具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,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顺序。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通信;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开,下文中对特定例子的部件和设定进行描述。此外,本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。
本实用新型实施方式所称的“序列测定”同核酸序列测定,包括DNA测序和/或RNA测序,包括长片段测序和/或短片段测序。所称的“序列测定反应”同测序反应。一般地,在核酸序列测定中,通过一轮测序反应能够使模板延伸一个碱基,所称碱基选自A、T、C、G和U中的至少一种。在边合成边测序和/或边连接边测序的测序反应中,所称的测序反应包括延伸反应(碱基延伸)、信息收集(拍照/图像采集)和基团切除(cleave)。发生测序反应的底物为所称的“核苷酸类似物”,也称为终止子(terminator),为A、T、C、G和/或U的类似物,能够遵循碱基互补原则与特定类型的碱基配对、同时能够终止下一个核苷酸类似物/底物结合到模板链上。
请参图1-图4,本实用新型实施方式提供的一种减振结构60,用于检测***中,减振结构60包括本体62和支撑体64,本体62通过支撑体64与检测***连接,本体62包括成像模块10、上层结构66、下层结构68和中间结构70,成像模块10安装在上层结构上,下层结构68通过中间结构70承载上层结构66,本体62包括载物模块100,载物模块100用于承载和/或移动反应装置200,载物模块100安装在下层结构68上,反应装置可拆卸地安装在载物模块100上。该减振结构60可用于任何基于成像检测分析目标物的检测***,例如,用于显微镜等生物分子检测分析装置中,更具体的,用于基于成像的测序平台如市售的华大基因、ILLUMINA测序平台中。
具有上述特征的减振结构60,考虑到该减振结构60用于检测***时,本体62上涉及X/Y/Z方向上的二维运动或三维运动,因此采用具有上层结构66、中间结构70和下层结构68连接形成的双层结构,可有效抑制或减少外部激励和/或内部激励对该减振结构60带来的影响,进而提升整个减振结构60的减振效果。所称的内部激励是相对于外部激励的概念,这里,减振结构60内部结构/组成/连接相互运动产生的振动可称为内部激励,减振结构60外部产生的、能够影响或传导至该减振结构60的振动可称为外部激励。
进一步地,在某些实施方式中,本体62的固有频率大于或等于√2倍内部激励频率。如此,可进一步有效地抑制或减少内部激励带来的影响。
具体地,本体62可通过支撑体连接于检测***中。在本实用新型实施方式中,检测***以测序***300进行说明。可以理解,在其它实施方式,检测***还可为对振动敏感的其它检测***。成像模块10用于对固定放置在载物模块100上的反应装置200进行拍照。测序***300中设置有液路***,通过该液路***能够向反应装置200通入反应试剂/溶液。反应装置200上设有一个或多个通道(channel),反应试剂/溶液等位于通道中,待测核酸分子预先固定在反应装置200中,核苷酸类似物/底物置于反应试剂/溶液中。成像模块10置于反应装置200上方,使得在对核酸分子的测序过程中,能够采集反应装置200特定位置(视野,Field of View,简称FOV)中的带光学可检测标记的核酸分子的图像,所称的光学可检测标记例如为荧光分子。反应装置200例如为芯片,或者包括芯片和塑料外框,芯片可安装在塑料外框中。可以理解,检测***也可以为其它包含成像模块10的***。
在一些实施方式中,成像模块10包括自动对焦模块,在利用自动对焦模块对反应装置200的特定位置进行对焦时,成像模块10不动,载物模块100根据自动对焦模块的信息/指令带动反应装置200在垂直于光轴OP的平面内移动,以使成像模块10能够对反应装置200上的不同位置进行图像采集。在一个示例中,成像模块10为全内反射荧光显微***,全内反射显微镜***在信号采集时易受各种因素的干扰,包括振动,对振动很敏感,因而测序***的激励源(包括外部和内部)产生的振动对成像效果都会产生极大的影响。
对设置与测序***300中减振结构60来说,带来影响的激励主要分为两个部分,一部分来自外部,称之为外部激励,是由周围环境产生;另外一部分来自内部,称之为内部激励,主要是由成像模块10和/或载物模块100运动产生。在一个示例中,使测序***300中的减振结构60的固有频率不等于外部激励频率。
在一个具体示例中,对于测序***中的减振结构60,外部激励包括该测序***300正常工作时,人员走动、人员沟通、空调振动、测序***300其它模块/结构例如内部风扇运转以及泵运作等一系列因素产生的振动,还有地面传导的低频振动等等。这一部分激励会通过测序***300的支撑体64传递给本体62包括成像模块10,导致该减振结构60整体振动。
在一个示例中,设置于测序***300中的减振结构60包括载物模块100,该减振结构60的内部激励主要来自测序***300运行时成像模块10和/或载物模块100的运动。具体地,载物模块100的运动包括XY二维运动或者XYZ三个方向的运动,成像模块10的运动包括相机和风扇运转时产生的激励。载物模块100提供反应装置200的XY二维方向或者XYZ三个方向上的移动,能够使成像模块10能够采集到整个反应装置200的测试区域,而一般地,荧光分子比较脆弱其发光行为易受各种因素的波动,特别是单个或少数几个荧光分子,受光强光照时长等的影响明显,需要载物模块100快速响应,高速、急停的运动曲线会对整个***带来运动激励。这一部分激励作用于减振结构60内部,会导致其内部相互运动产生振动。
频率、幅值和相位是评估振动信号的三个重要参数,其中,频率对应的是周期的倒数,幅值是指振动时机构相对平衡位置运动的最大位置,相位描述的是振动信号和触发脉冲的相对位置关系,一般振动信号的正峰值是在触发脉冲之后产生的。在一个示例中,发明人通过成像模块10所采集到的图像的质量来评估所设计的减振结构60的减振效果。具体地,在包含成像模块10的测序***300中,减振结构60的设计主要是为了减少振动对成像的影响,所以可通过评价图像的质量来评估振动信号。在一个示例中,测序***300通过使载物模块100运动来实现反应装置上多个视野的信号采集,利用采集的信号即反应装置上的发光位置(亮斑或亮点)的信息来识别碱基/测定核酸序列,在相机曝光过程中若载物模块100发生振动则会导致物体成像位置发生偏移,从图像上观察会发现亮点会抖动,严重的会出现拖尾,即图像发生运动模糊,因此通过判断图像是否清晰可以评估减振结构60包括载物模块100是否已经静止,或者振动信号是否已减至不影响测序。
判断图像是否清晰的方法有很多,该实施方式对此不作限制。在一个示例中通过计算图像锐度来估计图像清晰度。在基于荧光检测实现测序的测序***300中,例如单分子荧光检测平台,图像上的一个光斑对应一个或少数几个荧光分子,该光斑的强度分布符合或近似于高斯分布,如图5所示。清晰度越高,该高斯分布越尖锐。但如果载物模块100振动导致图像发生运动,光斑的强度分布不再具备高斯分布的特性。凭借这个成像特性,本实施方式中,对载物模块100是否发生振动进行评估(后续进一步说明)。
在一些示例中,所称的减振结构60的上层结构66包括上层板71,可用于安装成像模块10,成像模块10可由激光模块、自动对焦模块、照明器模块、物镜模块和相机模块五个部分组成。
