CN104364697B - 具有可移动扫描镜的成像*** - Google Patents
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Abstract
提供了成像***，其中，定位台相对于物镜部件平移，扫描镜在用底物上的生物位点制成二维图像期间被重新定位。在示例性实施方式中，成像***包括可通过伺服***控制的相机、物镜部件、定位台和扫描镜，伺服***使定位台的移动和扫描镜的倾斜同步以在对连续移动的定位台成像过程中使得底物图像保持稳定。
Description
技术领域
本发明总体涉及成像***，尤其涉及用于生物化学应用中的成像***。
背景技术
从生物化学实验的图像获得有用数据需要高的空间分辨率、精度和速度。这种图像通常需要以足够大的放大率来获得以使单个实验被清楚分辨。同时，图像需要覆盖足够大的视野以使得实验被正确识别。对于大型研究，成像和图像处理必需足够快速地进行以便商业上可实行。
步进重复成像器和时间延迟积分(TDI)成像器是能够用于对生物化学实验成像的两大成像***。步进重复***能够获得约每秒10兆像素的图像数据和约5μm的对齐精度。TDI***能够获得约每秒30兆像素的图像数据和约50mm的对齐精度。虽然对于一些应用而言，这两种类型的***可以进行得相当好，但是对于其他应用而言，它们面临对整体吞吐量产生不利影响的一些结构性和功能性缺陷。例如，涉及大型生物化学实验研究(例如，大规模并行全基因组测序)的应用通常需要比步进重复和TDI成像***当前能够提供的整体吞吐量高的整体吞吐量。
所需要的是能够快速捕捉大量详细数据的扫描成像***。
发明内容
根据本发明，提供了成像***，其中定位台相对于物镜部件连续平移，并且扫描镜在图像由平面底物(substrate)上生物位点生成时与定位台同步地重新定位。在示例性实施方式中，成像***包括2D相机、物镜部件、定位台和扫描镜。物镜部件被配置和操作成用相机对底物(或其一部分)进行成像。定位台被配置和操作成在相机拍摄2D图像的同时相对于物镜部件以特定方向移动底物。扫描镜被配置和操作成在定位台以相同的特定方向移动底物时配合定位台进行移动，以将来自物镜部件的光反射到相机。此处所描述的成像***保留机械上需要的连续平台运动的用途，但在图像采集过程中相对于相机的传感器阵列定住底物的图像。
附图说明
图1是根据一个实施方式的代表性扫描成像***的框图。
图2是根据一个实施方式的显微镜视野内的成像区域的示例性细节的框图。
图3是根据一个实施方式的扫描镜线性误差和矫正的图表。
图4是根据一个实施方式的、包括扫描镜角度传感器的示例性成像***的一部分的框图。
图5是根据一个实施方式的用于对底物成像的示例性方法。
图6A和图6B示出了示例性测序***。
图7示出了能够用于测序机和/或计算机***中或者与测序机和/或计算机***结合的计算装置。
具体实施方式
在本公开中，许多具体细节被记载为提供对于本发明更加透彻的理解。然而，本领域的技术人员应明确，本发明可以在不用这些具体细节中的一个或多个的情况下实践。在其他情况下，未对公知特征和本领域技术人员所熟知的程序进行描述，以避免混淆本发明。本公开描述新颖的成像***及其可用于进行多种成像和/或扫描操作(例如，用于观察和/或记录生物化学实验和其他生物化学反应的操作)的特征。
概要
在示例性实施方式中，成像***包括相机、物镜部件、定位台和扫描镜。为简单起见，未示出控制定位台的定位的机械部件和控制扫描镜的扫描的机械部件。然而，应理解，定位台和扫描镜的移动通过适当的伺服控制***来调整。物镜部件被配置和操作成将底物或其一部分成像到相机上。定位台被配置和操作成相对于物镜部件以特定方向移动底物，其中，在一个方面中，特定方向基本垂直于物镜部件的光学轴线。扫描镜被配置和操作成在定位台以具体的特定方向移动底物时与定位台的移动同步地移动(即，倾斜)，以将来自物镜部件的光反射到相机。
在示例性实施方式中，扫描镜被配置和操作成进行角运动，其中，角运动允许相机在底物被定位台移动时获得底物(或其一部分)的静止图像。
在示例性实施方式中，成像***还包括镜筒透镜部件，筒透镜部件定位在扫描镜与相机之间的光路径中，由此扫描镜可以将来自物镜部件的光引导至镜筒透镜部件。
在示例性实施方式中，成像***还可以包括倾斜板，倾斜板定位在在扫描镜与相机之间的光路径中，其中，倾斜板被配置和操作成对通过物镜部件获得的底物(或其一部分)的图像实施偏移校正。在一个方面中，成像***还包括伺服机构，伺服机构操作性地耦接至倾斜板并且操作成使倾斜板倾斜以提供偏移校正。在另一个方面，成像***还包括第二倾斜板，第二倾斜板定位在扫描镜与相机之间的光路径中，其中，第二倾斜板被配置和操作成在底物或其一部分的图像中以垂直于第一偏移校正的方向实施第二偏移校正。
在示例性实施方式中，成像***还包括角度传感器，角度传感器被配置和操作成测量扫描镜的角度。在一个方面，角度传感器包括光学杠杆。在另一个方面，角度传感器包括激光器和线性阵列检测器，其中，线性阵列检测器被配置和操作成检测被扫描镜反射的、来自激光器的光。
在示例性实施方式中，成像***还包括光源和分色镜，其中，分色镜至少被配置和操作成：(a)反射来自光源的光以照亮底物(或其一部分)；和(b)使通过物镜部件获得的光通过。
在示例性实施方式中，成像***还包括伺服机构，伺服机构操作性地耦接至扫描镜并且操作成配合定位台成角度地移动扫描镜，而定位台移动底物，以在通过物镜部件获得图像期间相对于相机保持底物(或其一部分)的图像静止。
在示例性实施方式中，底物包括具有布置在其上的靶核酸的阵列。在另一个实施方式中，底物包括作为成像目标的众多鲜明特征。
在示例性实施方式中，成像***包括全帧相机，例如，互补金属氧化物半导体(“Complementary Metal–Oxide Semiconductor”；CMOS)相机。在一个方面，相机具有10万个像素至1亿个像素范围内的若干相机像素。在另一个方面，相机被配置成以10％至55％的范围内的读出效率操作。在另一个方面，相机被配置成以1,000条线每秒至1,000,000条线每秒的范围内的线路速率操作。
在示例性实施方式中，成像***包括定位台配置和操作成以100μm/s至1,000mm/s的范围内的速度移动底物。
在示例性实施方式中，用于对底物(或其一部分)成像的方法包括以下步骤：定位台将底物移动到物镜部件下方；在底物进行移动期间，将扫描镜的角度改变成使得通过物镜部件获得的底物(或其一部分)的图像相对于相机静止；以及相机在底物进行移动期间记录底物(或其一部分)的图像。在一个方面，改变扫描镜的角度的步骤包括：在定位台将底物移动到物镜部件下方期间，伺服机构移动扫描镜，以在通过物镜部件获得图像期间相对于相机保持底物(或其一部分)的图像静止。在另一个方面，相机记录底物(或其一部分)的图像的步骤包括：相机以10％至55％的范围内的读出效率操作。在另一个方面，相机记录底物(或其一部分)的图像的步骤包括：相机以1,000条线每秒至1,000,000条线每秒的范围内的线路速率操作。在另一个方面，定位台移动底物的步骤包括：以100μm/s至1,000mm/s的范围内的速度移动底物。在另一个方面，相机是能够以全帧模式操作的CMOS相机和非CMOS相机中的一种。在另一个方面，相机具有10万个像素至1亿个像素范围内的若干相机像素。在另一个方面，底物包括具有布置在其上的靶核酸的阵列。在又一个方面，底物包括作为成像目标的众多鲜明特征。
在示例性实施方式中，用于对底物(或其一部分)成像的方法还包括：通过使用角度传感器测量扫描镜的角度，并且在改变扫描镜的角度中使用来自角度传感器的测量结果。在一个方面，角度传感器包括光学杠杆和线性阵列检测器中的一个或多个。
在示例性实施方式中，用于对底物(或其一部分)成像的方法还包括：在物镜部件与相机之间的光路径中倾斜光板以在底物(或其一部分)中进行偏移校正。在一个方面，该方法还包括：测量扫描镜的角度以检测在扫描镜的运动中是否存在任何非线性特征；以及使用偏移校正从底物(或其一部分)的图像移除在扫描镜的运动中检测到的任何非线性特征。
在示例性实施方式中，成像***包括相机、物镜部件、扫描镜和定位台。物镜部件将阵列芯片成像到相机上。扫描镜以角运动移动并且将来自物镜部件的光反射到相机。配合扫描镜，定位台相对于物镜部件移动阵列芯片。在一个方面，阵列芯片具有布置在其上的大分子，并且相机为CMOS相机。
在示例性实施方式中，成像***还包括镜筒透镜部件，其中，扫描镜将来自物镜部件的光引导至镜筒透镜部件。在一个方面，扫描镜的角运动允许相机在阵列芯片通过定位台进行移动期间获得阵列芯片的静止图像。
在示例性实施方式中，成像***还包括位于扫描镜与相机之间的倾斜板，其中，倾斜板提供第一图像偏移校正。在一个方面，成像***还包括位于扫描镜与相机之间的第二倾斜板，其中，第二倾斜板在垂直于第一图像偏移校正的方向上提供第二图像偏移校正。
在示例性实施方式中，成像***还包括角度传感器，角度传感器测量扫描镜的角度。在一个方面，角度传感器包括光学杠杆。在另一个方面，角度传感器包括激光器和线性阵列检测器，其中，线性阵列检测器检测被扫描镜反射的、来自激光器的光。
在示例性实施方式中，成像***还包括照明光源和分色镜。
在示例性实施方式中，用于对具有布置在其上的DNA大分子的阵列芯片成像的方法包括以下步骤：定位台将阵列芯片移动到显微镜目标下方；将扫描镜的角度改变成使得通过显微镜目标获得的阵列芯片的图像相对于相机静止；以及相机在阵列芯片进行移动期间记录阵列芯片的图像。在一个方面，相机为CMOS相机。
