一種對基因測序儀的測序過程進行控制的方法及系統的制作方法

專利名稱：一種對基因測序儀的測序過程進行控制的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及基因工程領域，更具體地說，涉及一種對基因測序儀的測序過程進行 控制的方法及系統。
背景技術：
最初的基因測序技術是通過手工操作進行的，包括Sanger發明的雙脫氧鏈終止 法，以及Maxam和Gilbert發明的化學降解法。由于手工操作效率較低，且容易發生人為操 作失誤，因此利用基因測序儀進行測序現已成為了測序技術的主流。目前的基因測序儀，其測序過程由一系列機械、電子通信、生物、化學、光學等操作 所組成，這些操作分別由基因測序儀中對應的組件所執行，替代了單純的手工操作。但是基 因測序儀也面臨以下問題一方面，由于基因測序對精度的要求非常高，屬于納米級，任何 一個組件的操作出現偏差都會導致測序結果不理想；另一方面，整個測序過程涉及的具體 步驟非常繁瑣，需要基因測序儀中的各組件之間進行協同運作。也就是說，測序過程不僅要 求基因測序儀中各組件準確、快速地執行各項操作，還要求各組件之間進行良好的配合。在 具體應用中，基因測序儀進行測序時涉及的因素非常復雜，包括對試劑劑量及類型、反應溫 度、時間、潔凈度、納米級位移、聚焦調節、發光強度、光路調節、曝光時間計算、圖像拍攝等 多方面的控制，而且每個方面的要求非常高，因此要保證測序過程順利進行，難度很大。僅以試劑劑量及類型的控制進行說明，由于基因測序過程中對試劑劑量的控制一 般在微升級，且需要在不同的反應階段進行多次不同劑量的吸取導入，加上每次所選取的 試劑類型都可能存在差異，因此對試劑的劑量、類型的把握提出了較高的要求。若由人工操 作進行試劑吸取，或人工控制儀器進行試劑吸取，都存在以下問題一方面很難精確控制劑 量，而劑量的細微差別會導致不同的生化反應結果，也就會直接影響測序結果；另一方面， 人為參與需要對反應不同階段的各種試劑類型進行準確判斷，即便一個小環節上的失誤就 會導致生化反應失敗，使得整個測序過程全盤失敗。此外，由于測序過程從樣品制備、上樣、 測序、數據分析直到得出測序結果，每個階段都需要一定的周期，如果上述試劑劑量及類型 的控制存在失誤，人工操作無法進行監控，不能在后續過程中及時糾錯，即便得知最終的測 序結果失敗也很難查找到測序過程失敗的根本原因，還浪費了大量的時間和價格昂貴的試 劑。除開試劑劑量及類型的因素，其他各種因素，包括前述的反應溫度、時間、潔凈度、 納米級位移、聚焦調節、發光強度、光路調節、曝光時間計算、圖像拍攝等，均存在上述的類 似情形，如果沒有自動化的控制系統進行操作，整個測序過程將很難順利展開，而要想穩 定、快速地獲得準確的測序結果就更難了。此外，利用一般的測序方式進行基因測序，不能 進行大規模采圖，通量較低。因此需要一種對基因測序儀的測序過程進行自動化控制的方法，解決上述難題， 保證測序過程能夠順利、高效率地進行，并提高測序結果的準確性，此外還能保證測序的通量。

發明內容
本發明的目的在于提供一種對基因測序儀的測序過程進行控制的方法及系統，旨 在提高測序過程的穩定性和效率，同時提高測序結果的準確性，并保證測序的通量。為了實現發明目的，本發明提供了一種對基因測序儀的測序過程進行控制的系 統，其中待測DNA片段樣品設置在基因測序儀的反應小室中，所述系統包括反應控制單元、 定位控制單元、采圖控制單元；所述反應控制單元用于控制基因測序儀將試劑導入反應小 室，并在測序過程中調節反應小室的溫度；所述定位控制單元用于控制反應小室在基因測 序儀中的移動，并確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置；所述采圖控制單元用于 激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述采圖位置獲取圖像信號。其中，在采圖過程中，所述系統控制基因測序儀對反應小室中待測DNA片段樣品 上的逐個位置進行循環采圖；所述定位控制單元控制反應小室在基因測序儀中逐次移動， 并確定每次移動后反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置；所述采圖控制單元激發待測 DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述每次移動后反應小室中待測DNA片段 樣品的采圖位置獲取圖像信號。其中，所述反應控制單元包括試劑控制模塊、溫控模塊；所述試劑控制模塊用于控 制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試劑，導入反應小室；所述溫控模塊用于將反 應小室的溫度控制在反應所需的溫度。其中，所述定位控制單元包括位移模塊、聚焦模塊；所述位移模塊用于檢測反應小 室在基因測序儀中的當前位置，并控制其移動到其所在平面上的目標位置；所述聚焦模塊 用于控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置。其中，所述聚焦模塊通過調節顯微鏡與反應小室之間的距離，將清晰度最佳的位 置確定為采圖位置。其中，所述采圖控制單元包括激發模塊、拍照模塊、圖像存取模塊；所述激發模塊 用于控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA片段樣品，使待測DNA片段樣品中核 苷酸攜帶的標記物發光；所述拍照模塊確定曝光時間，并采用所述曝光時間對反應小室中 待測DNA片段樣品拍照，獲取圖像信號；所述圖像存取模塊與拍照模塊進行通信，用于保存 獲取的圖像信號。為了更好地實現發明目的，本發明還提供了一種基于上述系統對基因測序儀的測 序過程進行控制的方法，其中待測DNA片段樣品設置在基因測序儀的反應小室中，所述方 法包括以下步驟A.控制基因測序儀將試劑導入反應小室，并調節反應小室的溫度；B.