在一些示例中,所称的减振结构60的下层结构68包括下层板73,可用于安装载物模块100,载物模块100用于承载反应装置200,反应装置200,载物模块100可提供反应装置200的定位与装夹,与测序***300的流路***对接。表面高平整度的反应装置200,利于测序中连续采集图像时的追焦稳定。较佳地,因为成像模块10中物镜的工作距离比较小,为防止损坏,以及重复定位精度,对反应装置200的定位需要满足特定要求。后面会对利用载物模块100来对反应装置200的位置调整作进一步示例说明。
载物模块100包括一个高精度的二维运动平台和两级俯仰调节,实现反应装置200和成像模块10的对接,为反应装置200提供二维运动,使成像模块10采集的视野能够覆盖整个或一部分反应装置200的测试区域,并且在采集不同视野时,反应装置200的表面都与物镜光轴垂直。更好地,成像模块10的光轴不仅要与反应装置200的表面垂直,还要与二维运动平台运动方向垂直,这样才能使成像模块10中的激光能够充分均匀的照射整个FOV,使亮斑(荧光点)对称均匀激发。
请结合图1,在实施例一,中间结构70包括第一连接件72和第二连接件74,上层结构66和下层结构68均具有左侧和右侧,第一连接件72和第二连接件74分别为板状结构和柱状结构,第一连接件72和第二连接件74中的一个连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧,另一个连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧。
具体地,在图示的实施例中,第一连接件72的数量是一个,第二连接件74的数量是两个,第一连接件72连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧,第二连接件74连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧。可以理解,在其它实施例中,第一连接件72可连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧,第二连接件74可连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧。
请结合图2,在实施例二,中间结构70包括第一连接件72和第二连接件74,上层结构66和下层结构68均具有左侧和右侧,第一连接件72和第二连接件74均为板状结构,
第一连接件72和第二连接件74中的一个连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧,另一个连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧。
具体地,在图示的实施例中,第一连接件72连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧,第二连接件74连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧。可以理解,在其它实施例中,第一连接件72可连接下层结构68的右侧和上层结构66的右侧,第二连接件74可连接下层结构68的左侧和上层结构66的左侧。
具体地,在实施例一中,由于双层结构连接的两个第二连接件74是各向同性,而且左侧又只是一块比较薄的第一连接件72,担心X向强度不够,因此在实施例二中,将一侧的双第二连接件74改成板状结构,其与第一连接件72的结构基本相同。较佳地,第一连接件72和第二连接件74沿本体62的中心线H对称设置,即第一连接件72和第二连接件74对称连接上层板71和下层板73,从而增强减振结构60在X向强度。
进一步地,中间结构70包括第三连接件76,第三连接件76为板状结构,上层结构66和下层结构68均具有后侧,第三连接件76连接下层结构68的后侧和上层结构66的后侧。如此进一步增强减振结构60在X向强度,也同时能增加在Y向强度。
在一个具体的实施方式中,第一连接件72、第二连接件74和第三连接件76各自均为一个一体化结构的一部分。例如,所称的一体化结构可以类似于没有正面的坦克,上层结构66和下层结构68分别类似于该坦克的顶部和底部,第一连接件72和第二连接件74分别类似于该坦克的两个侧面结构,第三连接件76类似于坦克的后部,该第一连接件72、第二连接件74和第三连接件76均为一个结构的一部分。
测试以上结构,发现实施例一和二的减振结构60均能有效的减振/抗震,相对地,实施例二的减振结构60的减振效果优于实施例一的减振结构60。发明人认为,相对来说,可能由于实施例一的减振结构60的质量分布不太均匀,而实施例二的结构重新排布了上层结构66中成像模块10的各个部件位置,质心在整个本体62的中心线H上,或质心与中心线的偏差在期望的范围内,质量分布相对均匀。
实施例一和实施例二的上层板71、下层板73和中间结构70的材料可采用铝合金。进一步地,下层板73较上层板71重,如此,能够使重心下移,增加减振结构60的稳定性。
请结合图3和图4,在实施例三,减振结构60包括加强件78,加强件78能够降低本体62的质心,加强件78连接第一连接件72和下层结构68,和加强件78连接第一连接件72、上层结构66和第二连接件74。
具体地,由于物镜的Z向高精度移动来自Z轴,Z轴安装在上层板71上,为保证Z轴安装定位的稳定性,可增加上层板71的厚度。又因在测序过程中大范围FOV分布在X向,因而二维运动平台给的激励基本上是X方向的,为了进一步增强整个减振结构60在X向的强度,在图示的实施例中,加强件78的数量是两个,在中间增加横梁作为其中一个加强件78,中间的加强件78连接第一连接件72、上层结构66和第二连接件74,以及左侧增加另一个加强件78,左侧的加强件78连接第一连接件72和下层结构68。
更具体地,加强件78连接第一连接件72的外侧和下层结构68的上侧。加强件78连接第一连接件72的内侧、上层结构66的下侧和第二连接件74的内侧。
可以理解,在其它实施例中,加强件78连接第一连接件72和下层结构68,或加强件78连接第一连接件72、上层结构66和第二连接件74。
为了降低本体62的质心,可将下层板73以及中间结构70的材质换成钢材。较佳的,在实施例一至三中,下层板73采用的材料的密度和中间结构70采用的材料的密度比上层板71采用的材料的密度大可降低本体62的质心,有利于减振结构60的稳定。可以理解,下层板73采用的材料的密度或中间结构70采用的材料的密度比上层板71采用的材料的密度大,也可降低本体62的质心。
在实施例一至三的任一实施例中,第一连接件72、第二连接件74和/或第三连接件76若是包括板状结构,该个或该些板状结构出现一个或多个通孔/空洞,板状结构通过包含通孔或空洞能够调节该减振结构60在X、Y和/或Z方向的强度的平衡。
在实施例一至实施例三的任一实施例中,支撑体64包括减振件80和支撑脚192,检测***包括支撑基板83(请参图6),本体62安装在减振件80上,减振件80通过支撑脚192安装在支撑基板83上。如此,实现本体62与检测***的对接,完成外部激励极大程度的隔离。
具体地,减振件80可包括防振凝胶座(如硅胶),防振凝胶座的数量可为四个,支撑脚192的数量可为四个,每个支撑脚192连接对应的一个防振凝胶座和下层结构68。
较佳地,减振件80的主轴T平行于成像模块10的光轴方向OP。在实施例一至三的任一实施例中,即每个防振凝胶座的弹性主轴T平行于Z轴方向。
以下分别就实施例一至三的减振结构60应用到测序***300来进一步示例说明该减振结构60、测序***300和/或该减振结构60与测序***300其它模块的连接关系。该测序***300通过采集反应装置200上来自结合到核酸分子上的核苷酸的信号实现核酸分子的序列测定,所称的核苷酸(如无另外说明,同核苷酸类似物)带有光学可检测标记,例如带有荧光分子。