在示例性实施方式中，用于对具有布置在其上的DNA大分子的阵列芯片成像的方法还包括以下步骤：通过使用角度传感器测量扫描镜的角度；以及在改变扫描镜的角度中使用来自角度传感器的测量结果。在一个方面，角度传感器包括光学杠杆和线性阵列检测器中的一个。
在示例性实施方式中，用于对具有布置在其上的DNA大分子的阵列芯片成像的方法还包括如下步骤：在显微镜目标与相机之间的光路径中倾斜光板以在阵列芯片的图像中进行偏移校正。在一个方面，该方法包括以下步骤：测量扫描镜的角度以检测扫描镜的运动中是否存在任何非线性特征；以及使用偏移校正以从阵列芯片的图像移除在扫描镜的运动中检测到的任何非线性特征。
应注意，除非上下文中另有明确指示，否则如本文中和随附的权利要求书中所使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”可以包括复数形式。因此，除非上下文中另有指示，否则例如提及的“附接位点(attachment site)”的附图标记可以指多个这种附接位点，并且提及的“用于序列确定(sequence determination)的方法”可以包括可由本领域的技术人员所使用的等效步骤和方法等等。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术和科技术语具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。本文中提及的所有出版物均出于描述和公开出版物中所描述的装置、构想和方法学的目的而通过引用并入本文，并且这些出版物能够与当前描述的发明结合使用。
在提供了值范围的情况下，应理解，处于该范围和任何其他提及的范围的上限于下限之间的每个中间值、所提及的范围中的中间值或子范围均涵盖在本发明内。这种较小范围的上限和下陷可以单独地包括在较小范围中，并且还可以涵盖在本发明内，从属于所提及的范围中的任何具体排除的限值。在所提及的范围包括一个或两个限值的情况下，排除了那些所包括的限值中的任一个或两个的子范围还可以包括在本发明中。
选择的定义
“图像空间”是指被相机中的像素组覆盖的区域，并且“图像空间像素”是指相机像素。
“逻辑”是指指令组，当指令组被一个或多个计算装置的一个或多个处理器(例如，CPU)执行时，其***作成执行一个或多个功能和/或以一个或多个结果的形式或者通过其他逻辑元件和/或通过控制机械装置(例如，伺服等)的操作的元件使用的输入数据的形式返回数据。在多种实施方式和实现方式中，任何给定逻辑可以被实现为一个或多个软件部件、一个或多个硬件部件、或一个或多个软件部件和一个或多个硬件部件的任意组合，其中，一个或多个软件部件能够通过一个或多个处理器(例如，CPU)执行，一个或多个硬件部件例如应用专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。任何特定逻辑的软件部件可以被实现为独立的软件应用、客户端-服务器***中的客户端、客户端-服务器***中的服务器、一个或多个软件模块、一个或多个函数库、和一个或多个静态和/或动态链接库，而不受限制。在执行过程中，任何特定逻辑的指令可以被实现为一个或多个计算机程序、线程、光纤和任何其他合适的运行时实体，其能够被示例化在一个或多个计算装置中的一个的硬件中并且能够分配计算资源，其中，计算资源可以包括但不限于存储器、CPU时间、存储空间和网络带宽。
“对象空间”是指对象(例如，底物)的区域，并由此“对象空间像素”是指对象(例如，底物)上的区域的单位。对象空间像素的尺寸通常通过图像空间像素(即，相机像素)的尺寸和在相机用于取对象空间的图像时所应用的放大倍数来确定。放大倍数是图像空间像素(即，相机像素)的尺寸与对象空间区域的实际尺寸的比率，其中，对象空间区域与如通过相机观察到的图像空间像素相对应。例如，16X的放大倍数允许使用8μm像素的相机来观察500nm的对象空间像素。在不同的实施方式中，对象空间像素的尺寸可以处于100至1000nm的宽度和100至1000nm长度之间；在优选的方面，对象空间像素的尺寸可以是300nm乘300nm，更优选为500nm乘500nm，甚至更优选为620nm乘620nm。在使用阵列芯片的一些实施方式中，对象空间像素的尺寸可以被选择为与阵列芯片上的附接位点的尺寸相同或者略大于其，由此仅单个离散的位点将适合对象空间像素。这确保了在操作中能够通过单个相机像素记录从阵列芯片上的附接位点发出的能量(例如，光)的强度。
“物镜部件”是指成像***中的元件或元件集群，元件或元件集群包括一个或多个透镜并且被配置和操作成放大电磁(例如，光)信号。在一些实施方式中，物镜部件具有大数值孔径(NA)(例如，NA处于0.95与1.5之间的范围内)并且经由空气浸泡或液体浸泡(例如，水、油、或其他浸液)来执行成像。在多种实施方式中，物镜部件可以具有处于从2mm至25mm的范围内的焦距。
参照靶核酸中的“序列确定”(还被称为“测序”)意味着确定与靶核酸中的核苷酸的序列相关的信息。这种信息可以包括靶核酸部分和/或全序列信息的识别或确定。序列信息可以通过改变统计可靠性或置信度的程度来确定。在一个方面，术语“测序(sequencing)”包括确定身份和从靶核酸中的不同的核苷酸开始在靶核酸中排序多个连续核苷酸。
“底物”是指具有作为成像目标的众多鲜明特征的对象。例如，在一些实施方式中，底物包括已附接有靶核酸作为目标特征的表面非平面结构，诸如珠或凹陷(well)。在另一个示例中，在一些实施方式中，底物包括阵列芯片。“阵列芯片”(也称为“阵列”、“微阵列”、或者简称为“芯片”)是指固相支承物，该固相支承物优选但不排他地具有平坦的表面或者基本平坦的表面，该表面承载着已附接有靶核酸(例如，巨大分子)作为目标特征的附接位点。在阵列芯片上，附接位点可以被布置成有序图案或随机形式，并且通常被配置成具有适合于靶核酸的附接的尺寸(例如，长度、宽度、并且可能为深度或高度)。附接位点由此被空间定义，并且不与其他位点重叠；也就是说，附接位点在阵列芯片上彼此空间分离。当附接至附接位点时，靶核酸可以共价地或非共价地键合至阵列芯片。“随机阵列”(或者“随机微阵列”)是指靶核酸的身份(或者寡核苷酸或其多核苷酸的)至少在初期从它们在阵列芯片上的位置不可识别但可以通过阵列上的特定操作(诸如测序、混合解码探针等)确定的阵列芯片。(参见例如，美国专利第6,396,995号、第6,544,732号、第6,401,267号和第7,070,927号；WO公开WO 2006/073504和WO 2005/082098；以及美国公开第2007/0207482号和第2007/0087362号。并且在例如Schena编辑，2000，微阵列：实用方法，IRL出版社，牛津大学(Schena,Ed.2000,Microarrays:A Practical Approach,IRL Press,Oxford)中回顾一些传统的微阵列技术)。底物的目标特征的类型和数量可以在不同的实现方式、操作环境和应用中有所不同。例如，在多种实施方式中，阵列芯片可以具有附接至其上的众多靶核酸，(a)其数量在1百万至1千5百万的范围；(b)对附接位点产生50％至95％或更大范围的靶核酸占用度；和/或(c)在阵列芯片上产生0.5/μm2至10/μm2或更大范围的平均靶核酸密度。另外，在一些实施方式中，底物可以被布置在流体装置中，诸如流滑件、流动池。流滑件通常开放于环境并且横跨底物的液体流动速率主要通过重力来确定。另一方面，流动池通常相对于环境围绕其底物并且提供封闭的液体路径，该封闭的液体路径被压力驱动***(例如，包括多种类型的泵、阀、线路和其他流体连接)使用以使液体流入和流出流动池。一般来说，在不同的实施方式和实现方式中，底物可以用作为成像目标的多种且不同的特征实现在多种且不同的装置中；出于这种理由，描述在本段中的底物和其目标特征的示例应被视为示例性含义、而非约束性含义。
“靶核酸”意味着来自基因、调控元件、基因组DNA、cDNA、RNA(包括mRNA、rRNA、siRNA和miRNA等)及其片段(即，测序、观察和/或其他研究的主体)的核酸。靶核酸可以是来自样本的核酸、或者二次核酸诸如放大和/或复制反应的产物。这种产物的示例为巨大分子。用于对核酸的反应中的“巨大分子”意味着具有可测量的三维结构的核酸，可测量的三维结构包括具有二次结构(例如，扩增子)的线性核酸分子、支链核酸分子和具有交互结构元件的单个序列的多个独立拷贝(例如，互补序列、回文序列或在核酸中导致三维结构元件的其他序列***)。
用于扫描移动目标的成像***
本文中所述的成像***被配置成通过使用快速相机扫描连续移动的目标(例如，底物)，其中快速相机不通过相机移动图像。例如，在一些实施方式中，用于DNA测序的成像***可以用CMOS相机或科学级CMOS(sCMOS)相机配置。不同于CCD-阵列相机，因为全帧相机无法以TDI模式操作，所以该操作性限制的后果在于在获得过程中图像必需不相对于全帧相机的传感器阵列移动。通过提供能够在定位台将底物(例如，阵列芯片)移动到物镜部件下方时使图像依然保持在相机传感器上的扫描镜(和/或另一个光学装置)，本文中所述的成像***至少部分地解决了这种操作性限制。通过这种方式，本文中描述的成像***在实现这些相机的高速、高分辨率和低成本的同时克服了全帧相机(例如，CMOS相机)的操作性限制。
相比于使用如前面记载的、步进重复的成像***的TDI成像***，本文中所述的成像***还实现了能够通过对移动的底物进行扫描而获得的速度、精度和吞吐量优点。当使用TDI成像时，可以在移动的显微镜目标下连续地扫描底物，以使得芯片的图像以与读出图像数据的速度相同的速度横跨TDI相机的传感器阵列进行移动。然而，TDI相机通常是昂贵且不提供高到足以用于需要非常高的吞吐量的一些测序实现方式的分辨率。另一方面，随着定位台将底物移动到图像之间的新位置，对于每个图像，步进重复***需要停止底物的运动。由此，除了由启动和停止带来的较低吞吐量以外，在步进重复***中，定位台的加速和减速还导致底物与相机之间不太精确的对齐，尤其是在快速执行以保持成像吞吐量时。
