物镜122后在待测样品131上呈线照明光斑，对待测样品131进行一维扫描成像，待测样品131被激发后，待测样品131上的碱基染料发射的荧光首先经过物镜122后，通过二向色镜121透射到分光器123中，被分光器123进行衍射，衍射的荧光信号汇聚到相机141中进行成像，得到荧光图像，本发明实施例中通过单一通道中一次拍摄即可记录四色碱基的荧光，仅需要设置一个二向色镜121和一个物镜122，并将待测样品131放置在物镜122对应的光路下，从而实现高效拍摄，无需设置其他光学元件。
50.需要说明的是，本发明实施例中的处理模块可对荧光图像进行处理，从而判断出待测样品中各个碱基的碱基类别，具体的，本发明实施例所扫描的待测样品上的碱基有若干个，以图3为例子，本发明实施例可以一次性扫描多个碱基，所成的荧光图像如图4所示，所得的荧光图像中每条光谱分别为不同的碱基衍射后形成的荧光光谱，当本发明实施例需要确定所扫描的碱基中的某一个碱基的类别，即目标碱基的类别时，需要确定荧光图像中对应位置的荧光光谱为目标荧光光谱，可以理解的是，由于本发明实施例中对待测样品的扫描不仅能扫描得到其光谱信息，由于待测样品上碱基的不同位置，还能扫描得到其空间信息，按顺序可以知道目标碱基对应的目标荧光光谱，随后在标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光，可以根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，从而根据波长确定目标碱基的碱基类别，其中，通过分光器对碱基激发的荧光进行衍射，衍射的荧光信号分为两部分，一部分是不分光的0级光信号，一部分是有分光作用的高等级光信号，本发
明实施例中以具有分光作用的高等级光信号为目标衍射光，通过目标衍射光即可在荧光光谱中识别到对应的波长，从而最终识别到目标碱基的碱基类别，因此本发明实施例中的高光谱测序系统拍摄效率及准确率高，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。
51.在一实施例中，如图3所示，本发明实施例中的待测样品131设置有依次排列有多行dna簇阵列，每行dna簇阵列均设置有若干个dna簇，如图3所示的每行dna簇阵列中均设置有多个dna簇，每个dna簇为如图3所示中的圆形图案，每个dna簇可以包含多个dna，每条dna包含多个碱基，其中，多个dna簇阵列可以分为第一dna簇阵列和第二dna簇阵列，第一dna簇阵列为当前进行扫描的某一行dna簇阵列，也可以是待测样品中首行的dna簇阵列，第二dna簇阵列为扫描完第一dna簇阵列后下一行的dna簇阵列，其位置在第一dna簇阵列的下方，碱基包括第一dna簇阵列中的碱基和第二dna簇阵列中的碱基，具体的，第一dna簇阵列中的碱基为第一dna簇阵列中的某一个dna簇中的碱基，第二dna簇阵列中的碱基则为第二dna簇阵列中的某一个dna簇中的碱基，如图3所示，当激光沿着光路到达待测样品131上时，在待测样品131上形成照明光斑1111，可以理解的是，本发明实施例中的照明光斑1111为线照明光斑，光束整形模块对照明光斑1111在一维方向上整形，形成线性的光斑，恰好能照射在待测样品131中的某一dna簇阵列上。
52.可以理解的是，待测样品上的各dna簇阵列之间间隔排列，各dna簇阵列之间的距离仅需满足照明光斑不会照射在相邻的两个dna簇阵列上即可，因此，本发明实施例中可以自由设置碱基组之间的排列间隔，可根据照明光斑的大小进行灵活设置，又或者，本发明实施例中可以根据待测样品的大小，即基因测序芯片的大小设置满足测序要求的一定数量的碱基组，并调节照明光斑的大小，以使得本发明实施例可以提高拍摄效率，提高基因测序的效率。
53.在一实施例中，本发明实施例中的成像模块还用于：对第一dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行成像，得到衍射后的荧光图像，荧光图像包含第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，并依次对第二dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行成像，得到衍射后的另一荧光图像，另一荧光图像包含第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