具体地,可以采用四个型号相同的减振件80支承着成像模块10,减振件80和支撑脚192构成支撑体64,这四个减振件80的弹性主轴均沿着Z轴方向,或平行于Z轴方向;上层结构66、下层结构68、中间结构70和成像模块10,构成本体62。
测序***的减振结构60可分为本体62和支撑体64两个部分。具体包括,
(1)成像模块10,由激光模组、自动对焦模组、照明器模组、物镜模组和相机模组五个部分组成。激光器模组为成像模块10提供合适功率的激光,激光会经过耦合器耦合,得到平行的耦合激光;照明器模组实现耦合后的激光以合适的角度进入物镜;自动对焦模组实现物镜Z轴联动,实现每个视野(Field of View,简称FOV,即一张图像的像素窗口)荧光反射都能汇集在物镜焦面上;物镜模组将前段传导的耦合光以合适的角度传递到待测平面,实现全内反射;相机模组接受反射回来的光,实现FOV中荧光点(亮斑或亮点)的采集。
(2)反应装置模块,包括反应装置200和反应装置夹具,提供待测反应装置200的定位与装夹,与流路***对接。选用高平整度的反应装置200较佳,利于保证整个测序过程中反应装置200(例如芯片)追焦稳定。需要对反应装置200的定位能够满足要求,利于在成像模块10中物镜的工作距离比较小的情况下,防止了损坏以及重复定位精度。
(3)载物模块100,包括一个高精度的二维运动平台和两级俯仰调节结构,实现反应装置模块和成像模块10的连接,为反应装置200提供二维或三维运动,让物镜视野能够覆盖整个反应装置200检测区域。在整个视野范围内,反应装置200表面都与物镜光轴垂直。成像模块10的光轴不仅要与反应装置200表面垂直,还要与二维微动平台运动方向垂直,这样才能使***中的激光能够充分均匀的照射整个FOV面内,使荧光点对称均匀激发。
(4)支撑体64,包括四个防振凝胶座和支撑脚192,实现成像模块10与整机的对接,实现外部激励极大程度的隔离。测序***300主要是通过成像来识别碱基序列信息,支撑体64作为与整机的连接媒介,较佳的,希望其能极大程度的削弱外部或者整机带来的激励。
由上可知,该测序***300通过成像模块10捕捉反应装置200中荧光点的信号,再将该些光学信号转化成相应的碱基信息,从而测得相应的核酸序列。
人类基因组共有23对染色体,分别是22对体染色体和一对性染色体,总共含有约31.6亿个碱基对。为了测定人基因组序列,经常通过测该基因组多遍(测序深度)来提高测序结果的可信度,对该测序***300的通量(能获得的下机数据量)有要求。
针对通量,在一些示例中,可通过使反应装置200含有多条通道即具有较大的反应/检测区域来实现。
每条通道含有几百个FOV,因此一般地,结构或***设计时需要考虑物镜和反应装置200在X/Y方向上的相对位移;而考虑到反应装置200表面的不平整度,较好的,增加Z轴维度来实现测序过程中的自动追焦功能。
相关结构或***设计时对这个三维运动进行分解,利于实现快精准测序、缩短图像(视野)采集时间,特别适用于单分子测序***300,在单分子测序***300中,单分子(单个分子或少数几个分子)的荧光信号非常脆弱,例如长时间的曝光会导致荧光的快速淬灭,更是需要快速图像采集;在一个示例中,承载反应装置200的载物模块100的质量相对重,并且考虑到操作人员拿放反应装置200的便捷性,给载物模块100提供X/Y方向上的二维运动;物镜质量相对轻,并且考虑到物镜需要保护,因而给其提供高精度的Z方向运动。
进一步地,将整个减振结构60设计成如实施例一的上下双层的结构,中间用一个板状的第一连接件72和两个柱状的第二连接件74,利于使X/Y方向有较大的运动量程;如图1-4和图6所示,上部双层结构称构成主体,四个防震凝胶座与支撑基板83用四个圆柱状的支撑脚192连接,在一个示例中,整个减振结构60大部分采用铝合金;利用四个防震凝胶座作为支撑体64连接双层结构,利于增强该减振结构60对振动的抑制作用,支撑体64能够有效的给上部双层结构隔振。
在一些示例中,由于X/Y二维平台和Z轴在测序过程中处于运动状态,可通过二维平台和Z轴在工作位置时的动态特性来了解整个减振结构60的振动特性,故初始设计时,发明人将X/Y二维平台和Z轴都设置在最常用的工作位置:X/Y二维平台的大部分时间处于物镜成像拍照状态,取物镜在反应装置200流道正中位置时X/Y二维平台的工作位置;Z轴大部分时间处于物镜追焦状态,因而取理论焦面对应Z轴位置。
由于双层连接的两个圆柱状的第二连接件74是各向同性,而且左侧又只是一块较薄的第一连接件72,担心X向强度不够,因此将单分子基因测序***结构的实施例一中两个圆柱状的第二连接件74改成对称一侧的薄板状的第二连接件74,进一步,然后再背部增加板状的第三连接件76,从而增强整个机构在X向强度。
考虑到实施例一中质量分布不均匀,重新排布上层结构中个模组的位置,尽量让质心在整个机构的中心线上,从而完成单分子基因测序***结构的实施例二的设计,如图2所示。
物镜的Z向高精度移动来自Z轴,Z轴安装在上层板71上,为保证Z轴安装定位的稳定性,增加上层板71的厚度;因而测序过程中大范围FOV分布在X向,因而二维平台给的激励基本上是X方向的,为了进一步增强整个机构在X向的强度,考虑在中间增加横梁作为加强筋,以及左侧增加加强筋;为来降低本体62的质心,将下层板73以及中间结构70的连接板材质换成钢材,从而形成单分子基因测序仪***结构的实施例三,如图3和图4所示。
这样按照设计思路完成三个单分子基因测序***的结构方案,后续进一步评估该些结构受振动的影响。
可以利用现有的方法包括利用市售测的设备如测振仪测量减振结构60受到的振动大小和振动变化,本实用新型对此不作限定。在一些示例中,发明人利用评估采集到的图像的质量来间接评估减振结构60的减振性能。测试发现,该评估方法简单直接,测试平台搭建比较容易,需要设备少,操作步骤简单,振幅越大、图像差异越明显越有利于准确评估,同时,该方法还能测试验证搭建出的测序***300是否可靠/可实现预定功能。具体的,借助于测序***300本身就包含的成像模块10,具备成像功能,通过图像来评价***的振动简单直观,具有先天的适应性。较直接地,可通过观察图像是否模糊来测定测序***300/减振结构60的振动抑制效果。
在相机曝光过程中若载物模块100发生振动则会导致物体成像位置发生偏移,从图像上观察会发现亮点会抖动,发生拖尾,视觉上该图像较模糊。通过判断图像是否清晰可以评估载物模块100是否已经静止或者说是否处于不影响信号采集(或影响可忽略)的状态。
本实施方式对判断图像是否清晰的方法不作限制。在一个实例中,发明人通过计算图像锐度来评估图像清晰度。图5显示图像上一个理想亮点的强度分布,为一个高斯分布或者近似高斯分布。
清晰度越高,其高斯分布波峰就越尖锐。但如果载物模块100振动导致图像发生运动,即会使相机一块很小的成像区域内的像素(如3*3pixels,大致为一个理想状态的荧光分子在像面上的大小)在不同的时间内接收到同一信号源的强度信号。这样该信号源的强度值就被平均到该成像区域内的n个像素上。因此该成像区域内像素间的差值就变得很小,不再具备高斯分布的特性。凭借这个成像特性,可以建立一套评估振动的间接测量方案。
所称的单分子基因测序***为通过全内反射荧光成像***(Tirf)识别单个碱基的测序***,单分子碱基信号是极其微弱的,显微成像需要具有高倍率、高NA、小景深的特点,对于包括环境振动在内的外界干扰极其敏感。对单分子基因测序***带来影响的激励主要分为两个部分,一部分来自外部,称之为外部激励,是由周围环境产生。另外一部分来自内部,称之为内部激励,是由成像模块10产生。
(1)外部激励正常工作时,人员走动,人员沟通,空调振动,整机内部风扇运转以及泵运作等一系列因素都会产生,还有地面传导的低频振动等等。这一部分激励会通过支撑脚192传递给单分子基因测序***平台,导致其整体振动。