此处描述的成像***保留机械上期望的连续平台运动的用途，但在图像采集过程中相对于相机的传感器阵列定住底物的图像。在一些实施方式中，这可以通过使用与较重的定位台相比能够更加容易且准确地加速和减速的、轻量且伺服控制的扫描镜来完成。在一些实施方式中，用于检测扫描镜性能的装置和用于在行进中进行小型图像定位校正的装置也可以成为成像***的一部分。由此，根据本文中的技术的成像***能够在保持约50nm的对齐精度的同时获得550百万像素(或以上)的图像数据。通过耦接在具有合适的生物化学反应子***的测序机中，这种成像***允许非常高的测序吞吐量，例如，约每天100人类基因组当量的测序。
在一些实施方式中，成像***为包括物镜部件、一个或多个相机、可移动定位台以及优选但不排他地包括镜筒透镜部件的荧光类***。在这些实施方式中，成像***被配置和操作成取整个底物(例如，阵列芯片)或其一部分的图像，其中，底物被安装或以其他方式放置在定位台上，并且在通过相机获取图像期间处于运动状态。根据本文中所述的技术，这种成像***，允许使用确实很快的相机(例如，CMOS相机)来获得移动的底物的图像。为了便利***操作的这种模式，本文中描述的技术提供布置在物镜部件与相机之间的光路径中的可移动扫描镜。部件的这种布置与传统的成像***形成对比，其中，传统的成像***一般采用沿着光路径完美对齐的物镜透镜和相机并因此不允许可移动部件位于该光路径的中间，因为这种可移动部件产生在传统的成像***中被认为是不期望的影响。
值得注意的是，用于DNA测序的荧光类成像***通常采用非常低的电平，因为荧光图像是暗淡的。因此，这种成像***中的相机和光学器件需要尽可能高效且敏感，以将图像采集时间保持到最小。另外，照明强度必需保持低于可能使正被测序的靶核酸受损的点。这些因素是在设计用于对移动的靶核酸成像的荧光成像***时需要考虑的一些因素。
快速相机
本文中所述的成像***被配置成结合可移动扫描镜使用快速相机，以在被成像底物移动期间实现静止图像的连续曝光。在一些实施方式中，相机像素的尺寸(长度和/或宽度)处于5μm至10μm的范围，优选但不排他地处于6μm至8μm的范围。
在多种实施方式中，本文中所述的成像***被配置成通过使用不通过相机移动图像的快速相机扫描连续移动的底物(例如，阵列芯片)，快速相机例如为非-TDI相机和以全帧2D模式操作的其他相机(包括TDI相机)。CMOS相机是这种相机的示例性类型。CMOS相机通常使用有源像素传感器(APS)，有源像素传感器是由包含像素阵列的集成电路构成的图像传感器，其中，每个像素包括光电检测器和有源放大器。CMOS相机的一种示例是来自加利福尼亚州，米尔皮塔斯，飞兆成像公司(Fairchild Imaging,Milpitas,California)的SciMOS2051型号。SciMOS2051能够用286MHz读出且小于两个电子典型读取噪声以100帧每秒拍摄5.5兆像素的图像。
优选但不排他地，相机的高速用线路速率定义，线路速率是相机的能够在一个单位的时间内通过相机读出的像素排的数量的操作特性。相机的线路速率可以根据以下等式(1)确定：
其中，“Rline(R线路)”是相机的线路速率，“Preadout-frequency(P读出频率)”是相机的像素读出频率(例如，能够在一个单位时间内读出的像素数量)，并且“Npixels-per-line(N像素每线路)”是相机的传感器排中的像素数量。例如，具有286MHz的读出频率和2560个像素每阵列传感器排的相机将具有Rline＝286MHz/2560≈105线路每秒的线路速率。
可选地，高速相机可以在相机能够在单位时间内曝光的像素数量方面受到定义。例如，相机的速度可以通过相机能够拍摄的每秒帧数和视野中的像素数量的数学乘积定义。由此，具有以100帧每秒(fps)运行的5.5兆像素的视野(例如，2560个像素乘2560个像素的视野)的相机将能够曝光550兆像素每秒；由此，这种相机在本文中被称为“550”兆像素相机。这种相机的示例包括CMOS、sCMOS和相似的相机，但不受限制。在多种实施方式中，本文中描述的成像***可以使用10百万像素至2500百万像素范围的相机。
对于移动目标的有效且快速的成像
根据本文中描述的技术，多种实施方式中的成像***被配置成以扫描方式对移动的底物成像。在这种实施方式，底物通常被安装(或以其他方式放置)在定位台上，定位台耦接至能够在相机拍摄底物(或其一部分)的图像时连续地将底物移动到物镜部件下方的一个或多个机构(例如，电机或执行器等)。定位台被配置和操作成沿着垂直于物镜部件的光学轴线的方向移动底物。(应注意，这与自动对焦类机构的操作正交，其中，自动对焦类机构一般沿着物镜的光学轴线移动物体和/或整个物镜。)
根据本文中描述的技术，平台的运动配合扫描镜的反向扫描运动以使得底物(或其一部分)的图像在相机上保持静止(稳定)一段提供足够曝光的时间。换言之，在平台移动期间，安装在其上的底物的静止图像被曝光到相机。曝光期间的图像稳定性通过扫描镜在物镜部件与相机之间的光路径中的运动来提供。由此，扫描镜和定位台以配合的反向扫描操作有效地耦接，以在被成像底物处于连续运动时保持图像静止/稳定。
在成像***的示例性实施方式中，在操作中，在计算机***执行逻辑以从相机读取曝光的一排或多排像素期间，定位台移动安装在其上的底物。同时，相同和/或不同的计算机***执行逻辑以使扫描镜的时序与定位台的时序同步，以使得扫描镜进行反向扫描并且将在相机上保持静止的另一个图像，从而曝光另一组一排或多排相机像素。
在这种操作模式中，定位台的速率能够根据以下等式(2)来计算：
Vstage＝Spixel*Rline*η (2)
其中，“Vstage(V平台)”是平台速率，“Spixel(S像素)”是对象空间像素的尺寸(例如，长度或宽度)，“Rline(R线路)”是相机的线路速率(例如，从相机读出像素排的速率)，并且“η”是从相机的总读出效率(例如，以能够从相机提取读出而不影响其他正在进行的曝光的时间的百分比来表示)。例如，在多种实施方式中，对象空间像素的尺寸(例如，长度和/或宽度)可以处于100nm至1000nm的范围，相机线路速率可以处于103线路每秒(Hz)至106线路每秒(Hz)，从相机的总读出效率可以处于10％至90％或更大的范围。由此，在多种实施方式中，定位台的速率可以处于0.1mm/s至1000mm/s(或更大)的范围。在示例性实施方式中，对象空间像素为620nm，相机线路速率105线路每秒(Hz)，并且来自相机的总读出效率为90％，这提供约55.8mm/s的平台速率。
根据本文中描述的技术，一个或多个计算装置和/或其多种逻辑被配置和操作成控制扫描镜和定位台的配合运动。由此，在一些实施方式中，定位台(以及安装在其上的底物)可以被配置成以恒定速率移动，在这种情况下，扫描镜的反向扫描运动也将处于适当的恒定速率。在其他实施方式中，定位台可以被配置成以非恒定的速率移动，在这种情况下扫描镜的反向扫描运动也是适当的非恒定速率。
在多种实施方式中，多种机构可用于便于定位台以给定的期望速率运动。这种机构可以包括促使运动的一个或多个部件(例如，线性电极、导螺杆、螺杆马达、速度螺杆等)和减小摩擦的一个或多个部件(例如，多种类型的轴承)。
例如，一些实施方式可以提供具有空气轴承以移动定位台机构。空气轴承是在两个表面之间提供非常低摩擦的界面(例如，轴承间隙)的压缩空气的薄膜。因此，在这些实施方式中，定位台的底部表面不与另一个表面直接接触，而是悬浮在空气轴承间隙上方，这使得在轴承的表面之间所施加的空气压力足以支承定位台的负载(虽然空气从轴承间隙不断地脱离)。这种空气轴承在本文中所述的成像***中的使用允许在10nm至20nm的对齐容差内将静止图像锁定到相机上。
在另一个示例中，一些实施方式可以使用具有数微米的重复性的金属轴承(例如，滚珠轴承、圆柱轴承、交叉滚子滚珠轴承等)。重复性根本地为使金属轴承在油中滚动的效果，随着金属轴承滚动，其发生跳动，并且这种跳动向在轴承上进行移动的物体的运动中引入抖动。这种运动的“重复性”能够仅在一定范围以上是均匀的，因为两个金属轴承仅能够在移动容差内以相同方式跳动。因此，使用滚珠轴承的实施方式通常具有较大的对齐容差(例如，容差大于20 nm)，具有较低的定位台速率，和/或可以使用多相机像素每对象空间像素。
如上面的等式(2)所示，总相机读出的效率(“η”)是确定成像***的总吞吐量的一个参数。例如，根据用于照亮被成像底物的机构，可以存在有产生不同的读出效率的至少数个不同的实施方式。在一个实施方式中，η＝90％(或更大)的相机读出效率能够通过使用扫描照明来实现(例如，如与此同一天提交的名为“用于扫描照明的技术(TECHNIQUES FORSCANNED ILLUMINATION)”的美国临时专利申请第61/656,744号中所描述，该美国临时专利申请的整体内容通过引用并入此处以完全阐述在本文中)。在另一个实施方式中，η＝30-55％(或更大)的相机读出效率能够通过使用通过声光调制器(AOM)控制的激光器光源或者能够产生脉冲激光束的其他类型的快速切换器来实现。在另一个实施方式中，η＝10-30％(或更大)的相机读出效率能够通过使用宽带照明和以标准全帧模式操作的相机来实现。