控 制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置； C.激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述采圖位置獲取圖像信號。其中，在采圖過程中，對反應小室中待測DNA片段樣品上的逐個位置進行循環采 圖，包括以下步驟B’ .控制反應小室在基因測序儀中逐次移動，并確定每次移動后反應小 室中待測DNA片段樣品的采圖位置；C’ .激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發 光，并在所述每次移動后反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置獲取圖像信號。其中，所述步驟A包括A1.控制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試劑， 導入反應小室；A2.將反應小室的溫度控制在反應所需的溫度。
其中，所述步驟B或B’包括B1.檢測反應小室在基因測序儀中的當前位置，并控 制其移動到其所在平面上的目標位置；B2.控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中 待測DNA片段樣品的采圖位置。其中，所述步驟B2包括通過調節顯微鏡與反應小室之間的距離，將清晰度最佳 的位置確定為采圖位置。其中，所述步驟C或C’包括C1.控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA 片段樣品，使待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光；C2.確定曝光時間，并采用所 述曝光時間對反應小室中待測DNA片段樣品拍照，獲取圖像信號；C3.保存獲取的圖像信號。由上可知，本發明通過對基因測序的測序過程進行自動化控制，提高了測序過程 的穩定性和效率，且提高了測序結果的準確性。此外通過控制基因測序儀進行大規模的圖 像采集，因此保證了足夠的測序通量。


圖1是本發明對基因測序儀的測序過程進行控制的系統結構示意圖；圖2是圖1中的控制系統1在一個實施例中的結構示意圖；圖3是圖2中的反應控制單元100在一個實施例中的結構示意圖；圖4是圖2中的定位控制單元200在一個實施例中的結構示意圖；圖5是圖2中的采圖控制單元300在一個實施例中的結構示意圖；圖6是本發明一個實施例中對基因測序儀的測序過程進行控制的方法流程圖；圖7是圖6中步驟Sl在一個實施例中的方法流程圖；圖8是圖6中步驟S2在一個實施例中的方法流程圖；圖9是圖6中步驟S3在一個實施例中的方法流程圖；圖10是利用本發明的系統及方法對DNA進行測序的示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。圖1示出了本發明對基因測序儀的測序過程進行控制的系統結構，該系統包括 控制系統1，和與其相連的至少一個基因測序儀，如圖所示的基因測序儀2、基因測序儀
3......基因測序儀N。應當說明的是，本發明所有圖示中各設備之間的連接關系是為了清
楚闡釋其信息交互及控制過程的需要，因此應當視為邏輯上的控制關系，而不應限于物理 連接或無線連接。另外需要說明的是，各功能模塊之間的通信方式可以采取多種，本發明的 保護范圍不應限定為某種特定類型的通信方式。其中(1)控制系統1用于與至少一臺基因測序儀進行通信，其各個功能模塊分別控制 基因測序儀中對應的各個組件，從而控制基因測序儀的測序過程。主要包括控制基因測序 儀將試劑導入反應小室，并調節反應小室的溫度；控制反應小室在基因測序儀中的移動，并 確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置；激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標 記物發光，并在上述采圖位置獲取圖像信號。應當說明的是，上述控制方式適用于各種類型的基因測序儀，因此本發明中控制方法及系統的保護范圍不應受到基因測序儀本身結構的 限制。關于控制系統1的具體內容，將在其后的實施例中詳細闡述。(2)基因測序儀N由多個組件構成，分別與控制系統1中的各個功能模塊對應，接 受并執行這些功能模塊的各項指令，從而協同完成測序。這些組件包括用于吸取試劑并 導入反應小室的組件，用于對反應小室的溫度進行調節的組件，包含反應小室并可在基因 測序儀內移動的組件，用于確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置的組件，用于導 入激發光的組件，用于采集圖像信號的組件等。應當說明的是，不同類型的基因測序儀具有 不同的內部組件，或者內部組件的外在表現形式有所不同，但所實現的功能是一致的，本發 明的保護范圍不應受到這些因素的限制。還應當說明的是，各組件之間不一定完全獨立，實 現不同功能的各組件可能會涉及一個或多個相同的部件。關于基因測序儀N中的部分組件 構成，可參考申請人的已公開專利申請號為CN200810132008.8，發明名稱為“測序反應小 室、基因測序反應臺及基因測序系統”，本發明也將在其后的實施例中進行具體闡述。需要說明的是，在進行測序之前，待測DNA片段樣品已制備好，并排列到反應小室 中，該反應小室安裝在基因測序儀的樣品臺上。待測DNA片段樣品的制備過程是首先從組 織、血液、細菌等提取DNA，將其處理成長度相等的待測DNA片段，并連接接頭序列；然后通 過接頭序列與微珠上的引物結合，將待測DNA片段結合到微珠上；再制備成油包水的單分 子DNA片段擴增體系，使該體系中包含大量相互獨立的反應滴，每個反應滴包含一個結合 有待測DNA片段的微珠；然后對該油包水的體系進行PCR擴增，使每個微珠都結合多個拷貝 數目的DNA片段，而這些片段均來自于同一個待測DNA模板；再將反應滴中的微珠取出，富 集，并點樣排列到反應小室中，最后將反應小室安裝到基因測序儀的樣品臺上。