通常地,大地脉动型地面振动频率主要在0Hz-1Hz,实验室工作人员走动所引起的振动频率在1Hz-3Hz;通风管道、变压器和马达所引起的振动在6Hz-65Hz之间;建筑物本身一般在10Hz-100Hz频率之间摆动。
外部激励可通过实验测试得出,在一个示例中,发明人在安装于测序***300中的支撑体64上布置一个三轴加速度传感器探头,制造正常工作时的工况,不用特意屏蔽人员走动及沟通,整机处于开机状态,测序***300的内部风扇、泵都处于开启状态。经实验测得,外部激励X向一阶波峰为4.5Hz,Y向一阶波峰为4Hz,Z向一阶波峰为11.5Hz。因而可以得知环境中激励源的激励频率,这一数据作为后续有限元分析对比基础。
(2)内部激励测序***300主要是相机通过物镜采集反应装置200中被激光激发的荧光点来识别碱基序列的,所以整个成像模块10是个整体,而这一光路中任何一个组成部分相对其他部分有相对振动,都会对图像的采集造成影响,因此对成像模块10造成影响的内部激励主要有:二维微动平台运动,Z轴运动,相机风扇运转等。
外部激励作用下***响应特性分析
针对于外部激励,一般情况下,采取过隔振措施的振动***不再发生大幅振动,位于底板之上的单分子基因测序***,可按照单级隔振方式简化动力学模型。通过简化成理想化的刚体动力学模型,便于观察振动抑制的本质规律,然后从简入繁,分析复杂的振动抑制优化问题。
如图7所示,为单分子基因测序***的简化模型。
单分子基因测序***的本体62作为支撑体64的隔振对象。由于本体62的质量和刚度都远远大于支撑它的支撑体64,因而可以将本体62简化为刚体,忽略防震凝胶座的重量,从而形成本体62的简化模型,即防震凝胶座简化为四个质点对称分布支撑着简化为刚体的本体62。
假设本体62的质量为m,本体62的质心当作坐标系xyz的原点O,Ixx、Iyy、Izz是本体62相对于质心O在X/Y/Z惯性矩;将四个防震凝胶座分别定义为质点i=1、2、3、4,从图7他们的坐标值,每个防振凝胶座简化为一个弹簧和一个阻尼结构,从而对应三个方向的刚度和阻尼可以分别简化为kix、kiy、kiz、cix、ciy、ciz。
从而得到的单级无源隔振***,具有六个运动自由度。假设初始位置都为0,且本体62在激励作用下处于小位移振动状态,u、v、w分别X、Y、Z三个方向的线位移,α、β、γ分别为绕着X、Y、Z三个轴的角位移;先忽略阻尼C的影响,根据经典力学的动量定理和动量矩定理,可以得到六个独立的运动微分方程,如下。
式中m——本体质量;u——本体沿X轴位移;v——本体沿Y轴位移;w——本体沿Z轴位移;kix——本体X刚度;kiy——本体Y刚度;kiz——本体Z刚度;a——本体长度一半;b——本体宽度一半;d——本体高度一半;Ixx——相对质心X向转动惯量;Iyy——相对质心Y向转动惯量;Izz——相对质心Z向转动惯量;α——本体绕X轴角位移;β——本体绕Y轴角位移;γ——本体绕Z轴角位移。
上面6个独立的运动微分方程是基于u、v、w、α、β、γ这6个自由度,为了便于计算,简化这六个微分方程,可令:
使用矩阵形式表示如下:
式中M——本体质量矩阵;C——本体阻尼矩阵;K——本体刚度矩阵;
——节点绝对加速度向量;
——节点绝对速度向量;{X}——节点绝对位移向量;{F}——激励向量。
引入基础等效激励向量:{F(t)}=C{X0}ωjcosωjt+K{X0}sinωjt(3-9),式中ωj——为激励频率。
可令:
Ω=diag[{2ξ
nω
n}](3-11),Λ=diag[{ω
n 2}](3-12),式中[Ψ]——特征向量矩阵(由主振型组成);
——为第n阶模态;ξ
n——为第n阶阻尼;Ω——为两倍的阻尼比乘固有频率构成的特征值矩阵;Λ——为固有频率的平方构成的特征值矩阵矩阵。
对于满足解耦条件的小型阻尼***,则存在正则化关系:
[Ψ]TC[Ψ]=Ω(3-13),[Ψ]TK[Ψ]=Λ(3-14);
则等式(3-9)两侧乘以[Ψ]
T后,可简化如下:
可令:
在基础正弦位移激励下,{X}的第i个分量为:
式中i——可取1到6,分别表示6个自由度;
——n阶模态
的第i个分量。
在基础激励下,***的动力响应幅频特性为:
该测序***300为欠阻尼***,阻尼比0<ξn<1。频率比λ是一个同激励频率wj和减振结构60固有频率wn相关的***参数,当激励频率wj小于减振结构60固有频率wn时,即频率比λ<1;激励频率wj等于***固有频率wn时,即频率比λ=1;当激励频率wj大于减振结构60固有频率wn时,即频率比λ>1。
根据(3-18)可以得到,每个自由度的
的幅值都是一条与λ相关的有拐点的曲线,当λ=1时,对应的
为其极大值,也就是对应自由度的***平台将产生共振,此时隔振器不但没有起到减振效果,反而加剧了平台的振动效果。
设计的目标是在每个自由度都避开共振频率,通过支撑体64尽量吸收外部或者内部传递过来的振动,是其对成像模块10造成的影响最小。因此,减振结构60的固有频率不等于外部激励频率,能够有效地减少外部激励对测序***300的影响。
内部激励作用下***响应特性分析
针对于外部激励时,将测序***平台中支撑体64连接的本体62作为一个刚体简化;针对于内部激励,可以单独提出本体62作为目标对象进行分析。主要为使物镜和反应装置200在激励作用下,相对位移满足成像模块10的自动追焦要求。
FN=KsXs(3-19),式中FN——内部激励;Ks——本体刚度;Xs——本体形变。
在内部激励一定的前提下,根据公式(3-19)可知,本体62形变大小Xs与本体62刚度Ks成反比,想要得到很小的Xs,需要合适的本体62刚度。
根据公式(3-20),在一定质量的前提下,本体62的刚度与本体62的固有频率成正比,增加了固有频率ws,就是增大本体62刚度。在固有频率一定的前提,本体62刚度同质量成正比,增大本体62质量就是增大本体62刚度。
因此在内部激励作用下,想要较强的振动抑制效果,可以通过增大本体62固有频率来实现。
基于上面对外部和内部激励分析结果可知,如果想要对内外部激励进行隔振,需要详细分析激励组成,然后根据实际激励来分析结构模型。
外部激励隔振设计分析
需要通过实验测试获得外部激励,在安装单分子基因测序***平台底板上布置一个三轴加速度传感器探头,制造正常工作时的工况,不用特意屏蔽人员走动及沟通,整机处于开机状态,内部风扇、泵都处于开启状态。
测试中,采用云智慧数据采集分析仪(INV3062C1),以及超低频加速度速度拾振器(941B)。通过其自带的DASP智能数据采集和信号分析***,可以得出在此工况下环境激励如图8所示。从图中可知,采用奈奎斯特采样定理来设计实验的采样频率,FFT点数1024,谱线条数512,外部激励X向一阶波峰为4.5Hz,Y向一阶波峰为4Hz,Z向的一阶波峰为11.5Hz。
因而可以得知环境中激励源的激励频率分布,X/Y/Z三向的环境激励都是低频的,可使用橡胶防震凝胶座隔离它,使其易于在三个方向上实现刚度。此支撑体64中有金属导向杆,可以保证其水平方向的稳定性。对***结构设计时,要保证***对应各个自由度固有频率避开对应激励频率,避免发生共振,残余振动可以通过支撑体64来减弱。
内部激励隔振设计分析
内部激励主要集中在本体62中,成像模块10都安装在上层板71上,作为一个整体,除了相机散热风扇转动带来的振动,他们之间并没有其他内部相互作用,因而可以先忽略;Z轴作为运动机构会带动物镜在工作时一直处于追焦状态,追焦会随着芯片平整度调整物镜移动距离,因为物镜质量相对较轻,加速度小,因而产生的激励也相对较小。
二维微动平台为芯片提供XY二维方向上的移动,能够为物镜提供足够的视野让其能够覆盖整个芯片的测试区域,因为单分子荧光信号比较脆弱,长曝光会促使荧光快速淬灭,从而需要微动平台快速响应,高速、急停的运动曲线会对整个***带来运动激励。这一部分激励作用于平台内部,会导致其内部产生相互振动。正常运作过程中二维微动平台对振动带来的影响最大,在此主要分析其运动机制,移动一个FOV的速度时间曲线VT图,如图9所示。