例如，在一些实施方式中，成像***以全帧模式操作相机以捕捉横跨多排相机像素的图像(也称为“二维”图像)。在这些实施方式中，为了改善以全帧模式操作的相机的总相机读出效率，成像***被配置成在同步地读出一个或多个其他(已曝光的)组的像素排中的像素时曝光一组像素排。由此在相机通过曝光一组像素排来收集底物部分的二维图像期间，计算机***执行逻辑以读出已被曝光的、另一组像素排。这种模式的操作还可以通过使用将能够从相机提取的读出的时间的百分比最大化的扫描照明来进一步优化。例如，在相机收集底物的一部分的二维图像期间，计算机***执行逻辑以通过改变照明镜的角度来横跨底物的一部分扫描光线，从而曝光相机中的第一像素排，并且将其他、第二像素排保持黑暗。然后，当完成第一像素排的曝光时，计算机***执行逻辑以读出第一像素排，而与此同时继续横跨底物的一部分扫描光线以曝光第二像素排。
示例性扫描成像***
图1是根据示例性实施方式的扫描荧光成像***100的视图。随着显微镜物镜部件115扫描到底物，图1的成像***100将底物(例如，阵列芯片105)的图像临时地定像(fix)到相机125的传感器上。
在图1中示出的实施方式中，阵列芯片105承载靶核酸，例如，DNA大分子。定位台110相对于物镜部件115移动阵列芯片105。定位台110是高精度、计算机控制的空气轴承台。物镜部件115是现成的物镜。在一些实施方式中，物镜部件可以是定制设计的、多元件光部件。另外，在一些实施方式中，水浸泡可以用于增加物镜部件的数值孔径(NA)。
物镜部件115和镜筒透镜部件120将阵列芯片105的一部分的图像投影到相机125的传感器阵列上。镜筒透镜部件120是包括充当第二放大倍数物镜的一个或多个镜筒透镜的元件或元件集群。相机125是优选但不排他地以全帧模式操作并且采用由低读取噪声、高分辨率和高成像速度特征化的传感器阵列的快速CMOS相机。
图1中示出的实施方式中，扫描镜130通过伺服旋转机构(未示出)倾斜的轻量的镜，伺服旋转机构(未示出)包括底部反馈控制的伺服***(未示出)。枢转地定位在与扫描镜130相同的轴线上的线132和134展示扫描镜130的角运动的范围。随着扫描镜130在极限位置132与134之间来回倾斜，物镜部件115的视野内的区域被成像在相机125的传感器元件上。当扫描镜130的运动配合定位台110的运动时，阵列芯片105上的固定区域在平台移动期间通过相机成像。扫描镜130的旋转(例如，绕垂直于图1的平面的轴线)具有以图中所示的y方向扫描图像的效果。该结果被获得是因为成像***100的放置有扫描镜130的准直部分中的倾斜对应于相机125的焦平面处的横向平移。
通过照明源155(例如，一个或多个激光器或其他照明源)提供用于荧光成像的照明。照明光通过二色分束器150引导至光路径，二色分束器150反射照明波长，但传输荧光发射波长。在在一个时间下询问多于一种类型的荧光标记的成像***中，可以使用多个照明源(例如，各自发出单独的光谱的多个激光器)和二色分束器。在多种实施方式中，照明源可以发出与能够用于测序中的多种荧光兼容的多种波长的光，例如，处于400nm至800nm范围内的波长的光。
在成像***100中，倾斜板140和145用于对相机125的传感器阵列上的图像放置进行小校正。作为示例，由玻璃制成的倾斜板大致具有2.5cm的直径和3.5mm厚度以及仅为几克的重量。该板被安装在伺服旋转机构(未示出)上以在伺服***的反馈控制下进行快速且精确的移动。当光以非垂直入射角通过倾斜板140时，其位置以通过以下等式(3)给出的量Δx偏移，
其中，“t”为板的厚度，“n”为其折射率，并且“θ”为入射角。对于上面给定尺寸的玻璃板(n＝1.5)，5度倾斜产生约100μm的横向图像偏移。倾斜板145也在y方向上保持相似的关系。
基于上面的等式(3)，有关相对于相机125的传感器阵列的图像对齐的信息用于提供驱动倾斜板140和145的反馈信号。这种对齐信息的一个来源是对通过相机获得的图像进行分析的结果。在y方向上的对齐信息另一个来源是通过监测扫描镜130的性能获得的，正如下面描述的那样。在一些实施方式中，这种图像对齐信息被发送到执行逻辑的计算装置，该逻辑控制扫描镜、定位台、一个或多个倾斜板的操作、并且优选地(但不是必需)控制包含在照亮被成像阵列芯片所包含的照明源和/或任何照明镜的操作。
示例性扫描操作
图2是根据示例性实施方式的物镜部件的视野内的成像区域的细节。在图2中，圆205表示图1中的物镜部件115的视野。阴影的矩形230表示当扫描镜130处于中档位置时成像在相机125的传感器阵列上的视野205内的区域。矩形232和234(具有虚线边框)表示当扫描镜分别处于极限位置132和134时成像在相机125的传感器阵列上的视野205内的区域。
在操作中，物镜部件115被聚焦在以y方向稳定移动的阵列芯片105上，并且扫描镜130从位置134旋转到位置132。如果阵列芯片105的速度与成像在相机125上的视野205内的区域的速度相同，则相机上的芯片的图像不移动，从而允许充分曝光到相机的图像传感器上。
图像仅在所成像的对象空间区域从由矩形234指示的位置移动到由矩形232指示的位置的过程中相对于相机125处于静态。当扫描镜130到达极限位置132时，其必须随后“飞回(fly-back)”位置134。飞回时间能够被配置成扫描镜循环的仅一小部分，然而，如果需要，则连续成像的区域可以是连续的、或者甚至是重叠的。为了更好的效果，在每个成像的区域上由扫描镜耗费的时间量与相机的帧率相当，从而允许充分的时间来将每个对象空间区域的图像曝光到相机上，而与此同时允许从相机读出已被成像并脱离视野的其他对象空间区域的图像数据。
为了将成像问题分解为可管理的小块，在一些实施方式中，阵列芯片的附接位点被划分成微米至毫米尺寸的视野。如，在多种方面，典型的视野可以具有320-1600μm乘320-1600μm的范围的尺寸、500-600μm乘500-600μm的范围的尺寸、或者甚至具有1.6mm乘700μm的范围的尺寸)。典型的阵列芯片可以被划分成以多排和多列的矩形图案布置的数百或数千的视野。(例如，视野的排和列可以包括分别基本沿水平维度和竖直维度对齐的轨道区域)。
在具有附接位点的视野的这种实施方式中，本文中描述的技术提供于逐个部分地对阵列芯片进行扫描和成像，其中每个部分为在长度上跨越一个或多个视野和在宽度上跨越一个或多个视野的列。在一个实施方式中，在定位台沿平面中的y方向和/或基本垂直于物镜部件的光学轴线的轴线移动阵列芯片期间，成像***以扫描方式(如本文所述)对阵列芯片成像。在这种示例中，成像***在到达被成像视野的列的端部时停止成像以允许定位台返回阵列芯片并且对其进行定位以用于下一列视野的成像。在另一个示例中，在定位台在基本垂直于物镜部件的光学轴线的平面中以蛇形方式(例如，沿y方向)来回移动阵列芯片期间，成像***以扫描方式(如本文所述)对阵列芯片成像。在本示例中，成像***在定位台以一个方向移动阵列芯片期间对一列视野进行成像，并且随后在定位台以相反的方向移动/返回阵列芯片期间对下一列/相邻列视野进行成像；换言之，成像***通过以连续的蛇形方式有效地来回移动视野的列来对阵列芯片进行成像。
因为布置在被成像底物上的靶核酸的高密度和小尺寸，对于高吞吐量的DNA测序的成像，通常要求高精度图像对齐。然而，在一些实施方式中，能够驱动扫描镜(例如，市售的伺服扫描器)的机构可能本身不够精确。由此，根据本文中所述的技术的成像***可以使用附加的子***以测量扫描镜性能并且校准扫描误差。
线性误差的校正
相对于图2，完美的扫描镜子***将会以随时间线性地移动视野205内的图像区域230—即，如果图像区域在一毫秒内移动一定距离，则其应在两毫秒内移动两倍距离。然而，这种扫描镜的完美运动实际上是难以实现的。
图3根据示例性实施方式的扫描镜线性误差和校正的图表。图3的图表305示出了在不包括飞回时间的一个扫描循环上的来自理想的、线性扫描的偏差。来自扫描镜的线性运动的偏差(Δy)可以以任何方便的距离单位测量；此处，图表305示出了图像传感器像素中的偏差。图表310示出了用于消除由图表305表示的误差所需的校正。如果对于扫描范围的特定部分的误差为+1.15像素，例如，则相对应的校正为–1.15像素。
在一些实施方式中，由图表310表示的校正信号可以被施加作为对于图1中所示的倾斜板145的反馈。例如，计算装置可以执行用于接收线性误差信息、计算必要误差校正项(例如，基于Δy)和驱使伺服机构基于误差校正项旋转倾斜板145的逻辑。因为通过倾斜板145进行的校正很小，所以其自身非线性因素可忽略不计。扫描镜性能的测量能够用如图4中所示的扫描镜角度传感器进行。
扫描镜操作控制
图4是根据一个实施方式的包括扫描镜角度传感器的示例性成像***的视图。在图4中，用相同的附图标记指示与图1中所示的部件相同的成像***的部件。由此，在图4中，阵列芯片105被安装在定位台(未示出)并且承载靶核酸。物镜部件115可以是现成的显微镜物镜或者定制设计的、多元件光部件。扫描镜130是通过伺服旋转机构倾斜的轻量的镜。虚线132和134示出了扫描镜130的角运动的范围。
角度传感器400是包括激光器405和线性阵列检测器410的光学杠杆。传感器400精确且快速递测量扫描镜130的倾斜角。在一个实施方式中，线性阵列检测器410具有大致2,000个元件，其中的约3或4个元件通过在到达检测器前被扫描镜130反射的、来自激光器405的光照亮。随着扫描镜130倾斜，阵列检测器410的不同的元件检测来自激光器405的光。角度传感器400能够以40kHz或更大的速率提供镜角度测量。在一些实施方式中，可以使用一个或多个附加的固定镜的反射，以使得测量光束能够多次撞击扫描镜，从而测量光学杠杆的灵敏度。来自线性阵列检测器410的角度测量被用于提供对y方向倾斜板(未示出)的校正，其中，校正的扫描镜子***的线性是10,000分之一或更佳。例如，在一些实施方式中，线性阵列检测器将角度测量信息提供到在计算装置中执行的逻辑，其中，逻辑使用测量信息以计算用于y方向的必要校正项并且驱使伺服机构基于计算处的校正项旋转倾斜板。