54.可以理解的是，本发明实施例中通过线照明光斑对待测样品的扫描过程中，所示待测样品为带荧光的dna簇组成的阵列，照明的线光斑每次只激发一行的dna簇阵列，即上述实施例中的某一dna簇阵列，因此每次成像只对这一行的碱基荧光进行采集，得到对应荧光图像，碱基在激光的激发下产生荧光，因此称当前产生荧光的碱基为发光碱基，本发明实施例可以逐行对待测样品中的dna簇阵列进行成像，例如，当扫描到第一dna簇阵列时，对第一dna簇阵列中的碱基激发的荧光成荧光图像，具体的，可以对第一dna簇阵列中的每个dna簇中的碱基成像，该荧光图像包含第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，第一dna簇阵列和荧光图像中的光谱阵列一一对应，通过该荧光图像可以识别第一dna簇阵列中任意一个dna簇的碱基的碱基类别，采集完信号后，待测样品移动至下一行，由此完成下一行的碱基荧光激发，当扫描到第二dna簇阵列时，对第二dna簇阵列中的碱基激发的荧光成荧光图像，具体的，可以对第二dna簇阵列中的每个dna簇中的碱基成像，该荧光图像包含第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，第二dna簇阵列和荧光图像中的光谱阵列一一对应，通过该荧光图像可以识别第二dna簇阵列中任意一个dna簇的碱基的碱基类别，之后再
依次完成后续位置的激发，完成一轮检测。
55.参照图2所示，在一实施例中，本发明实施例中还包括位移台132，位移台132设置在物镜122汇聚激光的光路上，位移台132用于放置待测样品131，位移台132还用于移动待测样品131，以使得成像模块依次对第一dna簇阵列中的碱基和第二dna簇阵列中的碱基激发出的荧光成像。
56.需要说明的是，本发明实施例中的位移台为电动位移台，配合电动位移台可对待测样品进行一维扫描成像，当扫描到第一dna簇阵列时，对第一dna簇阵列中的碱基激发的荧光成像，采集完信号后，待测样品通过电动位移台移动至第二dna簇阵列上，即移动第二dna簇阵列到照明光斑下，由此完成另一行dna簇阵列的碱基荧光激发，之后再依次移动位移台完成后续位置的激发，完成一轮检测。
57.在一实施例中，本发明实施例中的目标衍射光为目标荧光光谱中起分光作用的1级光，处理模块还用于在荧光图像中识别目标荧光光谱中的0级光，还用于计算目标荧光光谱的0级光和1级光之间的相对距离，还用于根据相对距离得到对应的目标碱基的波长。
58.需要说明的是，碱基激发的荧光达到分光器后，被分光器衍射，衍射的荧光信号分为两部分，一部分是不分光的0级光信号，一部分是有分光作用的1级光信号，本发明选定1级光作为目标衍射光，在荧光图像中，一行dna簇阵列的碱基所发出的荧光图像如图4所示，每个dna簇碱基的荧光信号分别对应图3中的每一行成像，而每一行的荧光图像又能明显分为两部分，如图4中，左侧的圆斑为荧光信号经过衍射的0级光，该亮斑没有分光作用，起分光作用的是每一行右侧的条带部分，该部分是这一行对应的某个碱基荧光信号经过衍射的1级光，也是该碱基荧光的光谱，从条带和0级的横向相对距离可以计算出该条带中每个像素对应的波长，由此得知该行荧光信号对应的碱基染料类别，从而完成碱基的识别以及最终的基因测序。
59.可以理解的是，在满足本发明实施例要求的前提下，还可以选定2级光或-1级光等其他高级别的光作为目标衍射光，在此不做具体限制。
60.在一实施例中，如图2所示，本发明式实施例中还包括光束整形模块124，光束整形模块124设置在光源模块发出激光的光路上，光束整形模块124用于将激光在一维方向上整形成照明光斑，激光器111发出激发光后，首先进入光束整形模块124中，该模块的作用是将照明光斑在一维方向上整形。
61.在一实施例中，如图2所示，光路模块还包括滤光片125，滤光片125设置在二向色镜121透射荧光的光路上，滤光片125用于透射荧光并滤除混杂在荧光中的残留的激发光。
62.可以理解的是，待测样品被激发后，碱基染料发射的荧光首先经过物镜后，通过二向色镜到达滤光片，滤光片的作用是滤除和碱基染料荧光混杂在一起的残留的激发光，提升荧光信号的信噪比，之后荧光信号达到分光器中，被分光器衍射。
63.在一实施例中，如图2所示，光路模块还包括筒镜126，筒镜126设置在分光器123衍射荧光的光路上，筒镜126用于汇聚衍射后的荧光到成像模块中成像，即汇聚到相机141中成像。