此二维微动平台在一个通道内走S形曲线,两个FOV运动间距为0.22mm,最大速度为12.8mm/s,最大加速时间为0.1s,换算加速度a为0.128m/s2。
考虑到结构的对称性,取X正向移动为计算目标,测得微动平台负载约2kg,根据其运动轨迹,可以推断出激发是矩形波,如图10所示。
为了便于后续模态分析,需要将时域信号转化为频域信号,这一转换可以通过matlab来进行相应处理。根据上面得到的矩形波激励,矩形框取样时间间隔2s区间,通过标准函数傅里叶转化可以得到对应的功率谱密度曲线,如图11所示。
本体62质量Ms=50kg,由二维微动平台运动激励计算得出FN1=0.2N,从以上分析单分子基因测序***X/Y向能够接受的运动模糊ΔY≤291nm,即Xs1≤291nm,根据公式(3-20)可以得到对应的固有频率。
同理,已知Z轴运动平台的负载300g,查阅Z轴运动平台的相关资料可知其最大速度为12.8mm/s,最大加速时间为0.2s;换算加速度a为0.064m/s2,换算成Z轴运动激励FN2=0.0192N,通过分析物镜景深知道单分子基因测序***Z向能够接受的最大位移Xs2≤400nm,根据公式(3-20)可以得到对应的固有频率。
因此根据分析的结果可知,如果想要对内部激励有合适的隔振效果,需要本体62在X/Y向一阶固有频率远大于117Hz,能达到165Hz以上将达到非常好的隔振效果。本体62在Z向的一阶固有频率远大于31Hz,能达到44Hz以上将能得到很好的隔振效果。综上所述,本体62的固有频率大于或等于
倍内部激励频率,能够起到较佳的隔振效果,也就是说,对于沿XYZ的每一个方向,本体62的固有频率大于或等于
倍内部激励频率。
利用图像对载物模块100是否发生振动进行评估:
具体地,用一组动态拍摄记录荧光点的信息,根据荧光点信息清晰模糊程度判断二维微动平台目前所处的状态,匹配微动平台的运动轨迹,除开其运动过程时间线,如果图像仍处于模糊状态,就是振动追焦造成的影响。
在软件中为二维微动平台设定一定的运动轨迹,使其按照一定的加速度、频率和路径带着反应装置200按照设置目标轨迹移动,为便于区分振动状态,放大振动静止的分界线,移动一个FOV后会停止一段时间,让二维微动平台充分停稳;
为了保证过程的准确性,一般会增加实验的重复次数来实现;与此同时相机按照能够记录的最小曝光时间连续拍照,连续记录二维运动平台从开始到停止整个过程中图像的状态,输出运动拍摄记录荧光点的信息。
在这个过程中,物镜相对于反应装置200轨迹,是在一个通道内走S形曲线,2×50FOV,局部轨迹图如图12所示,一来一回两行,每行50个FOV。两个FOV运动间距为0.22mm,加速度a为0.128m/s2,每个FOV停留1s时间。
软件设置完成后,准备合格的反应装置200,保证点形态、密度满足要求。将反应装置200置于载物模块100上装夹好,涂抹相应的镜油,过程中不要有气泡,移动二维微动平台,使物镜处于指定通道内,开启激光532nm,手动找到合适焦面,使FOV中荧光点处于最清晰状态,然后锁定焦面,便于后续自动追焦。相机曝光时间设置30ms,开始测试,拍摄结束后会输出一组3000多张图片。分别在实施例一至三的三台测序***300上进行同样的实验,这样就能得到多组实验结果。
虽然已经知道通过计算图像锐度来估计图像清晰度,但是一个成像图像窗口中荧光分子数以万计,其中既有需要的信息点,也有各种杂质带来的背景噪声,一般需要通过图像处理去噪精炼,输出需要的整体锐度值,此部分例如可以通过C++语言编程实现。本实用新型对图像处理的方法不作限制,例如可通过CN201710607306.7公开的方法进行。
图像处理后,进行锐度值计算:计算每个点(亮斑/亮点/点光源/信号点)的锐度值,挑选具有代表性的点光源锐度值作为该图像的清晰度值输出;计算每个信号点的锐度值可以按照以下步骤:a.根据信号点中心附近区域的强度分布拟合出信号点中心位置上的强度值;b.再计算中心位置上的强度值与相邻区域的强度值的插值平均作为该信号点的锐度值,评价标准为取光源中心对周边8邻域的差,再除以3*3区域灰度均值,即可按照公式(5-1)来计算,Score=9*(8Center-edge[8])/(Center+edge[8])(5-1),式中,Score——为图像的锐度值;Center——为中心位置强度值;edge[8]——光源周边8邻域强度值。
根据上述步骤可计算达到所有信号点的锐度值Score,将所有点的Score按升序排列,取90分位点的Score作为清晰度值ImageScore值,来评价整体图像的清晰度。可以理解地,也可以选择其它分位点对应的值作为作为该图像的锐度值,一般地,图像质量越好或者说图像越清晰或者要求相对不严格,可取低分位如50分位点的Score值作为该图像的清晰度值,反之亦然。
图13显示了一组示例图像的清晰度,从左到右、从上往下各图分别为ImageScore值等于0的图像、ImageScore值等于1.49的图像、ImageScore值等于2.03的图像、ImageScore值等于2.51的图像以及ImageScore值等于3.01的图像。由图13可知,ImageScore为图像评价指标,数值越高对应的图像约清晰。在该示例中,2.0以上的图片上的点表现较为清晰,在1.5以下则图片较为模糊。ImageScore能够较为准确的分辨出图像的清晰度,可用于评价平台到达指定位置后是否发生振动。
测试中输出的一堆图像通过图像处理,每一张图像可以得到一个ImageScore值,将这些值绘成曲线可以发现他们是成周期变化的,截取其中两个周期如图14所示,其中横坐标是图像个数,纵坐标是图像对应的ImageScore值。
不难发现曲线波动和二维微动平台运动成周期性变化,当二维微动平台开始运动时ImageScore值会急速下降甚至会变成0;当其开始停止到稳定过程中,对应的ImageScore值会逐渐增大;当其稳定后,对应的ImageScore值会是趋于稳定最大值。
根据这个规律可以首先找到ImageScore值急速下降的FOV,其对应的就是二维微动平台移动的起始点。然后从这个FOV往后推算,找到其区域稳定的前一个FOV。因为稳定状态ImageScore值也是一个波动值,所以统计稳定前的点规律的判断依据要避开这种情况,判断依据是如果此点后方连续两个点ImageScore值相差开始不都大于0.3,此点就是所需要的FOV。然后跟去这个统计从开始移动到趋于稳定需要FOV数Nw。此过程可以通过将ImageScore值数据导入Matlab,然后通过程序编写来完成。
相机的曝光时间例如是30ms,相当于每个点对应耗时30ms,乘以前面统计的趋于稳定所需要FOV数Nw,就能得到二维微动平台从开始运动到趋于稳定所需要的时间。
考虑到此相机最小的图像采集曝光时间为30ms,即它对应的分辨率就是如此。测试时无法保证二维微动平台每一次运动起始点时刻与相机曝光开启时刻全部统一,其真实情况是大部分它们的时刻点都处于错开状态,也就是说相机正在曝光时间段30ms内,二维微动平台可能才开始启动,所以统计趋于稳定时间Tw与二维微动平台真实运动时间对比时,要考虑到曝光错位延迟。二维微动平台每个周期开始运动到结束所需时间Ts约90ms,考虑曝光错位延迟,二维微动平台每个周期开始运动到结束所需对比时间Td=Ts±30ms,即60~120ms。
实验条件都相同的前提下,分别对包括实施例一至三的减振结构60的三台测序***300做多次同样的实验测试,会得到多组实验数据结果,对比实验数据可以发现每台仪器结果趋势一致,重复性验证没有问题,下面单独对每台测序仪的结果进行分析。
实施例一的减振结构60的实验结果分析