通过使用如本文中所述的扫描镜，成像***能够使用以全帧模式操作的相机(例如，不以TDI模式操作的CMOS相机)以获得移动的底物的静止图像。在采用于DNA测序的一些实施方式中，荧光成像的极限对齐精度要求可能需要使用扫描镜角度传感器和图像偏移校正子***(例如，一个或多个倾斜板)以消除扫描镜运动中的非线性因素。在一些实施方式中，这种成像***可以被延伸成通过包括与二色分束器相关联的、附加的光源提供不同波长下的同步荧光成像以将发出的光发送到附加的相机。在这种实施方式中，每个相机可以具有其自身的扫描镜角度传感器和倾斜板的子***以根据需要提供小的对齐校正。
示例性使用方法
图5示出了根据一个实施方式的用于对底物成像的示例性方法。出于说明的目的，下文中描述了如图5中被描述为通过包括成像***的测序机执行的方法；然而，应理解，该方法的步骤能够通过多种不同类型的装置和成像***执行。由此，图5中的方法并不限于通过任何特定类型的机器或装置执行，并且因此下文中的方法描述应为视为示例性含义、而非约束性含义。
在步骤502中，定位台在垂直于物镜部件的光学轴线的平面中将底物移动到物镜部件下方，其中，底物包括作为成像目标的多个鲜明特征。在一些方面，底物包括具有布置在其上的靶核酸的阵列芯片，并且测序机包括成像***，成像***转而包括定位台和物镜部件以及以工作在全帧模式下的快速相机。例如，相机可以是具有1,000线路每秒至1,000,000线路每秒的范围内的线路速率的CMOS相机，并且定位台可以以100μm/s至1,000mm/s的范围内的速率移动底物。
在底物处于运动期间，在步骤504中，伺服机构将扫描镜的角度改变成通过物镜部件获得的底物(或其一部分)的图像相对于相机保持静止。在一些方面，作为测序机的一部分或耦接至测序机的计算机装置执行用于配合定位台控制控制伺服机构的逻辑。例如，逻辑接收表示定位台的移动的反馈控制信息，并且使用该信息调节伺服机构的输入信号，伺服机构转而改变扫描镜的角度从而使扫描镜的运动与定位台的运动同步。在一些方面，逻辑也从对扫描镜自身的运动中是否存在任何非线性因素进行检测的角度传感器接收反馈角度信息。逻辑随后使用该角度信息计算偏移校正并且将偏移校正作为输入信号输送到控制倾斜板在扫描镜与相机之间的光路径中的角度伺服机构。在这种方式中，通过对倾斜板的角度进行微调，逻辑有效地从正被获得的图像移除因扫描镜中的非线性因素引起的任何误差。
在步骤506中，相机在底物被定位台移动时记录底物(或其一部分)的静止图像。在一些方面，在相机记录其传感器中的一组像素排中的图像期间，从相机读出来自其他此前曝光的像素排的图像数据。例如，作为测序机的一部分或耦接至测序机的计算装置执行读出已被曝光并且目前未获得任何更多光的像素排的逻辑。在这种方式中，图像数据从相机的传感器的一个部分中的提取与传感器的不同部分中的另一个图像的获得同时进行，从而提升了相机读出的效率，并因此提升了成像***的总吞吐量。例如，在一些方面，相机能够以10％至55％之间的范围的读出效率工作。
测序***和计算装置
在一些实施方式中，DNA样本(例如，表示整个人类基因组的样本或者表示外显子组的样本)的测序可以通过测序***执行。图6A和图6B示出了示例性测序***。
图6A和图6B是根据本文中所述的示例性实施方式的、配置成执行DNA测序的示例性测序***600的框图。测序***600能够包括多个子***，例如，一个或多个测序机(如测序机690)、一个或多个计算机***(如计算机***697)和一个或多个数据存储库(如数据存储库695)。在图6A中示出的实施方式中，***600的多种子***能够通信地连接在一个或多个网络693上，网络693可以包括配置成便利远程***之间的信息交换的封包交换或其他类型的网络基础结构装置(例如，路由器、交换机等)。在图6B中示出的实施方式中，测序***600是测序装置，其中各种子***(例如，测序机690、计算机697并且可能地，数据存储库695)是通信且操作性地耦接和集成在测序装置内的部件。
在一些工作环境中，图6A和图6B中示出的实施方式的数据存储库695和/或计算机***697可以被配置在云计算环境内。在云计算环境中，包括数据存储库的存储装置和/或包括计算机***的计算装置可以被分配和实例化成用作公用的和按需的；由此，云计算环境提供为服务有必要执行存储相关和/或计算任务的基础结构(例如，物理和虚拟机、原/块存储、防火墙、负载平衡器、聚合器、网络、存储簇等)、平台(例如，可以包括操作***、编程语言执行环境、数据库服务器、网页服务器和应用服务器等的计算装置和/或解决方案堆)和软件(例如，应用、应用编程界面或API等)。
应注意，在多种实施方式中，本文中所述的技术能够通过多种***和装置执行，其中，多种***和装置包括多种配制和形成因素中的上面的子***和部件(例如，测序机、计算机***和数据存储库)中的一些或所有；由此，图6A和图6B中示出的示例性实施方式和配置应被视为示例性含义、而非约束性含义。
测序机被配置和操作成接收包括源自生物样本的片段的靶核酸的一个或多个底物，并且在靶核酸上进行测序。可以使用能够进行测序的任何合适的机器，其中，这种机器可以使用多种测序技术，多种测序技术包括但不限于通过杂交法测序、通过连接法测序、通过合成法测序、单分子测序和适合于通过使用本文中所述的成像***从DNA生成测序读出结果的任何其他已知或以后开发的技术。在多种实施方式中，测序机能够测序靶核酸并且能够生成测序读出结果，其中，测序读出结果可以或可以不包括间隙并且可以或可以不是匹配成对(例如，配对末端)的读出结果。如图6A和图6B所示，测序机690测序底物692上的靶核酸并且获得测序读出结果694，测序读出结果694传输至数据存储库695以供(临时和/或永久)存储和/或通过一个或多个计算机***697处理。根据本文中所述的技术，测序机690包括成像***691，例如，图1中示出的成像***。
参照图6A和图6B，数据存储库695可以被实现在一个或多个存储装置(例如，硬盘驱动、光盘、固态硬盘驱动等)上，其中，一个或多个存储装置可以被配置为盘阵列(例如，SCSI阵列)、存储簇、或任何其他合适的存储机构。数据存储库的存储装置能够被配置为***600的内部/整体部件或者可附接至***600(例如，图6B中所示)的外部部件(例如，外部硬盘驱动或盘阵列)，和/或可以以例如，网格、一个存储簇、存储区域网络(SAN)和/或网络附接存储(NAS)(例如，图6A中所示)的适当的方式通信地互连。在多种实施方式和实现方式中，数据存储库可以被实现在存储装置上作为将信息存储为文件的一个或多个文件***、将信息存储在数据记录中的一个或多个数据库和/或任何其他合适的数据存储机构。
计算机***697可以包括一个或多个计算装置，其中，一个或多个计算装置包括通用处理器(例如，中央处理单元、或CPU)、存储器和能够随着配置数据和/或操作***(OS)软件执行本文中所述的技术和方法中的一些或所有的计算机逻辑699。例如，在本文中所述的成像(例如，图像位置校正、伺服旋转控制、扫描镜旋转和控制、芯片-定位台的移动和同步、反馈控制、图像数据读出等)中所涉及的任意方法能够通过包括能够配置成执行逻辑699以执行方法的多种步骤的处理器的计算装置完全或部分地执行。另外，虽然方法步骤可以表示为编号的步骤，但是应理解，本文中所述的方法的步骤能够同时执行(例如，通过在同一计算装置上或者在计算装置的簇中并行地执行的逻辑)或以不同的顺序执行。计算机逻辑699的功能可以被实现为单个集成模块(例如，实现在集成逻辑中)或者可以结合成可提供一些附加功能的两个或更多软件模块。
在一些实施方式中，计算机***697可以是单个计算装置。在其他实施方式中，计算机***697可以包括可通信地和/或操作性地互连在网格、簇或云计算环境中的多个计算装置。这种多个计算装置可以以不同的形成因素配置，其中，不同的形成因素诸如计算节点、叶片、或任何其他合适的硬件配置。出于这些理由，图6A和图6B中的计算机***697应被视为示例性含义、而非约束性含义。
图7是示例性计算装置700的框图，其中，作为测序机和/或计算机***的一部分，示例性计算装置700能够配置成执行指令以执行涉及成像的多种方法。
在图7中，计算装置700包括经由一个或多个***总线(如总线775)直接或间接互连的若干部件。这种部件可以包括但不限于键盘778、持久性存储装置779(例如，硬盘、固态盘、光盘等)以及能够耦接有一个或多个显示装置(例如，LCD显示器、平板显示器、等离子屏幕等)的显示适配器782。耦接至I/O控制器771的***设备和输入/输出(I/O)装置能够通过现有技术中已知的任意数量的方法连接至计算装置700，包括但不限于一个或多个串行端口、一个或多个并行端口和一个或多个通用串行总线(USB)。外部接口781(其可以包括网络接口可和/或串行端口)能够用于将计算装置700连接至网络(例如，以太网或局域网(LAN))和/或连接至其他机器和装置。外部接口781还可以包括能够从多种外部装置接收信息的若干个输入接口。经由***总线775的互连允许一个或多个处理器(例如，CPU)773与每个连接的部件通信并且执行(和控制如下的执行)来自***存储器772和/或来自存储装置779的指令，以及多种部件之间的信息交换。***存储器772和/或存储装置779可以被实现为存储通过处理器773执行的指令序列以及其他数据的一个或多个计算机可读非临时性存储介质。这种计算机可读非临时性存储介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电磁介质(例如，硬盘驱动、固态驱动、拇指驱动、软盘等)、光学介质(如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、闪存等等。多种数据值和其他结构化或非结构化信息能够从一个部件或子***输出至另一个部件或子***，能够经由显示适配器782和合适的显示装置呈献给用户，能够经由外部接口781在网络上发送至远程装置或远程数据存储库，或者能够(临时地和/或永久地)存储在存储装置779上。