圖2示出了圖1中的控制系統1在一個實施例中的結構，包括反應控制單元100、 定位控制單元200、采圖控制單元300。其中(1)反應控制單元100用于控制基因測序儀將試劑導入反應小室，并在測序過程 中調節反應小室的溫度。在本發明中，基因測序儀內部具有與反應控制單元100對應的多個組件，反應控 制單元100實際上是通過控制部分組件的操作，將試劑導入反應小室，并通過控制另一部 分組件的操作，實現對反應小室溫度的調節。試以一種類型的基因測序儀為例說明上述控 制過程，在該具體情形中，基因測序儀內包括與反應控制單元100對應的如下組件(1)試 劑臺，用于放置或容納多種可供吸取的試劑；(2)機械手，用于在不同的反應階段選擇合適 的試劑；C3)泵及軟管，用于吸取所選擇的試劑，其中軟管固定在機械手上；(4)樣品臺，包 含反應小室，反應小室上排列有待測DNA片段樣品；(5)溫控器，與反應小室相連，其包括用 于檢測反應小室溫度的溫度傳感器，以及給反應小室加熱的加熱裝置。在該情形下，反應控 制單元100的控制過程是通過控制機械手、泵及軟管，將試劑導入反應小室，并通過溫度 傳感器檢測溫度，以及控制加熱裝置給反應小室加熱，從而調節反應小室的溫度。應當說明 的是，對于不同類型的基因測序儀，其所包括的組件的類型、結構或數量可能存在差異，但 反應控制單元100的控制過程在基本原理上是一致的，因此保護范圍不應受到上述因素的 限制。關于反應控制單元100的具體功能模塊及控制方式，將在其后的實施例中詳細闡述。(2)定位控制單元200用于控制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應小 室中待測DNA片段樣品的采圖位置。
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在本發明中，基因測序儀內部具有與定位控制單元200對應的多個組件，定位控 制單元200實際上是通過控制部分組件的操作，從而控制反應小室在基因測序儀中的移 動，并通過控制另一部分組件的操作，從而確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置。 試以一種類型的基因測序儀為例說明上述控制過程，在該具體情形中，基因測序儀內包括 如下與定位控制單元200對應的組件(1)樣品臺，即前述內容提及的樣品臺，其包含反應 小室，反應小室上排列有待測DNA片段樣品，如前所述，各組件之間不一定完全獨立，實現 不同功能的各組件可能會涉及一個或多個相同的部件；( 顯微鏡，用于對聚焦進行調節。 在該情形下，定位控制單元200的控制過程是通過控制樣品臺的移動，使反應小室移動到 基因測序儀中合適的位置，并通過控制顯微鏡與反應小室之間的距離，從而確定合適的采 圖位置。關于定位控制單元200的具體功能模塊及控制方式，將在其后的實施例中詳細闡 述。(3)采圖控制單元300用于激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并 在上述采圖位置獲取圖像信號。在本發明中，基因測序儀內部具有與采圖控制單元300對應的多個組件，采圖控 制單元300實際上是通過控制部分組件的操作，從而激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶 的標記物發光，并通過控制另一部分組件的操作，從而在采圖位置獲取圖像信號。試以一種 類型的基因測序儀為例說明上述控制過程，在該具體情形中，基因測序儀內包括如下與采 圖控制單元300對應的組件(1)發光裝置，用于持續發出激發光，該裝置還包括一個位于 光路中的遮光部件，典型的是一個快門或光閘，用于在不需激發光照射時遮擋激發光的光 線；(2)照相裝置，用于拍攝圖像。在該情形下，采圖控制單元300的控制過程是通過控制 發光裝置發出激發光，激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并通過控制CCD 拍攝圖像，從而獲取圖像信號。關于采圖控制單元300的具體功能模塊及控制方式，將在其 后的實施例中詳細闡述。本發明的系統可控制基因測序儀進行大規模的圖像采集，相比于一般的低通量測 序方式而言具有明顯優勢。控制系統1可通過控制基因測序儀對反應小室中待測DNA片段 樣品上的逐個位置進行循環采圖，來達到這一點。具體表現為采圖過程中定位控制單元200 與采圖控制單元300的配合定位控制單元200控制反應小室在基因測序儀中逐次移動，例 如每次以一個微珠的間距進行移動，并確定每次移動后反應小室中待測DNA片段樣品的采 圖位置；采圖控制單元300激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在每次移 動后反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置對待測DNA片段樣品獲取圖像信號。在具體應用中，圖2所示的上述系統利用反應控制單元100、定位控制單元200、采 圖控制單元300對基因測序儀中對應的各組件分別進行自動化操作，且能對不同組件進行 有效的協調。更為重要的是，每項操作均充分考慮了基因測序各階段的技術特點，包括反應 控制單元100對試劑劑量及類型、反應溫度、時間、潔凈度等的控制，定位控制單元200對納 米級位移、聚焦調節等的控制，采圖控制單元300對發光強度、光路調節、曝光時間計算、圖 像拍攝等的控制，均按照嚴格指標進行精確的操作。因此本發明的系統能大幅度提高測序 過程的穩定性和效率，以及測序結果的準確性。此外通過控制基因測序儀進行大規模的圖 像采集，因此保證了足夠的測序通量。圖3示出了圖2中的反應控制單元100在一個實施例中的結構，包括試劑控制模