64.在一实施例中，分光器为光栅或棱镜，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完整光谱，碱基激发产生的荧光信号达到光栅，被光栅衍射，衍射的荧光信号分为两部分，一部分是不分光的0级信号，一部分是有分光作用的1级信号，
可以理解的是，本发明实施例中仅需要设置一个能够产生1级衍射的光栅即可，使得相机可以获取光栅1级衍射后产生的1级光，结合0级光即可实现对碱基类别的检测，本发明实施例可以降低选择光栅的成本，使得系统成本降低。
65.参照图5所示，本发明实施例还提供了一种高光谱测序方法，可以应用于上述实施例中的高光谱测序系统中，高光谱测序系统在此不再赘述，本发明实施例中的高光谱测序方法包括但不限于以下步骤s101至步骤s104。
66.步骤s101，向待测样品发出激光，以使待测样品中的碱基在激光的激发下产生荧光。
67.步骤s102，采集碱基激发后产生的荧光，并对荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像。
68.步骤s103，确定荧光光谱中的目标荧光光谱，并在荧光图像中识别目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光。
69.步骤s104，根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，并根据波长确定目标碱基的碱基类别。
70.需要说明的是，本发明实施例中的高光谱测序方法可以得到待测样品信息的数据立方体，该数据中不仅有待测样品的空间信息，还有光谱信息。
71.需要说明的是，本发明实施例中先向待测样品发出激光，以使待测样品中的碱基在激光的激发下产生荧光，采集碱基激发后产生的荧光，并对荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像，高光谱测序方法中可对荧光图像进行处理，从而判断出待测样品中各个碱基的碱基类别，具体的，本发明实施例所扫描的待测样品上的碱基有若干个，以图3为例子，本发明实施例可以一次性扫描多个碱基，所成的荧光图像如图4所示，所得的荧光图像中每条光谱分别为不同的碱基衍射后形成的荧光光谱，当本发明实施例需要确定所扫描的碱基中的某一个碱基的类别，即目标碱基的类别时，需要确定荧光图像中对应位置的荧光光谱为目标荧光光谱，可以理解的是，由于本发明实施例中对待测样品的扫描不仅能扫描得到其光谱信息，由于待测样品上碱基的不同位置，还能扫描得到其空间信息，按顺序可以知道目标碱基对应的目标荧光光谱，随后在标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光，可以根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，从而根据波长确定目标碱基的碱基类别，其中，通过分光器对碱基激发的荧光进行衍射，衍射的荧光信号分为两部分，一部分是不分光的0级光信号，一部分是有分光作用的高等级光信号，本发明实施例中以具有分光作用的高等级光信号为目标衍射光，通过目标衍射光即可在荧光光谱中识别到对应的波长，从而最终识别到目标碱基的碱基类别，因此本发明实施例中的高光谱测序方法拍摄效率及准确率高，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。
72.参照图6所示，在一实施例中，待测样品设置有依次排列的第一dna簇阵列和第二dna簇阵列，碱基包括第一dna簇阵列中的碱基和第二dna簇阵列中的碱基；上述步骤s102之中，还可以包括但不限于以下步骤s201至步骤s203。
73.步骤s201，依次采集第一dna簇阵列中的碱基和第二dna簇阵列中的碱基激发后产生的荧光。
74.步骤s202，对第一dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行衍射和成像，得到衍射后的
荧光图像，荧光图像包含第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
75.步骤s203，依次对第二dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行衍射和成像，得到衍射后的荧光图像，另一荧光图像包含第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