应理解，通过计算装置700执行的任何方法和功能均能够通过模块或集成方式使用硬件和/或计算机软件以逻辑形式实现。当执行这种逻辑时，其被适配成执行涉及本文中所述的成像(例如，图像位置校正、伺服旋转控制、扫描镜旋转和控制、芯片-定位台的移动和同步、反馈控制、图像数据读出等)的多种方法。
序列确定
本文中所述的成像***可以用于多种生物化学分析。这种分析的一个示例是未知序列的靶核酸的序列确定。在多种实施方式中，多种测序方法学可用于使用本文中描述的成像***确定核酸大分子的序列，其包括但不限于杂交方法(例如，美国专利第6,864,052号、第6,309,824号和第6,401,267号中所公开)、通过合成法的测序方法(例如，美国专利第6,210,891号、第6,828,100号、第6,833,246号、第6,911,345号的中所公开、Margulies等人(2005)的自然(Nature)437:376-380、以及Ronaghi等人的分析.生物化学.(Anal.Biochem.)242:84-89)、以及基于连接的方法(例如，美国专利第6,306,597号中所公开、以及Shendure等人(2005)的科学(Science)309:1728-1739)，其中，参照这些文献以提供教导。
在一些实施方式中，从布置在底物(例如，阵列芯片)上的靶核酸发出的荧光信号通过将它们成像到根据本文中所述的技术的相机的传感器阵列上而被记录。例如，在一些成像***中，传感器阵列中的每个像素记录单独的荧光实验的结果，而在其他成像***中每个实验使用多于一个的像素。
通常，生物化学底物允许数以百万计的待被并行地进行的生物化学实验。这种能力产生自用于以非常小的体积进行每个实验和用于将实验紧密绑定在一起的技术的发展。例如，在一些实施方式中，大量附接位点可以以有规则或随机图案方式配置在阵列芯片上，其中附接位点的数量可以优选地处于50亿至500亿的范围内，并且一般多处于如下的任何子范围内：使用有规则图案的实施方式中，两个相邻的附接位点的中心之间的间距可以处于250nm至1.5μm的范围内。在操作中，当大分子或其他靶核酸被布置在附接位点上时，多种实施方式优选地提供附接位点的60％至95％的单分子占用度；另外，多种实施方式中的产率(例如，以给定的成像运行发出信号的巨大分子或靶核酸的平均数量)可以优选地处于保持巨大分子或靶核酸的所有附接位点的35％至65％的范围内。
在一些实施方式中，DNA测序包括：对DNA样本进行化学处理、对经处理的样本进行物理分析以获得原始序列片段、以及使用计算算法将序列片段组装成完整的基因组。在用于DNA测序的一些方法中，多个化学处理和物理分析循环可用于在计算工作开始前建立原始序列数据。
在这种实施方式中，荧光成像用于通过设计生物化学反应来识别DNA碱基(A、C、G或T)以使得不同的彩色燃料(例如，红色、绿色、蓝色或黄色)对应于每一个。这种DNA实验对于每种颜色的图像可以随后通过物镜部件(例如，显微镜目标)取得。观察到的颜色指示特定化学处理步骤处的DNA碱基。从这种图像提取数据取决于记录由通过在底物(例如，芯片)上进行的数百万或者甚至是数十亿生物化学实验发出的荧光的颜色。
在一些实施方式中，本文中所述的成像***可以用于整个人类基因组(例如，人类个体的基因组)的DNA测序。人类基因组测序的商业上的可行性部分取决于快速且精确地测序DNA的能力。因为它们支持大量并行DNA实验(例如，被高密度地布置在阵列芯片上)的处理，本文中所述的成像***满足这些标准，并且能够促进快速且精确的基因组数据获得。
如结核本发明的优选实施方式详细描述的那样，在通过实施方式以许多不同形式满足本发明时，应理解，本公开应被解释成本发明概念的示例、而非旨在将本发明限制成本文中示出和描述具体实施方式。本领域的技术人员能够进行多种变型，而不背离本发明的精神。本发明的范围将由权利要求书及产生自本申请的其等同物定义。摘要和题目不应被解释成限制本发明的范围，因为它们的目的是为了让有关当局以及广大市民快速确定本发明的一般性质。权利要求书中遵循如下，即，除非使用术语“装置(means)”，否则其中记载的特征或元件均不应被解释为根据35U.S.C.§112,6的装置加功能限定。
示例性测序平台
人类基因组的DNA测序的一个示例是由加利福尼亚州山景城的完整基因组测序公司(Complete Genomics,Inc.)商业开发的高精度的复合探针-锚定分子连接(combinatorial probe-anchor ligation；cPAL)测序。cPAL测序技术依靠独立地分析来自载入到图形化阵列芯片中的自组装DNA纳米球(“DNB”)的每个碱基。cPAL测序中的第一步骤是将随机分配的DNB载入到生物化学阵列芯片。DNB是串联体(concatemer)，其包含相同序列的适配子和表示靶核酸的DNA片段按顺序链接的多个拷贝；例如，在于2006年6月13日提交的、Radoje Drmanac等人的美国专利申请第11/451,691号中描述了这种多联体的生产，该美国专利申请的整体内容通过引用全部地记载于本文中。一组DNB包含能够全体地跨越整个人类基因组的DNA片段，但是当DNB第一次附接至阵列芯片上的附接位点时，在任何特定DNB经过的位置上不存在控制。另一方面，一旦DNB已附接至附接位点，则在所有后续液体处理步骤期间它们一直保持在那里并且不从一个位点移动到另一个位点。在后续处理步骤中，在阵列芯片上的DNB上方用多种试剂和缓冲液冲洗，并且用荧光成像***记录来自DNB的荧光信号。
更具体地，cPAL测序技术包括以下步骤的循环。首先，锚定被杂交到DNB中的第一接口(通常刚好在适配子中的一个的5'或3'末端)。随后用锚定进行酶连接反应以完全简并例如标记有荧光染料的8-mer探针的探针群。探针可以具有例如约6-20个碱基的长度，优选地约7-12个碱基。在任何给定循环处，所使用的8-mer探针群被结构化成其位置中的一个或多个的身份与附接至8-mer探针的荧光团的身份相关，当采用7-mer探针时，用于识别刚好与适配子相邻的碱基的一组荧光团标记的探针可以具有以下结构：3'-F1-NNNNNNAp、3'-F2-NNNNNNGp、3'-F3-NNNNNNCp和3'-F4-NNNNNNTp(其中，“p”是可用于连接的磷酸盐)。在又一示例中，用于识别三个碱基进入来自适配子的靶核酸的碱基的荧光团标记的7-mer探针可以具有以下结构：3'-F1-NNNNANNp、3'-F2-NNNNGNNp、3'-F3-NNNNCNNp和3'-F4-NNNNTNNp。(应理解，这些都不是待被编录的基因组序列，而仅仅是出于示例性目的的结构示例。)对于所查询位置处的连接酶互补性判别的程度，荧光信号提供该碱基的身份。
在进行连接和四色成像后，锚定8-mer探针复合被剥离，并且开始新的循环。通过T4DNA连接酶，能够获得精确的序列信息直到来自连接结的六个或更多碱基，从而允许访问至少12个碱基对(bp)每适配子(来自5'和3'末端两者的六个碱基)，对于每4个适配子DNB总共48bp，对于每5个适配子DNB总共60bp等。
根据给定循环旨在查询哪个位置，构造不同的8-mer探针。具体地，8-mer探针内的单个位置与被标记的荧光团的身份相关。附加地，荧光团分子被附接至8-mer探针的相对于针对连接结的末端的相反末端。例如，锚定可以被杂交以使得其3'末端与靶核酸相邻。为了查询五个碱基进入靶核酸的位置，可以使用变质8-mer探针群，其中，探针与来自8-mer探针的5'末端的第五核酸相关，8-mer探针的5'末端是将连接到锚定的8-mer探针的末端。8-mer探针单独地标记有四个荧光团中的一种，其中，Cy5的荧光团与A相关，Cy3与G相关，德克萨斯红(Texas Red)与C相关，并且FITC与T相关。(虽然本示例描述了使用四个荧光团来查询单个碱基每个循环，但是应理解，每个循环可以使用8至16个荧光团或者更多，从而增加在任意一个循环期间能够被识别的碱基的数量。)
根据如下的多种因素可以选择cPAL或其他通过连接测序的方法的许多不同的变型，即：期望的测序提及、采用的苄基类型、用于每个库构建内的不同的适配子数量、每个循环查询的碱基数量、如何将DNB附接至阵列的表面、所期望的测序操作的速度、信号检测方法等等。
可以通过多种方式标记简并的(例如，8-mer)探针，包括直接或间接附接放射性部分、荧光部分、比色部分、化学发光部分等。用于标记DNA和构建DNA适配子的方法学的许多综述提供了可应用于构建本发明的寡核苷酸探针的指导。这种评论包括：Kricka(2002)，Ann.Clin.Biochem.，39:114-129，和Haugland(2006)；荧光探针和研究化学品手册(Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals)，第10版(英杰/分子探针公司(Invitrogen/Molecular Probes,Inc.)，Eugene)；Keller和Manak(1993)，DNA探针，第2版(斯托克顿出版社，纽约，1993年)；以及Eckstein(1991),Ed.,寡核苷酸和类似物(Oligonucleotides and Analogues)：实用方法(A Practical Approach)(IRL出版社，牛津)等。