8塊101、溫控模塊102。其中(1)試劑控制模塊101用于控制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試劑， 導入反應小室。以圖2中描述的基因測序儀組件的情形為例，試劑控制模塊101的具體控制過程 是通過串口通信方式來實現的，具體過程是試劑控制模塊101確定不同階段所需取用的 試劑類型，發送指令到機械手，控制機械手移動到試劑臺上對應的試劑位置，并將固定于機 械手上的軟管插入試劑中；試劑控制模塊101發送指令到泵，控制泵運轉從而吸取試劑；試 劑控制模塊101吸取到所需的試劑后，發送指令到泵，繼續控制泵運轉將試劑打入反應小 室。(2)溫控模塊102用于將反應小室的溫度控制在反應所需的溫度。以圖2中描述的基因測序儀組件的情形為例，溫控模塊102的具體控制過程是通 過串口通信方式來實現的，具體過程是溫控模塊102發送指令給溫度傳感器，控制溫度傳 感器對反應小室的溫度進行檢測，并讀取溫度檢測結果t ；溫控模塊102中設置了不同反 應階段的溫度值T，當其獲得溫度檢測結果t后，則將其與設置的溫度值T進行對比；溫控 模塊102進一步根據對比結果進行處理，若t < T，溫控模塊102發送指令給溫控器中的升 溫裝置，控制溫控器中的升溫裝置啟動，給反應小室加熱，若t ^ T，則不需啟動升溫裝置加 熱，升溫裝置通過外部環境自動冷卻到溫度T。對于其他情形下的基因測序儀組件，控制原理一致，具體過程可能存在差異。例 如，在另一種情形下的基因測序儀組件中，相比于圖2中描述的情形，溫控器除了包括用于 檢測反應小室溫度的溫度傳感器、給反應小室加熱的升溫裝置，還包括給反應小室制冷的 降溫裝置。那么在這種情形下，溫控模塊102的具體控制過程為溫控模塊102發送指令給 溫度傳感器，控制溫度傳感器對反應小室的溫度進行檢測，并讀取溫度檢測結果t ；溫控模 塊102中設置了不同反應階段的溫度值T，當其獲得溫度檢測結果t后，則將其與設置的溫 度值T進行對比；溫控模塊102進一步根據對比結果進行處理，若t < T，溫控模塊102發 送指令給溫控器中的升溫裝置，控制溫控器中的升溫裝置啟動，給反應小室加熱，若t彡T， 溫控模塊102發送指令給溫控器中的降溫裝置，控制溫控器中的降溫裝置啟動，對反應小 室制冷。由上可知，試劑控制模塊101可對試劑類型、試劑劑量、試劑傳輸速度等進行精確 的控制，溫控模塊102可對溫度檢測、溫度設置、加熱、制冷等進行嚴格控制，從而保證了反 應小室中的生化反應過程順利進行，也因此提高了整個測序過程的穩定性、效率及準確性。圖4示出了圖2中的定位控制單元200在一個實施例中的結構，包括位移模塊 201、聚焦模塊202。其中(1)位移模塊201用于檢測反應小室在基因測序儀中的當前位置，并控制其移動 到其所在平面上的目標位置。本發明中，位移模塊201可通過多種方式控制反應小室的移動。在一個實施例中，基因測序儀中與定位單元200對應的組件為前述圖2中描述的 情形，位移模塊201的具體控制過程是通過串口通信方式來實現的位移模塊201首先發送 指令給樣品臺，讀取樣品臺在其所在平面上的初始位置坐標，例如為(Xci, Y0)；確定反應小 室在其所在平面上的目的坐標(Χ，Υ)后，位移模塊201再發送指令給樣品臺，控制樣品臺從(Xo; Y0)平移到目的坐標(X，Y)。在采圖過程中，為了控制基因測序儀進行大規模的圖像采集，需要對反應小室中 待測DNA片段樣品上的逐個位置進行循環采圖，因此需要位移模塊201在采圖過程中控制 反應小室按照逐個位置進行位移。例如，初始位置OCtl，Ytl),反應小室中待測DNA片段樣品 上對應的采圖位置有η行，每行有m個采圖位置，每個采圖位置之間的間距相等。那么第i 行第j個采圖位置的坐標表示為(Xij, Yij)，所有采圖位置的坐標可表示為(X11, Y11)、(X12,
Y12).......(XijjYij).......(乂^，丫一，其中“么！^均為正整數。在采圖時，位移模塊201
首先發送指令給樣品臺，讀取樣品臺在其所在平面上的初始位置坐標0(ο，Ytl),再發送指令 給樣品臺，控制樣品臺從(X0,Y0)平移到目的坐標(XujY11)；在(X11 π)位置聚焦、采圖完成 之后，位移模塊201發送指令給樣品臺，控制樣品臺從0(n，Y11)平移到目的坐標(Χ12，Y12)； 在(Χ12，Υ12)位置聚焦、采圖完成之后，位移模塊201發送指令給樣品臺，控制樣品臺從(Χ12， Y12)平移到目的坐標(Χ13，Υ13)。如此循環往復，通過對逐個位置的移動，實現大規模的圖像 采集。(2)聚焦模塊202用于控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中待測DNA片段 樣品的采圖位置。本發明中，聚焦模塊202可通過多種方式確定待測DNA片段樣品的采圖 位置，下面以圖2中描述的基因測序儀組件的情形為例進行說明。在一個實施例中，聚焦模塊202的具體控制過程是通過串口通信方式來實現的 聚焦模塊202首先發送指令給顯微鏡，控制顯微鏡在與樣品臺垂直方向上移動，通過調節 顯微鏡與反應小室之間的距離，將清晰度最佳的位置確定為采圖位置。在另一實施例中，聚焦模塊202發送指令給樣品臺，控制樣品臺在其所在平面的 垂直方向上移動，通過調節反應小室與顯微鏡之間的距離，將清晰度最佳的位置確定為采 圖位置。在上述兩個實施例中，聚焦模塊202可通過多種方式確定圖像清晰度最佳的位 置。例如，可通過顯微鏡鏡頭觀察對比的方式確定圖像清晰度最佳的位置，或者利用算法計 算圖像清晰度、利用算法自動調節圖像清晰度，等等。由上可知，位移模塊201可對微納米級的位移進行精確的自動控制，聚焦模塊202 可對聚焦調節、清晰度判斷等進行精確的自動控制，從而能快速、準確地確定最佳的采圖位 置，也因此提高了測序過程的穩定性、效率及準確性。圖5示出了圖2中的采圖控制單元300在一個實施例中的結構，包括激發模塊 301、拍照模塊302、圖像存取模塊303。其中(1)激發模塊301用于控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA片段樣品， 使其中的核苷酸攜帶的標記物發光。在本發明中，激發模塊301可通過多種方式使標記物 發光。在一個實施例中，基因測序儀中與采圖控制單元300對應的組件為前述圖2中描 述的情形，那么激發模塊301發送指令給發光裝置，開啟快門或光閘，使激發光的光線照射 到樣品臺上的反應小室。在本實施例中，反應小室中待測DNA片段樣品中微珠上核苷酸攜 帶的標記物為熒光標記物，其受到特定波長的光源激發后就可發出熒光。(2)拍照模塊302確定曝光時間，并采用所述曝光時間對反應小室中待測DNA片段 樣品拍照，獲取圖像信號。在本發明中，拍照模塊302可通過多種方式獲取圖像信號。