76.在一实施例中，如图3所示，本发明实施例中的待测样品131设置有依次排列有多行dna簇阵列，每行dna簇阵列均设置有若干个dna簇，如图3所示的每行dna簇阵列中均设置有多个dna簇，每个dna簇为如图3所示中的圆形图案，每个dna簇可以包含多个dna，每条dna包含多个碱基，其中，多个dna簇阵列可以分为第一dna簇阵列和第二dna簇阵列，第一dna簇阵列为当前进行扫描的某一行dna簇阵列，也可以是待测样品中首行的dna簇阵列，第二dna簇阵列为扫描完第一dna簇阵列后下一行的dna簇阵列，其位置在第一dna簇阵列的下方，碱基包括第一dna簇阵列中的碱基和第二dna簇阵列中的碱基，具体的，第一dna簇阵列中的碱基为第一dna簇阵列中的某一个dna簇中的碱基，第二dna簇阵列中的碱基则为第二dna簇阵列中的某一个dna簇中的碱基，如图3所示，当激光沿着光路到达待测样品131上时，在待测样品131上形成照明光斑1111，可以理解的是，本发明实施例中的照明光斑1111为线照明光斑，光束整形模块对照明光斑1111在一维方向上整形，形成线性的光斑，恰好能照射在待测样品131中的某一dna簇阵列上。
77.可以理解的是，待测样品上的各dna簇阵列之间间隔排列，各dna簇阵列之间的距离仅需满足照明光斑不会照射在相邻的两个dna簇阵列上即可，因此，本发明实施例中可以自由设置碱基组之间的排列间隔，可根据照明光斑的大小进行灵活设置，又或者，本发明实施例中可以根据待测样品的大小，即基因测序芯片的大小设置满足测序要求的一定数量的碱基组，并调节照明光斑的大小，以使得本发明实施例可以提高拍摄效率，提高基因测序的效率。
78.在一实施例中，本发明实施例中对第一dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行衍射和成像，得到衍射后的荧光图像，荧光图像包含第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，并依次对第二dna簇阵列中的碱基产生的荧光进行衍射和成像，得到衍射后的另一荧光图像，另一荧光图像包含第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱。
79.可以理解的是，本发明实施例中通过线照明光斑对待测样品的扫描过程中，所示待测样品为带荧光的dna簇组成的阵列，照明的线光斑每次只激发一行的dna簇阵列，即上述实施例中的某一dna簇阵列，因此每次成像只对这一行的碱基荧光进行采集，得到对应荧光图像，碱基在激光的激发下产生荧光，因此称当前产生荧光的碱基为发光碱基，本发明实施例可以逐行对待测样品中的dna簇阵列进行成像，例如，当扫描到第一dna簇阵列时，对第一dna簇阵列中的碱基激发的荧光成荧光图像，具体的，可以对第一dna簇阵列中的每个dna簇中的碱基成像，该荧光图像包含第一dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，第一dna簇阵列和荧光图像中的光谱阵列一一对应，通过该荧光图像可以识别第一dna簇阵列中任意一个dna簇的碱基的碱基类别，采集完信号后，待测样品移动至下一行，由此完成下一行的碱基荧光激发，当扫描到第二dna簇阵列时，对第二dna簇阵列中的碱基激发的荧光成荧光图像，具体的，可以对第二dna簇阵列中的每个dna簇中的碱基成像，该荧光图像包含第二dna簇阵列中的发光碱基对应的荧光光谱，第二dna簇阵列和荧光图像中的光谱阵列一一对应，通过该荧光图像可以识别第二dna簇阵列中任意一个dna簇的碱基的碱基类别，之后再依次完成后续位置的激发，完成一轮检测。
80.参照图7所示，在一实施例中，dna簇阵列中包括目标dna簇，目标dna簇中包括多个碱基，包括位于目标dna簇上依次排列的第一目标碱基和第二目标碱基，本发明实施例中的高光谱测序方法还可以包括但不限于以下步骤s301至步骤s302。
81.步骤s301，对第一目标碱基进行一轮碱基类别检测之前，通过荧光染料对第一目标碱基进行染色得到对应的第一荧光基团，并合成到目标dna簇中。
82.步骤s302，在完成第一目标碱基的碱基类别检测之后，对第二目标碱基进行另一轮碱基类别检测，并在检测第二目标碱基的碱基类别之前，切除第一荧光基团，通过荧光染料对第二目标碱基进行染色得到对应的第二荧光基团，并合成到目标dna簇中。