按照上述步骤进行多次实验,选取其中一组实验,经过数据处理可以得到其对应的ImageScore值曲线如图15所示。观察曲线可知ImageScore值虽然也是成周期性变化,但是一直处于不稳定的波动状态,说明此结构对振动比较敏感,相对来说,减振效果较弱。
经过matlab处理,可以得到统计趋于稳定所需要FOV个数Nw,输出曲线如图16所示,其中横坐标代表移动FOV数量,纵坐标代表稳定所需拍照数。继而可以得到趋于稳定时间Tw的曲线图,如图17所示。
从图中可发现整个过程趋于稳定时间Tw波动非常大,既有非常小60ms的,也有很大到达990ms,计算均值为270ms,远大于二维微动平台从开始运动到结束所需对比时间Td(60~120ms)。
从而可以判断包括实施一的减振结构60的测序***300在二维微动平台移动到位后,还需要很长时间恢复追焦稳定,从ImageScore值曲线可以看出,当ImageScore值处于稳定状态时,其幅值会发生很大变化,表明仪器始终处于较不稳定状态,易受外界干扰,较不能满足振动抑制需求。
实施例二的减振结构60实验结果分析
类似于实施例一,经过数据处理可以得到来自包含该减振结构60的测序***300的一组图像的ImageScore值曲线,如图18所示。经过matlab处理得到统计的趋于稳定所需要FOV个数Nw,如图19所示。继而可以得到趋于稳定时间Tw的曲线图,如图20所示。
从图中可发现除去前四个cycle,后续正式97个cycle趋于稳定时间Tw波动非常大,既有非常小60ms的,也有很大到达360ms,计算均值为151ms,大于二维微动平台从开始运动到结束所需对比时间Td(60~120ms)。从而可以判断包括实施例二的减振结构60的测序***300在二维微动平台移动到位后,还需要30多毫秒时间恢复追焦稳定。从ImageScore值曲线对比,相较于包括实施例一的减振结构60的测序***300,实施例二的减振结构60更为稳定,进一步对振动进行抑制。
实施例三的减振结构60的实验结果分析
类似于实施例一或实施例二,经过数据处理可以得到如图21所示的ImageScore值曲线,如图22所示的统计得到的趋于稳定所需要FOV个数Nw,以及如图23所示的趋于稳定时间Tw的曲线图。
从图中可发现除去前5个cycle,后续正式98个cycle趋于稳定时间Tw都介于60ms~120ms之间,均值为92.8ms。从而可以判断包括实施三的减振结构60的单分子基因测序***300在二维微动平台移动到位后,基本没有振动对其造成图像模糊影响,进一步满足对振动抑制的要求。
请参图6,本实用新型实施方式提供的一种测序***300,包括上述任一实施例的减振结构60。在图示的实施方式中,测序***300包括的减振结构60是实施例三的减振结构60。可以理解,在其它实施方式中,测试***300也可包括实施一至实施二的任一实施例的减振结构60。
请参阅图24,本实用新型实施方式的一种成像模块10,包括第一光源12、第一透镜16和分光模块40,分光模块40包括第一分光器14、第二透镜18、第一相机20和第二相机22。第一透镜16用于接收来自第一光源12的第一光束并使该光束准直后入射至样品24上,以及用于接收来自样品24的光束并使该光束准直。第二透镜18用于将来自第一透镜16的准直光束聚焦至第一相机20和第二相机22。第一分光器14用于将来自第二透镜18的聚焦光束分为第二光束和第三光束。第一相机20用于接收第二光束。第二相机22用于接收第三光束。本实施方式的成像模块10可应用于上述减振结构60的实施例一至三的任一实施例。
上述成像模块10,由于第二透镜18将光聚焦后,再由第一分光器14分成第二光束和第三光束,这样可减少光学元件的使用、分光光路长度小,使得成像模块10的总光路长度变短,有利于成像模块10的小型化,利于工业化。
具体地,样品24可为待测核酸样本,待测核酸样本可放置在反应装置200内,如芯片内。第一光源12可为激光光源。在一个示例中,芯片包含基底,基底上设有通道,基底上设有玻璃,在利用测序***300进行测序时,在一定条件下,待测核酸、酶、带荧光标记的核苷酸试剂或溶液等混合于通道中发生反应,然后第一光源12发射激光经第一透镜16入射至芯片特定视野,该视野的荧光基团被激发发出荧光,荧光经第一透镜16和第二透镜18聚焦到达第一分光器14,第一分光器14将该荧光会聚光束分成第二光束和第三光束,第一相机20接收第二光束,第二相机22接收第三光束,分别采集得该视野的第一图像和第二图像。
在一个例子中,请结合图25,第一光源12可包括第一发光器13和第三透镜15,第一光束为第一发光器13发出的光束经过第三透镜15后的准直光束,第一光束经第四透镜17聚焦到第一透镜16的后焦面、进而经过第一透镜16准直后入射至样品24上。在一个示例中,第一光源12还包括光纤耦合器,例如单模光线耦合器。具体地,成像模块10为全内反射成像模块,经过第一透镜16的准直光束(平行光束)以大于临界角入射至芯片表面,发生全内反射,在芯片玻璃的下表面产生消逝场(消逝波)。该消逝场中的荧光分子被激发发出的荧光被第一透镜16接收。
第一相机20和第二相机22的图像传感器可采用CCD或CMOS。第一分光器14可为二向色镜。第二光束为第一分光器14的透射光束,第三光束为第一分光器14的反射光束。
在某些实施方式中,第一相机20与第二相机22呈90度或270度设置。如此,便于在有限空间内将第一相机20和第二相机22多个相机配置到该成像模块10中。具体地,在图34所示的方位中,第一分光器14具有第一反射面26,第一反射面26与水平面的夹角成45度,沿水平方向入射至第一反射面26的一部分光束被反射转向90度到达第二相机22,而沿水平方向入射至第一反射面26的另一部分光束穿过第一反射面26并入射至第一相机20。在图24和图26中,第一相机20与第二相机22沿顺时针呈90度设置,沿逆时针呈270度设置。在一个示例中,样品带有两种荧光标记,例如为Cy3和Atto647N,该两种荧光分子的发射光波段分别为550-620nm和650-750nm(波峰分别大约为564nm和670nm);第一分光器14为二向色镜,该二向色镜对波长550-620nm的光具有较高的透射率,对650nm以上的光具有较高的反射率。所称的带荧光标记的核苷酸试剂包括A、T、C和G四种类型核苷酸试剂,不同种核苷酸试剂可分别盛放于不同容器中。
在一个示例中,四种核苷酸两两分别带有第一荧光标记和第二荧光标记,第一荧光标记和第二荧光标记可被激发发出不同的荧光,利用该四种核苷酸进行双色测序,每轮测序反应包括两次碱基延伸反应,在利用包含该成像模块10的测序***300进行测序时,在一定条件下,待测核酸、酶以及带第一荧光标记和第二荧光标记的两种核苷酸试剂或溶液等混合于通道中发生反应,第一光源12同时发射第一激光和第二激光经第一透镜16入射至芯片特定视野,该视野的第一荧光标记和第二荧光标记分别被第一激光和第二激光激发发出第一荧光和第二荧光,该第一荧光和第二荧光经第一透镜16和第二透镜18会聚至第一分光器14(二向色镜),该二向色镜分开会聚的第一荧光和第二荧光,第一荧光聚焦到第一相机20像面,第二荧光聚焦到第二相机22像面,由此,分别获得该视野的第一荧光和第二荧光形成的第一图像和第二图像。基于核苷酸加入顺序和不同轮测序反应的第一图像和第二图像信息,实现碱基识别/测序。
在某些实施方式中,第一透镜16包含一个或多个透镜,和第二透镜18包含一个或多个透镜。具体地,在显微镜***中,第一透镜16的一个或多个透镜构成了物镜;第二透镜18的一个或多个透镜构成了筒镜(tube lens)。在其它实施方式中,第一透镜16包含一个或多个透镜,或第二透镜18包含一个或多个透镜。
在某些实施方式中,成像模块10包括第二分光器28,第二分光器28用于接收来自第一光源12的第一光束并使该第一光束转向至第一透镜16,使得该第一光束并入到第一透镜光轴所在的光路(成像光路)中。如此,第二分光器28的设置可使得第一光源12位于第一透镜16的光轴所在光路外,能够使该成像模块10的各元件紧凑合理的设置,利于该成像模块10的小型化,利于工业应用。