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在一個實施例中，基因測序儀中與采圖控制單元300對應的組件為前述圖2中描 述的情形，那么拍照模塊302首先確定合適的曝光時間值，然后發送指令給(XD，控制CXD按 照該曝光時間值拍攝熒光圖。本發明的拍照模塊302可通過多種方式確定合適的曝光時間值，例如根據情況進 行人為設置，或者設置為多次測序過程累積的曝光時間經驗值，或者通過算法計算出合適 的曝光時間值，等等。在此前現有技術的基因測序控制系統中，大部分采用了人為設置的方 式，本發明則具有多種可選模式，旨在根據不同的情況確定最佳的曝光時間值，從而提高圖 像信號的質量。(3)圖像存取模塊303與拍照模塊302進行通信，用于保存獲取的圖像信號。本發 明中圖像存取模塊303可采用多種格式存儲圖像信號。在前述實施例中，拍照模塊302控 制CCD拍攝熒光圖后，發送給圖像存取模塊303，圖像存取模塊303可以采用特殊的高保真 圖像存儲格式保存熒光圖，也可以采用普通的圖像存儲格式，例如TIFF、EPS、PNG、PSD或二 進制格式等。本發明的保護范圍不應受到圖像存儲格式的限制。由上可知，激發模塊301可對發光裝置發出的激發光的光路等進行精確控制，拍 照模塊302可對曝光時間值的確定、圖像拍攝等進行精確控制，圖像存取模塊303可采用最 佳的圖像格式存儲圖像信號，從而保證了所獲取的圖像信號的質量，極大地提高了測序結 果的準確性，且該自動化控制方式也提高了測序過程的穩定性和效率。本發明對基因測序儀的測序過程進行控制的方法流程基于圖1所示的系統，該系 統包括控制系統1，和與其相連的至少一個基因測序儀。具體內容參考前述圖1中的表述， 此處不再贅述。該方法流程包括如下步驟控制系統1控制基因測序儀將試劑導入反應小 室，并調節反應小室的溫度；控制系統1控制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應 小室中待測DNA片段樣品的采圖位置；控制系統1激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的 標記物發光，并在采圖位置獲取圖像信號。圖6示出了本發明一個實施例中對基因測序儀的測序過程進行控制的方法流程， 該方法流程基于前述圖2所示的系統。該系統包括控制系統1，和與其相連的至少一個基因 測序儀，具體內容此處不再贅述。應當說明的是，在執行該方法流程之前，待測DNA片段樣品已制備好，并排列到反 應小室中，該反應小室安裝在基因測序儀的樣品臺上。待測DNA片段樣品的制備過程是首 先從組織、血液、細菌等提取DNA，將其處理成長度相等的待測DNA片段，并連接接頭序列； 然后通過接頭序列與微珠上的引物結合，將待測DNA片段結合到微珠上；再制備成油包水 的單分子DNA片段擴增體系，使該體系中包含大量相互獨立的反應滴，每個反應滴包含一 個結合有待測DNA片段的微珠；然后對該油包水的體系進行PCR擴增，使每個微珠都結合多 個拷貝數目的DNA片段，而這些片段均來自于同一個待測DNA模板；再將反應滴中的微珠取 出，富集，并點樣排列到反應小室中，最后將反應小室安裝到基因測序儀的樣品臺上。圖6所示的方法流程包括以下步驟步驟Si，控制系統1利用其反應控制單元100控制基因測序儀將試劑導入反應小 室，并調節反應小室的溫度。關于步驟Sl的具體內容，將在其后的實施例中詳細闡述。步驟S2，控制系統1利用其定位控制單元200控制反應小室在基因測序儀中的移 動，并確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置。關于步驟S2的具體內容，將在其后的實施例中詳細闡述。步驟S3，控制系統1利用其采圖控制單元300激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜 帶的標記物發光，并在采圖位置獲取圖像信號。關于步驟S3的具體內容，將在其后的實施 例中詳細闡述。利用上述方法可以進行大規模的圖像采集，相比于一般的低通量測序方式而言具 有明顯優勢。本發明可通過對反應小室中待測DNA片段樣品上的逐個位置進行循環采圖， 來達到這一點。具體包括步驟S2，定位控制單元200控制反應小室在基因測序儀中逐次 移動，例如每次以一個微珠的間距進行移動，并確定每次移動后反應小室中待測DNA片段 樣品的采圖位置；步驟S3，采圖控制單元300激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記 物發光，并在所述每次移動后反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置對待測DNA片段樣 品獲取圖像信號。在具體應用中，圖6所示的上述方法對基因測序儀中對應的各組件分別進行自動 化操作，且能對不同組件進行有效的協調。更為重要的是，每項操作均充分考慮了基因測序 各階段的技術特點，包括步驟Sl對試劑劑量及類型、反應溫度、時間、潔凈度等的控制，步 驟S2對納米級位移、聚焦調節等的控制，步驟S3對發光強度、光路調節、曝光時間計算、圖 像拍攝等的控制，均按照嚴格指標進行精確的操作。因此上述方法能大幅度提高測序過程 的穩定性和效率，以及測序結果的準確性。此外通過控制基因測序儀進行大規模的圖像采 集，因此保證了足夠的測序通量。