83.需要说明的是，本发明实施例中通过高光谱测序方法进行测序，测序流程是边合成边测序的过程，目标dna簇为任意一行dna簇阵列中的任意个dna簇，即为待测样品中的任意一个dna簇，可以理解的是，每个dna簇中均包含有多个碱基形成的dna链条，通过本发明实施例中的高光谱测序方法可以对dna簇中的dna链条进行测序，而每个dna簇中均可以包含第一目标碱基和第二目标碱基，第一目标碱基为当前进行扫描的目标dna簇中的某一个碱基，也可以是目标dna簇中首个碱基，第二目标碱基为该目标dna簇中碱基链条上第一目标碱基后的下一个碱基。
84.需要说明的是，本发明实施例中一个dna簇中有很多的碱基(按顺序排列)，为了检测其排序，需要通过一个又一个的循环来一步步检测，通过上述实施例的步骤s201至步骤s203，依次对dna簇中的第一目标碱基成像，检测其碱基类别，待完成每一行dna簇阵列的扫描后，完成对待测样品中所有的第一目标碱基的碱基类别检测，完成一轮检测，随后进行下一轮检测，检测每个dna簇中下一个第二目标碱基的碱基类别。
85.在对第一目标碱基进行碱基类别检测之前，通过荧光染料对第一目标碱基进行染色得到对应的第一荧光基团，并合成到目标dna簇中，在检测第二目标碱基的碱基类别之前，切除第一荧光基团，避免后续测到两种荧光基团的光谱，通过荧光染料对第二目标碱基进行染色得到对应的第二荧光基团，并合成到目标dna簇中，可以理解的是，每一轮测序开始前，先通过生化反应将带荧光的碱基合成到dna链上，接着进行拍摄，拍完照成像后将合成的碱基的荧光基团切除，之后再合成下一轮带荧光的碱基，然后执行拍摄流程，完成第二轮测序。
86.参照图8所示，在一实施例中，在确定第二目标碱基对应的目标荧光光谱时，上述步骤s103之中，还可以包括但不限于以下步骤s401至步骤s403。
87.步骤s401，获取第二目标碱基对应的荧光光谱的合成光谱特征信息以及组成荧光光谱的子光谱形态特征信息。
88.步骤s402，根据合成光谱特征信息和子光谱形态特征信息对荧光光谱进行线性光谱解混，解析得到多个子光谱，其中，子光谱包括第一子光谱和多个第二子光谱，第一子光谱的亮度高于第二子光谱的亮度。
89.步骤s403，确定第一子光谱为目标荧光光谱。
90.需要说明的是，dna簇里不止有一条dna链，如果每个dna链都保持相同的反应轮数，则该dna簇发出的荧光信号较为纯粹，为单种染料的荧光信号。但是实际情况比上述复杂，每个dna簇发同一种荧光的情况在测序初始几轮反应的时候可能发生，随着测序的进行，由于切除不完全或者上一轮带荧光的碱基没有合成上等原因，使一个dna簇之中不同
dna链的实际反应轮数产生了区别，由此导致了一个dna簇在一轮反应后发出的荧光是多种碱基荧光的叠加，例如，当检测第二目标碱基的碱基类别时，其荧光图像中的荧光光谱可能是上一轮第一目标碱基的荧光叠加之后产生的。如图9所示，假设某一dna簇在本轮为a碱基，其荧光信号为图9上方的光谱图形，即原光谱，由于生化反应不充分的原因，导致了一些dna链的合成产生了滞后，该dna簇的荧光信号为图9下方的光谱图形，即合成光谱，是a碱基荧光和其他碱基荧光以不同比例混合的结果，在测序报告中，非正常反应的dna链占正常反应的dna链的百分比也是一个重要的参数，因此，本发明实施例需要用到线性光谱解混的算法将混合荧光光谱中不同染料的比例给解析出来。
91.在光学系统中，不同光谱信号是线性叠加在一起的，只要知道最终的合成光谱，即第二目标碱基的荧光光谱的合成光谱特征信息，以及组合成该光谱的子光谱形态，即子光谱形态特征信息，子光谱可以为前几个轮次检测中的碱基的光谱，就能通过线性光谱解混算法将其比例计算出来，子光谱形态特征信息包括组成合成光谱的子光谱向量、子光谱的百分比和噪声光谱向量等。
92.线性光谱叠加满足以下条件：
[0093][0094]
其中x为实际测量得到的合成光谱中的合成光谱向量，sk为组成合成光谱的子光谱向量，ak为子光谱的百分比，称为丰度，所有的子光谱向量构成矩阵s，a为丰度向量，w为噪声光谱向量。
[0095]
丰度向量估计值的计算公式为：
[0096][0097]