在某些实施方式中,成像模块10包括第三分光器30和自动对焦模块32。自动对焦模块32用于发出第四光束,以及用于接收被样品24反射回的第四光束,第三分光器30用于接收第四光束并使该第四光束转向至第一透镜16,还用于接收被样品24反射回的第四光束并使该第四光束转向至自动对焦模块32。如此,可利用自动对焦模块32实现对焦,实现利用该成像模块10进行图像采集。
具体地,自动对焦模块32包括第二光源34和接收器36,第二光源34用于发射第四光束至第三分光器30,接收器36用于接收第一透镜16准直后的第四光束。在一个例子中,第二光源34可以是红外光源。接收器36可为光电二极管。在进行对焦时,第二光源34发射第四光束,经第三分光器30转向至第一透镜16,第四光束经第一透镜16会聚至样品24。样品24反射回的第四光束经过第一透镜准直后入射至第三分光器30。此时,通过确定接收器36接收到的由样品24反射回的第四光束的信息的变化,可移动承载样品的平台使样品24靠近或远离第一透镜16,由此实现对焦。
在某些实施方式中,请结合图27,第二光源34包括第二发光器35和第五透镜37,第四光束为第二发光器38发出的光束经过第五透镜后37的准直光束,被样品24反射回的第四光束经第五透镜37会聚至接收器36。
在某些实施方式中,请结合图26,第二光束为来自第二透镜18的聚焦光束透射经过第一分光器14的光束,成像模块10包括补偿镜片38,补偿镜片38位于第一分光器14和第一相机20之间,补偿镜片38用于补偿第二光束带来的像散。
具体地,在一些示例中,利用软件(例如Zemax)对第二透镜18的聚焦光束进行成像仿真时发现,对比第二透镜18后不引入和引入第一分光器14即聚焦后不进行分光和进行分光,成像仿真结果分别如图28和图29所示,可以看出,来自相同视场的光束经过第二透镜18和第一分光器14后形成的光斑(弥散斑)和只经过第二透镜18形成的光斑(弥散斑),像散明显增大。例如,图29中坐标(0,0)、(0,3.250)和(0,6.500)处的光斑尺寸均大于图28中相应坐标处的光斑尺寸。可以利用RMS半径(RMS RADIUS,均平方根半径)来衡量光斑的大小,来定量的反映某成像模块实际成像的光斑大小。均平方根半径是一个重要的半径参数,它是弥散斑各个点坐标,参考中心点,进行的坐标平方和后,除以点数量,然后开方的值,这个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小,以定量的反映这个***实际的斑点大小。另外,GEO RADIUS(GEO半径)表示弥散斑的直径。明显可看出,来自相同视场的光束聚焦形成的光斑,图29的较图28的弥散,RMS半径较大。
基于此,在一些示例中,申请人引入补偿镜片38于第二透镜18和第一相机之间的任意位置,希望能补偿光束透射后成像造成的像散。在引入补偿镜片38后,请结合图30,来自相同视场的光束形成的光斑,图30的光斑尺寸明显小于图29的光斑尺寸,并且从RMS半径来看,在相同坐标处,图30的光斑尺寸接近甚至小于图28的光斑尺寸。
补偿镜片38可采用平行平板或二向色镜。在图31-34的实施例中,补偿镜片38采用二向色镜。补偿镜片38与一平面P的夹角T成45度,第一分光器14与平面P垂直,平面P由第二光束的光轴A和第三光束的光轴B共同限定。
请结合图35,分光模块40还包括补偿镜片38,补偿镜片38位于第一分光器14和第一相机20之间,第一相机20接收经过补偿镜片38的第二光束,获得第一图像。如此,第一图像的成像效果好。
利用载物模块100来对反应装置200的位置调整:
请参阅图36和图37,本实用新型实施方式的一种载物模块100,包括承载模块102、一级调节结构104和二级调节结构106,承载模块102设置在一级调节结构104上,一级调节结构104设置在二级调节结构106上,承载模块102用于承载反应装置200,二级调节结构106包括第一平面108,二级调节结构106用于调节以使第一平面108与预设轴线满足第一预设位置关系,一级调节结构104用于调节以使反应装置200的表面202与第一平面108满足第二预设位置关系。
上述载物模块100,通过两级调节结构,可将反应装置200的平面202调节到与预设轴线成预设位置关系,因此,基于预设轴线来设定其它装置或组件时,可以使得反应装置200的平面202与其它装置或组件之间的位置关系调节到期望的位置关系,满足了测序的要求,包括使得测序过程中对反应装置200特定位置进行光学检测以及动态过程中对反应装置200多个特定位置进行光学检测得以实现。
具体地,预设轴线可以是测序***300上的某个参考轴线,例如,请结合图6,测序***300包括成像模块10,预设轴线可为成像模块10的镜头光轴OP,反应装置200的平面202可为反应装置200的上表面,通常地,成像模块10包括相机(图未示)和显微镜112,相机位于显微镜112的镜头像侧,反应装置200位于显微镜112的镜头物侧。在需要反应装置200的上表面与镜头光轴OP满足垂直的位置关系时,先将带有反应装置200的一级调节结构104从二级调节结构106上卸下,二级调节结构106调节以使第一平面108与镜头光轴OP满足垂直关系,之后,将带有反应装置200的一级调节结构104安装至二级调节结构106上,一级调节结构104调节以使反应装置200的上表面与第一平面108满足平行关系,这样通过上述两级调节结构,可使得反应装置200的上表面与镜头光轴OP满足垂直关系,并且在反应装置200和镜头光轴OP的相对运动过程中二者仍旧保持垂直关系。因此,在这个例子中,第一预设位置关系为垂直关系,第二预设位置关系为平行关系。反应装置200例如芯片。第一预设位置关系可以为垂直、或平行、或倾斜;和/或第二预设位置关系可以为垂直、或平行、或倾斜。需要说明的是,所说的倾斜是指非垂直和非平行。在其它实施例中,预设轴线可以是与镜头光轴OP无关的其它轴线。
在某些实施方式中,请结合图38至图40,二级调节结构106包括第一调节板114、第一调节件116和支撑件118,第一调节板114设有第一平面108,支撑件118设有斜面120,第一调节板114设于斜面120上,第一调节件116连接支撑件118并用于带动支撑件118移动以调节第一调节板114在斜面120上的位置。如此,通过第一调节板114在斜面120上的位置调节来使第一平面108与预设轴线满足第一预设位置关系,调节方式简单,易于实现。第一平面108可为第一调节板114的上表面。
具体地,二级调节结构106包括基板122,第一调节件116和支撑件118设置在基板122,第一调节板114位于基板122上,第一调节件116带动支撑件118时调节第一平面108相对于基板122的俯仰角度。
在一个例子中,第一调节件116为螺钉,第一调节件116与支撑件118螺纹连接,基板122开设有限位槽124,支撑件118设置在限位槽124中,限位槽124用于限制支撑件118相对于第一调节件116的转动。当第一调节件116转动时,由于限位槽124的作用,支撑件118只能沿第一调节件116的长度方向前后线性运动,这样,实现了第一调节板114在斜面120上的位置调节。
在本实施方式中,二级调节结构106包括垫块126、第一弹性件128、连接螺钉130和配合组件132,连接螺钉130包括头部134和柱部136,头部134包括凸出于柱部的凸缘。第一调节板114开设有第一连接通孔138,第一连接通孔138呈阶梯状。连接螺钉130穿设第一连接通孔138,头部134和柱部136的一部分收容在第一连接通孔138的较大段,柱部136的另一部分穿过第一连接通孔138的较小段并与基板122连接。头部134与第一连接通孔138的较大段的底面之间收容有第一弹性件128,这样可实现基板122与第一调节板114的弹性连接。