在一个方面，一个或多个荧光染料被用作对于寡核苷酸探针的标记。标记还能够用量子点进行，正如通过引用并入本文的如下的美国专利和美国专利公开：第6,322,901号、第6,576,291号、第6,423,551号、第6,251,303号、第6,319,426号、第6,426,513号、第6,444,143号、第5,990,479号、第6,207,392号、第2002/0045045号、第2003/0017264号等。容易并入简并探针的市售的荧光核苷酸类似物包括，例如，瀑布蓝、瀑布黄、丹磺酰基、丽丝胺罗丹明B、海蓝、俄勒冈绿488、俄勒冈绿514、太平洋蓝、罗丹明6G、罗丹明绿、罗丹明红、四甲基罗丹明、德克萨斯红、Cy荧光团、Alexa荧光团、荧光团等。还可以使用FRET串联荧光团。用于检测寡核苷酸的其他合适的标记可以使用荧光素(FAM)、地高辛(digoxigenin)、二硝基酚(DNP)、丹磺酰基、生物素、溴脱氧尿苷(BrdU)、六组氨酸(6xHis)、磷光体氨基酸(例如P-tyr、P-ser、P-thr)或任何其他合适的标记。
测序循环通过包括本文中所述的成像***的测序***执行。数据提取可以通过执行由以编程语言编写的源代码编写的一系列二进制的计算装置执行，并且碱基呼叫和读出映射可以通过一系列Matlab和Perl脚本执行。例如，对于在待查询的靶核酸中的每个碱基(例如，对于12碱基，从各DNB的每个靶核酸部分的5'和3'末端读取6个碱基)，进行杂交反应、连接反应、成像和引物除去反应(primer stripping reaction)。为了确定在给定的位置处的流动装置上的阵列中每个DNB的身份，在进行生物测序反应后，使用对应于四种荧光的四种不同的波长对每个视野(“帧”)成像，例如使用8-mer。来自每个循环的图像均被存储在循环目录中，其中，来自各循环的图像可以被保存在循环目录中，其中，图像的数量为帧的数量的四倍(例如，如果采用四-荧光团技术)。循环图像随后可以被存储到分配用于下游处理的目录结构中。
数据提取通常需要两种数据类型：亮场图像以区分在阵列芯片中所有的DNB的位置；和在各测序循环的过程中获得的荧光图像集。计算装置执行数据提取软件以识别具有亮场图像的所有对象，然后对于这样的每个对象，计算每个测序循环的平均荧光值。对于任何给定的循环，存在四个数据点，对应于在不同的波长下拍摄的四个图像以查询该碱基是否为A、G、C或T。这些原始数据被合并，产生对于每个DNB的(可能间断的)测序读出结果。这些测序读出结果随后可以使用能够在包括一个或多个计算装置的一个或多个计算机***上执行的多种技术和算法匹配至基准基因组。
选择的生物化学定义
本文中所述的多种实施方式可以使用通过涉及本领域的技术人员所实践的有机化学、聚合物技术、分子生物学(包括重组技术)、细胞生物学、生物化学的传统技术制备的试剂、缓冲液和其他液体。这种传统的技术可以包括但不限于聚合物阵列合成、多核苷酸的杂交和连接以及使用标记检测杂交。适当技术的具体说明能够参照本文中的示例。然而，当然也能够使用其他等效程序。这种程序能够在标准实验室手册中找到，例如，Green等人编著(1999)，基因组分析：实验室手册系列(Genome Analysis:A Laboratory ManualSeries)(卷I-IV)；Weiner、Gabriel、Stephens编著(2007)，遗传变异：实验室手册(GeneticVariation:A Laboratory Manual)；Dieffenbach、Dveksler编著(2003)，PCR引物：实验室手册(PCR Primer:A Laboratory Manual)；Bowtell和Sambrook(2003)，DNA微阵列：分子克隆手册(DNA Microarrays:A Molecular Cloning Manual)；Mount(2004)，生物信息学：序列与基因组分析(Bioinformatics:Sequence and Genome Analysis)；Sambrook和Russell(2006，来自分子克隆的简明协议：实验室手册(Condensed Protocols from MolecularCloning:A Laboratory Manual))；以及Sambrook和Russell(2002)，分子克隆：实验室手册(Molecular Cloning:A Laboratory Manual)(均来自冷泉港实验室出版社)；Stryer,L.(1995)生物化学(第四版)W.H.Freeman,New York N.Y.；Gait，“寡核苷酸合成：实用方法(Oligonucleotide Synthesis:A Practical Approach)”1984，IRL出版社，伦敦；Nelson和Cox(2000)，Lehninger，生物化学远离第三版(Principles of Biochemistry 3rd Ed.)，W.H.Freeman Pub.,New York,N.Y.；以及Berg等人(2002)生物化学，第五版，W.H.FreemanPub.,New York,N.Y.，所有这些通过引用并入本文以用于所有目的。
“适配子(adaptor)”是指包括“适配元件”的设计结构，其中，一个或多个适配子可以被穿插在库结构的靶核酸内。包括在任何适配子中的适配元件或特征可以根据适配子的使用而广泛地变化，但是通常包括用于约束核酸内切酶识别和/或切割的位点，用于引物结合(例如，用于扩增库结构)或锚定引物结合(例如，用于对库结构中的靶核酸测序)的位点、切口酶位点等。在一些方面，适配子被设计成包括如下中的一个或多个：1)约20至约250个核苷酸、或约40至约100个核苷酸、或小于约60个核苷酸、或小于约50个核苷酸的长度；2)作为两个“臂”连接到靶核酸的特征；3)适配子的5'和3'末端处不同且独特的锚定结合位点以在相邻的靶核酸测序中使用；以及4)一个或多个约束位点。
“扩增子(amplicon)”是指多核苷酸扩增反应的产物。例如，自一条或多条起始序列复制得到的多核苷酸群。扩增子可以通过多种扩增反应来生成，包括但不限于聚合酶链式反应(PCR)，线性聚合酶反应，基于核酸序列的扩增，循环依赖性扩增等等(参见如美国专利第4,683,195号、第4,965,188号、第4,683,202号、第4,800,159号、第5,210,015号、第6,174,670号、第5,399,491号、第6,287,824号和第5,854,033号；以及美国公开第2006/0024711号)。
“循环依赖性扩增(Circle dependent amplification)”或“CDA”是指双链环状模板的多重置换扩增，其使用退火到环状模板的两条链的引物以生成表示模板的两条链的产物，从而产生多杂交、引物扩展和链置换活动的级联。这导致了引物结合位点的数量的指数增加，并且一段时间内所生成的产物量的随之而来的指数增加。所使用的引物可以具有随机序列(例如，随机六聚体)或者具有具体序列以选择用于所期望产物的扩增。CDA产生一组串联体双链片段。
“循环依赖性复制(Circle dependent replication)”或“CDR”是指双链环状模板的多重置换扩增，其使用退火到环状模板的同一链的引物以生成宝石模板的仅一条链的产物。在CDR中，未生成附加的引物结合位点，并且产物的量仅随着时间而线性增加。所使用的引物可以具有随机序列(例如，一个或多个随机六聚体)或者具有具体序列以选择用于所期望产物的扩增。在没有结果产物的进一步修改的情况下，CDR经常产生具有串联的环状模板的链的多个拷贝的线性结构的创建，例如，模板的链的多个拷贝的线性多联体。
“互补”或“基本互补”是指核苷酸或核酸之间(例如，双链DNA分子的两条链之间或者单链核酸上的引物结合位点与寡核苷酸引物之间)的双链体的杂交、碱基配对或形成。互补核苷酸一般是A和T(或A和U)、或C和G。当核苷酸具有与至少大约80％(一般为至少大约90％至大约95％，并且甚至是大约98％至100％)的另一链配对的一个链(最佳地对齐且比较并且具有适当的核苷酸***或缺失)时，两个单链RNA或DNA分子被称为基本互补。
“双链体(Duplex)”是指完全或部分互补的至少两个寡核苷酸或多核苷酸，并且在它们的核苷酸中的所有或大部分中其经历Watson-Crick型碱基配对，由此形成稳定的复合。术语“退火”和“杂交”可互换地使用以表示稳定的双链体的形成。参照双链体的“完美匹配”意味着制成双链体的多或寡核苷酸链形成彼此双链结构，以使得每条链中的每个核苷酸经历与另一条链中的核苷酸Watson-Crick型碱基配对。两个寡核苷酸或多核苷酸之间的双链体中的“错配”意味着双链体中的一对核苷酸未能经历Watson-Crick型碱基配对。