通过线性光谱解混算法，可将图9下方那条混合光谱分解为如图10所示的独立的四根光谱，即为子光谱，在图10中，最上方的是和图9下方一致的四色碱基混合光谱，分解后的四色光谱如2至5行的光谱图所示。从图10中可知，长波段的光谱所占比例较低，亮度很暗，但是在混合光谱中，由于短波段染料的拖尾和长波段染料峰值的叠加，导致混合光谱在长波段也有可观的亮度，如不使用线性光谱解混算法，仅计算不同染料峰值亮度之比来确定不同碱基的比例，在某种染料强度较弱(某种碱基比例较低)的情况下会造成计算比例严重的失真，影响报告的准确性。
[0098]
在传统的滤光片系统中，短波长光谱的拖尾信号会进入长波长的通道中，造成信号的串扰，由于滤光片系统仅是对亮度进行检测，因此无法区分该信号来自于本通道峰值或是临近通道的拖尾，如果信号串扰再叠加上生化反应滞后造成的多染料光谱混合，就需要更加复杂的算法对该信号进行鉴别和分析，所需计算资源较大，算法难道较高。
[0099]
因此，本发明实施例中通过线性光谱解混对第二目标碱基对应的荧光光谱进行处理，可以得到多个子光谱，如图10所示中，第二行的子光谱亮度高于其他行的光谱，即第二行的子光谱强度高于其他行的光谱，因此，第二行的子光谱为第一子光谱，其他3至5行的光谱为第二子光谱，其中，第二行的第一子光谱即为该通道对应的目标碱基的光谱，即为第二目标碱基的光谱。
[0100]
可以理解的是，上述实施例中高光谱测序系统中的处理可以执行上述实施例中的
步骤s301至步骤s302，或者可以执行上述实施例中的步骤s401至步骤s403，在此不再赘述。
[0101]
本发明实施例利用高光谱的方法进行基因测序，在极大降低系统成本的同时可对atgc四种碱基荧光信号进行有效识别，并且所应用的高光谱测序系统考虑到了由于生化反应滞后导致的单个dna簇的荧光信号不纯粹，从而引入线性光谱解混来准确计算在一轮反应中不同碱基的比例值，增加了测序的准确度。
[0102]
参照图11所示，在一实施例中，目标衍射光为目标荧光光谱中起分光作用的1级光，上述步骤s104之中，还可以包括但不限于以下步骤s501至步骤s503。
[0103]
步骤s501，在荧光图像中识别目标荧光光谱中的0级光。
[0104]
步骤s502，计算目标荧光光谱的0级光和1级光之间的相对距离。
[0105]
步骤s503，根据相对距离得到对应的目标碱基的波长。
[0106]
需要说明的是，碱基激发的荧光达到分光器后，被分光器衍射，衍射的荧光信号分为两部分，一部分是不分光的0级光信号，一部分是有分光作用的1级光信号，本发明选定1级光作为目标衍射光，在荧光图像中，图3中一行dna簇阵列所发出的荧光图像如图4所示，其中每个dna簇的荧光信号分别对应图4中的每一行成像，而每一行的荧光图像又能明显分为两部分，如图4中，左侧的圆斑为荧光信号经过衍射的0级光，该亮斑没有分光作用，起分光作用的是每一行右侧的条带部分，该部分是这一行对应的某个碱基荧光信号经过衍射的1级光，也是该碱基荧光的光谱，从条带和0级的横向相对距离可以计算出该条带中每个像素对应的波长，由此得知该行荧光信号对应的碱基染料类别，从而完成碱基的识别以及最终的基因测序。
[0107]
可以理解的是，在满足本发明实施例要求的前提下，还可以选定2级光或-1级光等其他高级别的光作为目标衍射光，在此不做具体限制。
[0108]
本发明实施例还提供了一种基因测序仪，基因测序仪包括上述任意一个实施例所描述的高光谱测序系统，可以执行高光谱测序方法，向待测样品发出激光，以使待测样品中的碱基在激光的激发下产生荧光，随后采集碱基激发后产生的荧光，并对荧光进行衍射和成像，得到衍射后包含对应的荧光光谱的荧光图像，确定荧光光谱中的目标碱基对应的目标荧光光谱，并在荧光图像中识别目标荧光光谱中起分光作用的目标衍射光，根据目标言射光可以判断目标碱基的类别，随后根据目标衍射光得到目标荧光光谱对应的目标碱基的波长，不同的碱基具有不同的波长，因此并根据波长可以确定目标碱基的碱基类别，实现基因测序，本发明实施例拍摄效率及准确率高，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。
[0109]
本发明实施例中的基因测序仪还可以包括其他装置或系统，以实现基因测序仪的测序功能，在此不做具体限制。
[0110]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0111]
还应了解，本发明实施例提供的各种实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的共享条件下还可作出种种等同的变形或替换。