垫块126夹持于配合组件132和斜面120之间。支撑件117开设有通过斜面120并贯穿支撑件的通孔140,连接螺钉130的柱部136穿设通孔140。请结合图39,通孔140的左右两侧壁与连接螺钉130的柱部136之间的空间足够大,以致于连接螺钉130不会阻挡支撑件118沿第一调节件116轴线前后运动时所期望达到的位移。
为使第一调节板114的俯仰角度更顺畅,配合组件132包括第一配合件142和第二配合件144,第一配合件142设在第一调节板114的底面,第二配合件144设在垫块126的顶面凹槽。第一配合件142包括呈圆弧形的第一配合面146,第二配合件144包括呈圆弧形的第二配合面148,第一配合面146和第二配合面148可转动地连接。
在图36中,第一调节板114的左右两侧均设有第一调节件116、支撑件118、垫块126、第一弹性件128、连接螺钉130和配合组件132,以实现更准确的俯仰调节。可以理解,在其它实施方式中,也可以是第一调节板114的单侧设有第一调节件116和支撑件118。若需要弹性支撑和更顺畅的角度调节,则可加入垫块126、第一弹性件128、连接螺钉130和配合组件132。
进一步地,请结合图41和图42,二级调节结构106包括连接件150、第三配合件152和第四配合件154,连接件150连接第一调节板114和基板122,第三配合件152和第四配合154可相对转动地连接并位于第一调节板114和基板122之间,第三配合件152设在第一调节板114,第四配合件154设在基板122。
具体地,在图36中,第一调节件116和支撑件118位于第一调节板114的左侧和/或右侧更靠载物模块100前侧的位置,连接件150、第三配合件152和第四配合件154位于第一调节板114的后侧,这样就形成可在前侧调节俯仰角度,后侧作为转动点的调节方案。
连接件150可为螺钉,第一调节板114开设有第二连接通孔154,第二连接通孔155呈阶梯状,连接件150包括头部和柱部,头部包括凸出于柱部的凸缘。连接件150穿设第二连接通孔155,连接件150头部和柱部的一部分收容在第二连接通孔155的较大段,连接件150柱部的另一部分穿过第二连接通孔155的较小段并与第一调节板114连接。连接件150头部与第二连接通孔155的较大段的底面之间收容有第二弹性件156,这样可实现基板122与第一调节板114的弹性连接。
为使第一调节板114的俯仰角度更顺畅,第三配合件152包括呈圆弧形的第三配合面158,第四配合件154包括呈圆弧形的第四配合面160,第三配合面158和第四配合面160可转动地连接。
在某些实施方式中,请参图36,二级调节结构106包括固定组件162,固定组件162用于固定第一调节板114。如此,在对第一调节板114调节完成后,可采用固定组件160对第一调节板114的位置进行固定,保证了第一平面108与预设轴线满足第一预设位置关系。
具体地,固定组件162包括固定板164和固定件166,固定板164呈L型,固定板164的一侧板连接基板122的上表面,另一侧板连接第一调节板114的侧面。固定件166将固定板164与第一调节板114和基板122固定连接。固定件166可采用螺钉。
在图36中,第一调节板114的左右两侧均设有固定组件162。这样保证了第一调节板114的稳固。
在某些实施方式中,一级调节结构104包括第二调节板168和多个第二调节件170,承载模块102包括设在第二调节板168上的基座172,多个第二调节件170间隔设置并可活动地连接基座172和第二调节板168,第二调节件170用于在活动时调节第二调节板168以使反应装置200的表面202与第一平面108满足第二预设位置关系。如此,通过多点调节实现反应装置200的平面202与第一平面108满足第二预设位置关系。
具体地,载物模块100包括可移动平台174,可移动平台174设在第一调节板114上,一级调节结构104设在可移动平台172上,可移动平台174能够带动一级调节结构104和反应装置200在垂直于镜头光轴OP的方向上移动。
在本实施方式中,请结合图43至图45,第二调节件170包括两个调节螺钉176、第三弹性件和配合组件。调节螺钉176和第三弹性件实现第二调节板168和基座172的弹性连接方式可参上述基板122与第一调节板114的弹性连接方式,配合组件实现基座172更顺畅调节方式可参上述第一调节板114的更顺畅调节方式。两个调节螺钉176位于配合组件的外侧。调节螺钉176连接第二调节板168和基座172,通过调节螺钉176调节第二调节板168与基座172的距离。具体地,对于每个第二调节件170来说,通过两个调节螺钉176的旋进和旋出来调节第二调节板168与基座172的距离,这样通过多个第二调节件170的调节,可实现反应装置200的平面202与第一平面108满足第二预设位置关系。
在图45的示例中,第二调节170的数量是三个,三个第二调节件170呈等腰三角形分布。具体地,请结合10,两个第二调节件170分别分布在第二调节板168的左侧和右侧更靠载物模块100前侧的位置,另一个第二调节件170分布在第二调节板的后侧。这两个第二调节件170的连接线为等腰三角形的底边,这两个第二调节件170与另一个第二调节件170的两个连接线为等腰三角形的两个腰。
在某些实施方式中,基座172上设有用于容置反应装置200的容置槽178,容置槽178设有用于定位反应装置200的定位结构180。如此,通过在容置槽178分别设置定位结构180,使得反应装置200容置在容置槽178时,定位结构180能够较好地对反应装置200进行预定位,保证流路的建立。具体地,定位结构180包括三个定位柱182,三个定位柱182分布在容置槽178相邻接的两侧。如此,可实现对反应装置200的三点定位。
在图45中,容置槽178的平面形状基本呈方形,两个定位柱182位于容置槽178的上侧,一个定位柱182位于容置槽178的右侧。两个定位柱182可沿平行于反应装置200通道的方向设置。定位柱182可为定位销。
另外,承载模块102包括位于左侧和下侧连接处的侧推机构184,侧推机构184可伸缩地设置在容置槽178,并用于保证反应装置200紧贴定位结构180。如此,侧推机构184可与反应装置200的腰孔配合,避免在反应装置200容置在容置槽178内过约束,同时,通过侧推机构184保证反应装置200紧贴定位结构180,实现定位和固定。
侧推机构184包括侧推件186和第四弹性件(图未示),第四弹性件设置在基座172内,侧推件186连接第四弹性件并部分地凸出在容置槽178内,以使得反应装置200容置在容置槽178内时,第四弹性件通过侧推件186能够向反应装置200施加弹力,使反应装置200紧贴上侧和右侧的定位柱182。
另外,测序***300包括用于存放试剂的试剂盒188,从试剂盒188流出的液体流动方向设置有旋转阀、三通阀、承载模块102和动力装置。承载模块102里容置有反应装置200,反应装置200的通道接入测序***300的流路中。通过旋转阀可将不同的试剂经三通阀引入流路中以在反应装置200的通道内进行不同的反应,包括但不限于延伸、切除、加帽、成像、清洗等。
动力装置可采用泵为流路中的液体提供动力。请结合图37,载物模块100通过4个支撑脚192安装在测序***300。在其它实施例中,测序***300可省略三通阀,旋转阀可将不同的试剂直接引入到反应装置200的通道。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“实施例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施方式,可以理解的是,上述实施方式是示例性的,不能理解为对本实用新型的限制,本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。