“荧光团”是指包含吸收特定吸收谱内的能量并以不同的(但是同样是特定的)发射谱再发射能量的官能团的或者由这样的官能团组成的分子。用作标记的优选的荧光团包括但不限于荧光素、瀑布蓝、六氯荧光素、四氯荧光素、TAMRA、ROX、FAM、Cy3、Cy3.5、Cy5、Cy5.5、4,4-二氟-5,7-联苯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省-3-丙酸、4,4-二氟-5,p-甲氧基苯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省-3-丙酸、4,4-二氟-5-苯乙烯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-S-引达省-丙酸、6-羧基-X-若丹明、N,N,N',N'-四甲基-6-羧基若丹明、德克萨斯红、曙红、4,4-二氟-5,7-联苯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省-3-丙酸、4,4-二氟-5,对乙氧基苯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省3-丙酸和4,4-二氟-5-苯乙烯基-4-硼-3a,4a-二氮杂-S-引达省-丙酸,可以从马塞诸塞州沃尔瑟姆市的赛默飞世尔科技公司(Thermo FisherScientific)获得的DyLight Fluor家族以及来自俄勒冈州尤金市的分子探针公司(Molecular Probes)的Alexa Fluor家族。
“杂交”是指两条单链多核苷酸非共价结合以形成稳定的双链多核苷酸的过程。所产生(并且通常)的双链多核苷酸是“杂合物(hybrid)”或“双链体”。“杂交条件”通常会包括低于大约1M、更通常的是低于大约500mM和低于大约200mM的盐浓度。“杂交缓冲液”是指缓冲盐溶液，诸如5％SSPE或者本领域已知的其他这种缓冲液。杂交温度可以低至5℃，但通常高于22℃，更通常的是高于大约30℃，并且通常超过37℃。杂交通常在严谨条件下进行，例如，探针会与其靶序列杂交的条件，但不会杂交到其他、非互补性序列的条件。严谨条件是序列依赖性的，在不同情况下是不同的。例如，较长的片段可能需要比短片段高的、用于具体杂交的杂交温度。因为其他因素(包括互补链的碱基组成和长度、有机溶剂的存在和碱基错配的程度)可能影响到杂交的严谨性，参数的组合比任何单独一项的绝对度量更为重要。严谨条件一般选择成比特定序列在限定的离子强度和pH的Tm低大约5℃。示例性的严谨条件包括在大约7.0至大约8.3的pH和至少25℃的温度下至少0.01M至不高于1M的钠离子浓度(或其他盐)的盐浓度。例如，5×SSPE(在pH7.4下，750mM NaCl、50mM磷酸钠、5mM EDTA)和30℃温度的条件适合于等位基因特异性探针杂交。
“连接”是指在模板驱动的反应中在两条或更多条核酸(例如。寡核苷酸和/或多核苷酸)的末端之间形成共价键或联接(linkage)的过程。键或联接的本质可以广泛多样，并且可以酶促或化学地进行连接。如本文所用，连接一般以酶促法进行以在一条寡核苷酸的末端核苷酸的5'碳与另一核苷酸的3'碳之间形成磷酸二酯联接。在以下应用文献中描述了模板驱动链接反应：美国专利第4,883,750号、第5,476,930号、第5,593,826号和第5,871,921号。
本文中所使用的“多核苷酸”、“核酸”、“寡核苷酸”、“低聚糖”或语法等同术语通常指共价连接在一起的至少两个核苷酸。核苷酸由核碱基(或仅称为“碱基”)、五碳糖(例如，核糖或2'-脱氧核糖)以及形成核苷酸骨架的1-3个磷酸基团组成。碱基(例如，4个主要核苷酸碱基C、G、A、T和RNA中的碱基U中的一个)和糖共同地组成核苷。多核苷酸通常含有磷酸二酯键，但是在一些情况下，可以包括核酸类似物，其具有其他的骨架，例如，亚磷酰胺、二硫代磷酸酯或甲基亚磷酰胺连接，以及肽核酸骨架和链接。其他核酸类似物包括具有二环结构的那些类似物，包括锁核酸、带正电骨架、非离子型骨架和非核糖骨架。
“引物”是指天然或合成的寡核苷酸，在形成与多核苷酸模板的双链体后，其能够充当核酸合成开始的点，并且沿着模板从其端部中的一个延伸以形成延伸的双链体。在延伸过程中添加的核苷酸序列通过模板多核苷酸的序列确定。引物一般由DNA聚合酶延伸。
“Tm”是通常被定义为双链核酸分子群中有一半被解离成单链的温度。本领域熟知用于计算核酸的Tm的等式。如标准参考文献所示，Tm值的简单估算可通过如下等式来计算：Tm＝81.5+16.6(log10[Na+])0.41(％[G+C])-675/n-1.0m，当核酸存在于0.5M或更少的阳离子浓度的水溶液中时，(G+C)含量处于30％与70％之间，“n”是碱基的数量，“m”是碱基对错配的百分比(参见例如，Sambrook J等人，“分子克隆，实验室手册(Molecul ar Cloning，A Laboratory Manual)”，第三版，冷泉港实验室出版社(2001))。其他参考文献包括更复杂的计算，其将结构以及序列特性考虑到Tm的计算(还参见，Anderson和Young(1985)，定量过滤杂交，核酸杂交(Quantitative Filter Hybridization，Nucleic AcidHybridization)，以及Allawi和SantaLucia(1997)，生物化学(Biochemistry)36:10581-94)。
已参照具体实施方式解释了本发明。根据参照本公开，对于本领域的技术人员将明确其他实施方式。因此，除了由随附的权利要求书指定以外，并不是旨在限制本发明。
Claims (19)
1.一种成像***，包括：
CMOS或sCMOS相机，具有二维全帧电子传感器；
物镜部件，配置成将底物的至少一二维部分成像到所述相机的所述二维全帧电子传感器上以产生二维图像；
定位台，配置成在具有所述二维全帧电子传感器的所述相机产生二维图像时相对于所述物镜部件在第一方向上以连续运动的方式移动所述底物；以及
扫描镜，配置成在所述定位台以所述第一方向移动所述底物的同时配合移动的定位台以同步并连续运动的方式倾斜，以在保持底物图像稳定在所述二维电子传感器处的同时将来自所述物镜部件的光反射到所述相机。
2.如权利要求1所述的***，还包括：
镜筒透镜部件，定位在所述扫描镜与所述相机之间的光路径中，其中，所述扫描镜被配置成将来自所述物镜部件的光经由所述镜筒透镜部件引导至所述相机的所述二维电子传感器。
3.如权利要求1所述的***，还包括：
第一倾斜板，定位在所述扫描镜与所述相机之间的光路径中，其中，所述第一倾斜板被配置成对通过所述物镜部件获得的所述底物图像实施第一偏移校正。
4.如权利要求3所述的***，还包括：
第二倾斜板，定位在所述扫描镜与所述相机之间的光路径中，其中，所述第二倾斜板被配置成在与所述第一偏移校正垂直的第二方向上在所述底物图像中实施第二偏移校正。
5.如权利要求1所述的***，还包括：
光源和分色镜，其中，所述分色镜至少被配置成：
(a)反射来自所述光源的光以照亮所述底物；以及
(b)使通过所述物镜部件获得的光通过。
6.如权利要求1所述的***，其中，所述定位台和倾斜的扫描镜的移动通过伺服机构配置。
7.一种用于对底物的至少一部分成像的方法，所述方法包括：
将定位台移动到物镜部件下方，其中，所述定位台承载所述底物上的靶核酸；
在承载所述底物的所述定位台移动的同时，改变扫描镜的角度或配合移动的定位台同步并连续地运动以使得通过所述物镜部件获得的底物图像相对于CMOS或sCMOS相机的二维电子传感器保持静止；以及
在承载所述底物的所述定位台移动的同时通过所述电子传感器记录所述底物图像。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
通过使用角度传感器测量所述扫描镜的角度；以及
在改变所述扫描镜的所述角度时使用来自所述角度传感器的测量结果。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：对布置在所述物镜部件与所述相机的所述电子传感器之间的光路径中的第一光板进行倾斜，以在所述底物图像中进行偏移校正。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
测量所述扫描镜的所述角度以检测所述扫描镜的运动中是否存在任何非线性性特征；以及
使用所述偏移校正从所述底物图像移除在所述扫描镜的所述运动中检测到的任何非线性性特征。
11.一种成像***，包括：
物镜部件，将包含生物化学材料的阵列芯片成像到CMOS或sCMOS相机的二维电子传感器上；
扫描镜，能够进行角运动，并且将来自所述物镜部件的光反射到所述电子传感器；以及
定位台，在所述相机对包含生物化学材料的阵列芯片进行成像时，相对于所述物镜部件移动所述阵列芯片，并且同步并连续地配合所述扫描镜以在连续移动期间在所述电子传感器处保持所述阵列芯片的稳定图像。
12.如权利要求11所述的***，其中，所述阵列芯片具有布置在其上的DNA大分子，并且所述相机为CMOS相机。
13.如权利要求11所述的***，还包括：镜筒透镜部件，其中，所述扫描镜被配置成将来自所述物镜部件的光经由所述镜筒透镜部件引导至所述电子传感器。
14.如权利要求13所述的***，还包括：位于所述扫描镜与所述相机之间的第一倾斜板，所述第一倾斜板提供第一图像偏移校正。
15.如权利要求14所述的***，还包括：位于所述扫描镜与所述相机之间的第二倾斜板，所述第二倾斜板在与所述第一图像偏移校正垂直的方向上提供第二图像偏移校正。
16.如权利要求15所述的***，还包括角度传感器，所述角度传感器测量所述扫描镜的角度。
17.如权利要求16所述的***，其中，所述角度传感器包括光学杠杆。
18.如权利要求16所述的***，其中，所述角度传感器包括激光器和线性阵列检测器，其中，所述线性阵列检测器检测被所述扫描镜反射的、来自所述激光器的光。
19.如权利要求13所述的***，还包括：照明光源和分色镜，其中，所述照明光源和所述分色镜布置成在将阵列芯片图像输送到所述电子传感器的同时照亮所述阵列芯片。
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