圖7示出了圖6中步驟Sl在一個實施例中的方法流程，該方法流程基于圖1、圖2 所示的系統。在該系統中，反應控制單元100包括試劑控制模塊101、溫控模塊102。步驟 Sl包括步驟S11，試劑控制模塊101控制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試 劑，導入反應小室。若基因測序儀中與反應控制單元100對應的組件為前述圖2中描述的 情形，則其控制過程是試劑控制模塊101確定不同階段所需取用的試劑類型，發送指令到 機械手，控制機械手移動到試劑臺上對應的試劑位置，并將固定于機械手上的軟管插入試 劑中；試劑控制模塊101發送指令到泵，控制泵運轉從而吸取試劑；試劑控制模塊101吸取 到所需的試劑后，發送指令到泵，繼續控制泵運轉將試劑打入反應小室。步驟S12，溫控模塊102將反應小室的溫度控制在反應所需的溫度。本發明中步驟 S12存在多種具體實現方式，下面將通過不同的實施例進行詳細闡述。在一個實施例中，以圖2中描述的基因測序儀組件的情形為例，步驟S 12通過串 口通信方式實現，具體過程是溫控模塊102發送指令給溫度傳感器，控制溫度傳感器對反 應小室的溫度進行檢測，并讀取溫度檢測結果t ；溫控模塊102中設置了不同反應階段的溫 度值T，當其獲得溫度檢測結果t后，則將其與設置的溫度值T進行對比；溫控模塊102進 一步根據對比結果進行處理，若t < T，溫控模塊102發送指令給溫控器中的升溫裝置，控制 溫控器中的升溫裝置啟動，給反應小室加熱，若t ^ T，則不需啟動升溫裝置加熱，升溫裝置 通過外部環境自動冷卻到溫度T。對于其他情形下的基因測序儀組件，控制原理一致，具體過程可能存在差異。例 如，在另一實施例中，若基因測序儀組件與圖2中描述的情形相比，溫控器除了包括用于檢 測反應小室溫度的溫度傳感器、給反應小室加熱的升溫裝置，還包括給反應小室制冷的降溫裝置。那么在這種情形下，步驟S12的實現過程為溫控模塊102發送指令給溫度傳感 器，控制溫度傳感器對反應小室的溫度進行檢測，并讀取溫度檢測結果t ；溫控模塊102中 設置了不同反應階段的溫度值T，當其獲得溫度檢測結果t后，則將其與設置的溫度值T進 行對比；溫控模塊102進一步根據對比結果進行處理，若t < T，溫控模塊102發送指令給 溫控器中的升溫裝置，控制溫控器中的升溫裝置啟動，給反應小室加熱，若t ^ T，溫控模塊 102發送指令給溫控器中的降溫裝置，控制溫控器中的降溫裝置啟動，對反應小室制冷。由圖7可知，步驟S11可對試劑類型、試劑劑量、吸取速度、打出速度等進行精確的 控制，步驟S12可對溫度檢測、溫度設置、加熱、制冷等進行嚴格控制，從而保證了反應小室 中的生化反應過程順利進行，也因此提高了整個測序過程的穩定性、效率及準確性。圖8示出了圖6中步驟S2在一個實施例中的方法流程。步驟S21，檢測反應小室在基因測序儀中的當前位置，并控制其移動到其所在平面 上的目標位置。本發明中，步驟S21可通過多種方式控制反應小室的移動。在一個實施例中，基因測序儀中與定位控制單元200對應的組件為前述圖2中描 述的情形，步驟S21是通過串口通信方式來實現的位移模塊201首先發送指令給樣品臺， 讀取樣品臺在其所在平面上的初始位置坐標，例如為( , Y0)；確定反應小室在其所在平面 上的目的坐標(X，Y)后，位移模塊201再發送指令給樣品臺，控制樣品臺從( , 平移到 目的坐標(X，Y)。在采圖過程中，為了控制基因測序儀進行大規模的圖像采集，需要對反應小室中 待測DNA片段樣品上的逐個位置進行循環采圖，因此需要位移模塊201在采圖過程中控制 反應小室按照逐個位置進行位移。例如，初始位置OCtl, Ytl),反應小室上對應的采圖位置有 η行，每行有m個采圖位置，每個采圖位置之間的間距相等。那么第i行第j個采圖位置
的坐標表示為OCij, Yij)，所有采圖位置的坐標可表示為(X11, Y11)、(X12, Y12)........(Xij,
Yij).......(乂吣丫一，其中“夂！^！！！均為正整數。在采圖時，位移模塊201首先發送指令
給樣品臺，讀取樣品臺在其所在平面上的初始位置坐標(Xd)，再發送指令給樣品臺，控制 樣品臺從(X0, Y0)平移到目的坐標(X11^ Y11)；在(X11 π)位置聚焦、采圖完成之后，位移模 塊201發送指令給樣品臺，控制樣品臺從(X11, Y11)平移到目的坐標(X12, Y12)；在(X12, Y12) 位置聚焦、采圖完成之后，位移模塊201發送指令給樣品臺，控制樣品臺從(Χ12，Υ12)平移到 目的坐標(Χ13，Υ13)。如此循環往復，通過對逐個位置的移動，實現大規模的圖像采集。步驟S22，控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖 位置。本發明中，步驟S22可通過多種方式確定待測DNA片段樣品的采圖位置，下面以圖2 中描述的基因測序儀組件的情形為例進行說明。在一個實施例中，步驟S22是通過串口通信方式來實現的聚焦模塊202首先發送 指令給顯微鏡，控制顯微鏡在與樣品臺垂直方向上移動，通過調節顯微鏡與反應小室之間 的距離，將清晰度最佳的位置確定為采圖位置。在另一實施例中，步驟S22仍然是通過串口通信方式來實現的聚焦模塊202發送 指令給樣品臺，控制樣品臺在其所在平面的垂直方向上移動，通過調節反應小室與顯微鏡 之間的距離，將清晰度最佳的位置確定為采圖位置。在上述兩個實施例中，步驟S22可通過 多種方式確定圖像清晰度最佳的位置。例如，可通過顯微鏡鏡頭觀察對比的方式確定圖像 清晰度最佳的位置，或者利用算法計算圖像清晰度、利用算法自動調節圖像清晰度，等等。
由上可知，步驟S21可對微納米級的位移進行精確的自動控制，步驟S22可對聚焦 調節、清晰度判斷等進行精確的自動控制，從而能快速、準確地確定最佳的采圖位置，也因 此提高了測序過程的穩定性、效率及準確性。圖9示出了圖6中步驟S3在一個實施例中的方法流程。步驟S31，控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA片段樣品，使其中的核 苷酸攜帶的標記物發光。在本發明中，步驟S31可通過多種方式實現。在一個實施例中，基因測序儀中與采圖控制單元300對應的組件為前述圖2中描 述的情形，那么步驟S31的實現過程是激發模塊301發送指令給發光裝置，開啟快門或光 閘，使激發光的光線照射到樣品臺上的反應小室。在本實施例中，待測DNA片段樣品中的微 珠上核苷酸攜帶的標記物為熒光標記物，其受到特定波長的光源激發后就可發出熒光。步驟S32，確定曝光時間，并采用該曝光時間對反應小室中待測DNA片段樣品拍 照，獲取圖像信號。在本發明中，步驟S32可通過多種方式實現。繼續在前述步驟S31的實施例中，基因測序儀中與采圖控制單元300對應的組件 為前述圖2中描述的情形，那么在步驟S32中，由拍照模塊302首先確定合適的曝光時間 值，然后發送指令給CCD，控制CCD按照該曝光時間值拍攝熒光圖。本發明的步驟S32可通過多種方式確定合適的曝光時間值，例如根據情況進行人 為設置，或者設置為多次測序過程累積的曝光時間經驗值，或者通過算法計算出合適的曝 光時間值，等等。在此前現有技術的基因測序控制系統中，大部分采用了人為設置的方式， 本發明則具有多種可選模式，旨在根據不同的情況確定最佳的曝光時間值，從而提高圖像 信號的質量。步驟S33，保存獲取的圖像信號。本發明中圖像存取模塊303可采用多種格式存儲 圖像信號。步驟S33可通過多種方式實現。繼續在前述步驟S31、S32的實施例中，步驟S33的實現方式是拍照模塊302將 CCD拍攝的熒光圖發送給圖像存取模塊303，圖像存取模塊303可以采用特殊的高保真圖像 存儲格式保存熒光圖，也可以采用普通的圖像存儲格式，例如TIFF、EPS、PNG、PSD或二進制 格式等。由上可知，步驟S31可對發光裝置發出的激發光的光路等進行精確控制，步驟S32 可對曝光時間值的確定、圖像拍攝等進行精確控制，步驟S33可采用最佳的圖像格式存儲 圖像信號，從而保證了所獲取的圖像信號的質量，極大地提高了測序結果的準確性，且該自 動化控制方式也提高了測序過程的穩定性和效率。為了更加清楚地闡釋本發明，申請人將以一個具體的實驗過程為例說明一個公知 的基因測序的全過程，圖10是一個可作參考的示意圖。該應用場景是采用一種公知的測序 方法對DNA進行測序(1)將結合有攜帶3’端修飾的待測DNA片段的微珠沉積于上樣玻片，對于大量微 珠，則是將微珠矩陣點樣于玻片，在點樣過程中可對微珠密度進行調節，以達到最大通量。(2)向反應小室中加入DNA連接酶、通用測序引物η和具有3’ -ΧΧηηηζζζ-5'結構 的八聚核苷酸。在這個八聚核苷酸中，第1和第2位(XX)上的堿基是確定的，并根據種類 的不同在第6-8位(ΖΖΖ)上加了不同的熒光標記。這種由兩個堿基決定的測序方法被稱為 兩堿基測序(two base encoding)。
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(3)當八聚核苷酸由于第1和第2位配對而被連接酶連接上時，經特定波長的光激 發，會發出熒光。(4)在記錄下熒光信息后，通過化學方法在第5和第6位之間進行切割，淬滅熒光 信號，以進行下個位置的測序。通過這種方法，每次測序的位置都相差五位，即第一次測第1和第2位，第二次測
第6和第7位......在測到末尾后，將新合成的鏈變性、洗脫。而后用通用測序引物n-1進
行第二輪測序。通用測序引物n-1與通用測序引物η的差別是，二者在與接頭配對的位置上 相差一個堿基，即通用測序引物n-1在通用測序引物η配對位置上向3’端移動了一個堿基。
因此在加入DNA連接酶和八聚核苷酸后，可以測定第0和第1位、第5和第6位......第二
輪測序完成后，接下來再分別加入通用測序引物η-2、通用測序引物η-3、通用測序引物η-4 進行第三輪、第四輪、第五輪測序，最終可以完成全部位置的測定。上述的測序過程，每一輪都涉及多次試劑取用、溫度調控、時間控制等，不論是單 純的人工操作，還是人工控制儀器操作，均無法充分保證實驗的穩定性、效率及準確性。而 利用本發明的控制方法及系統，只需把制備好的待測DNA片段樣品設置在基因測序儀的反 應小室中，選擇針對不同樣品的測序模式，就可以使基因測序儀自動運行上述各個步驟，無 需手工操作。上樣后經過基因測序儀的自動測序過程，可快速采集到圖像信號。需要說明 的是，圖10所示的基因測序的全過程僅為某種情形下的測序過程，本發明對基因測序儀的 控制系統及控制方法并不限定采用何種測序流程及測序方法。應當說明的是，本發明的方法及系統適用于對各種類型的基因測序儀的測序過程 進行自動化控制，即便不同類型的基因測序儀在具體內部結構上可能存在差異，但上述的 控制系統及控制方法在根本原理上是一致或類似的，因此本發明的保護范圍不應受到不同 類型基因測序儀的內部結構的限制。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其中待測DNA片段樣品設置在基因 測序儀的反應小室中，其特征在于，所述系統包括反應控制單元、定位控制單元、采圖控制 單元；所述反應控制單元用于控制基因測序儀將試劑導入反應小室，并在測序過程中調節反 應小室的溫度；所述定位控制單元用于控制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應小室中待測 DNA片段樣品的采圖位置；所述采圖控制單元用于激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述 采圖位置獲取圖像信號。
2.根據權利要求1所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其特征在于，在 采圖過程中，所述系統控制基因測序儀對反應小室中待測DNA片段樣品上的逐個位置進行 循環采圖；所述定位控制單元控制反應小室在基因測序儀中逐次移動，并確定每次移動后反應小 室中待測DNA片段樣品的采圖位置；所述采圖控制單元激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述每次 移動后反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置獲取圖像信號。
3.根據權利要求1所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其特征在于，所 述反應控制單元包括試劑控制模塊、溫控模塊；所述試劑控制模塊用于控制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試劑，導入反 應小室；所述溫控模塊用于將反應小室的溫度控制在反應所需的溫度。
4.根據權利要求1或2所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其特征在于， 所述定位控制單元包括位移模塊、聚焦模塊；所述位移模塊用于檢測反應小室在基因測序儀中的當前位置，并控制其移動到其所在 平面上的目標位置；所述聚焦模塊用于控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中待測DNA片段樣品的 采圖位置。
5.根據權利要求4所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其特征在于，所 述聚焦模塊通過調節顯微鏡與反應小室之間的距離，將清晰度最佳的位置確定為采圖位置。
6.根據權利要求1或2所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的系統，其特征在于， 所述采圖控制單元包括激發模塊、拍照模塊、圖像存取模塊；所述激發模塊用于控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA片段樣品，使待測 DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光；所述拍照模塊確定曝光時間，并采用所述曝光時間對反應小室中待測DNA片段樣品拍 照，獲取圖像信號；所述圖像存取模塊與拍照模塊進行通信，用于保存獲取的圖像信號。
7.一種基于權利要求1所述系統對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其中待測 DNA片段樣品設置在基因測序儀的反應小室中，其特征在于，所述方法包括以下步驟A.控制基因測序儀將試劑導入反應小室，并調節反應小室的溫度；B.控制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖 位置；C.激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述采圖位置獲取圖像信號。
8.根據權利要求7所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其特征在于，在 采圖過程中，對反應小室中待測DNA片段樣品上的逐個位置進行循環采圖，包括以下步驟B’ .控制反應小室在基因測序儀中逐次移動，并確定每次移動后反應小室中待測DNA 片段樣品的采圖位置；C’ .激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述每次移動后反應小 室中待測DNA片段樣品的采圖位置獲取圖像信號。
9.根據權利要求7所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其特征在于，所 述步驟A包括Al.控制基因測序儀對試劑進行選擇，并吸取對應的試劑，導入反應小室； A2.將反應小室的溫度控制在反應所需的溫度。
10.根據權利要求8所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其特征在于，所 述步驟B或B’包括Bi.檢測反應小室在基因測序儀中的當前位置，并控制其移動到其所在平面上的目標 位置；B2.控制基因測序儀的焦距調節，確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置。
11.根據權利要求10所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其特征在于， 所述步驟B2包括通過調節顯微鏡與反應小室之間的距離，將清晰度最佳的位置確定為采圖位置。
12.根據權利要求8所述的對基因測序儀的測序過程進行控制的方法，其特征在于，所 述步驟C或C’包括Cl.控制特定波長的激發光照射反應小室中待測DNA片段樣品，使待測DNA片段樣品中 核苷酸攜帶的標記物發光；C2.確定曝光時間，并采用所述曝光時間對反應小室中待測DNA片段樣品拍照，獲取圖 像信號；C3.保存獲取的圖像信號。
全文摘要
本發明涉及基因工程領域，提供了一種對基因測序儀的測序過程進行控制的方法及系統。所述系統包括反應控制單元、定位控制單元、采圖控制單元，其中待測DNA片段樣品設置在基因測序儀的反應小室中。所述方法包括以下步驟A.控制基因測序儀將試劑導入反應小室，并調節反應小室的溫度；B.控制反應小室在基因測序儀中的移動，并確定反應小室中待測DNA片段樣品的采圖位置；C.激發待測DNA片段樣品中核苷酸攜帶的標記物發光，并在所述采圖位置獲取圖像信號。本發明通過對基因測序的測序過程進行自動化控制，不僅提高了測序過程的穩定性和效率，而且提高了測序結果的準確性。此外通過控制基因測序儀進行大規模的圖像采集，因此保證了足夠的測序通量。
文檔編號C12Q1/68GK102146442SQ20101062130
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者盛司潼 申請人:深圳華因康基因科技有限公司