用于通過子像素對準使高密度生化陣列成像的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于對高密度生化陣列成像的系統(tǒng)和相關方法包括一個或多個成像通道和相應的一個或多個時間延遲積分型成像相機，其中成像通道共用公共的物鏡，時間延遲積分型成像相機具有光學對準機構，其允許四個自由度X、Y、旋轉(zhuǎn)和比例中每一個進行獨立的通道內(nèi)調(diào)整和通道間調(diào)整。成像通道被配置成獨立檢查生化陣列中圖像的不同光譜。
【專利說明】用于通過子像素對準使高密度生化陣列成像的方法和系統(tǒng)
[0001]發(fā)明背景
[0002]本公開一般涉及用于高密度生化陣列的成像系統(tǒng)的領域。
[0003]高密度生化陣列和相關的機器允許多個生化實驗(有時為數(shù)十億)并行進行。這種能力是通過以極小體積進行每次實驗并將實驗非常緊密地封裝在一起的技術發(fā)展積累獲得的。為了有效地觀察實驗，需要與其他高技術產(chǎn)業(yè)中的小型化進步相似的進步。具體地，需要的是快速、準確、可重復且耐用的用于生化陣列的成像技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明，用于對高密度生化陣列成像的系統(tǒng)和相關方法包括一個或多個成像通道和相應的一個或多個時間延遲積分型成像相機，其中一個或多個成像通道共用公共的物鏡，時間延遲積分型成像相機具有光學對準機構，其允許四個自由度:χ、Y、旋轉(zhuǎn)和比例中每一個進行獨立的通道內(nèi)和通道間調(diào)整。成像通道被配置成獨立檢查生化陣列中的圖像的不同波長。
[0005]通過參考以下參照附圖的詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1A為第一多通道生化陣列成像系統(tǒng)的示意圖。
[0007]圖1B為第二多通道生化陣列成像系統(tǒng)的示意圖。
[0008]圖1C為第三多通道生化陣列成像系統(tǒng)的示意圖。
[0009]圖1D為第四多通道生化陣列成像系統(tǒng)的示意圖。
[0010]圖2為橫向偏移板的示意圖。
[0011]圖3示出X和Y偏移。
[0012]圖4示出X和Y的對準誤差。
[0013]圖5為使用時間延遲積分對具有像素陣列的點進行成像的概念圖。
[0014]圖6為圖5的時間延遲積分成像的結(jié)果的概念圖。
[0015]圖7示出了在對準前兩個相機、載物片和定位臺之間的轉(zhuǎn)動對準關系。
[0016]圖8示出了在對準后兩個相機、載物片和定位臺之間的轉(zhuǎn)動對準關系。
[0017]圖9示出了在載物片對準中使用的參考框。
【具體實施方式】
[0018]人類基因組研究和生化陣列的其他用途需要先進的成像系統(tǒng)來實現(xiàn)商業(yè)上可行的數(shù)據(jù)采集率。除其他因素外，每單位時間的可采集數(shù)據(jù)的生化實驗的次數(shù)取決于陣列密度和圖像獲取速度。增加的陣列密度會使圖像獲取問題復雜化，因為其使得對圖像中的每個實驗(數(shù)以百萬計)的特性保持跟蹤具有挑戰(zhàn)性。
[0019]對于DNA陣列，所需的數(shù)據(jù)通常為四進制的；核苷酸可為A、C、G或T。這些可能性標有一組四個不同顏色的熒光分子標記。每個熒光標記吸收一定波長的光并發(fā)出較長波長的光。多通道成像儀同時采集四種可能波長范圍中盡可能多的波長的數(shù)據(jù)。
[0020]圖1A至圖1D為多通道生化陣列成像系統(tǒng)。這些多通道系統(tǒng)中的每個成像通道對于圖像旋轉(zhuǎn)、X和y偏移以及比例(放大率)均都具有其自身獨立的調(diào)整，在下文中被稱為通道內(nèi)和通道間調(diào)整的獨立性。圖1A示出了雙通道系統(tǒng)。圖1B和圖1C示出了具有調(diào)整X和I圖像偏移的替代裝置的圖1A的系統(tǒng)。圖1D示出了多個四自由度的成像通道可如何被添加至多通道系統(tǒng)。
[0021]圖1A的系統(tǒng)具有兩個同時成像的通道，其中每個通道具有用于圖像調(diào)整的四個自由度:旋轉(zhuǎn)、X和y偏移以及比例或放大率。高精度定位臺掃描顯微鏡物鏡下的載物片，載物片以旋轉(zhuǎn)對稱軸表征。
[0022]在圖1A中，常規(guī)的時間延遲積分(TDI, time delay integration)式相機105安裝在旋轉(zhuǎn)臺102上。相機105可根據(jù)系統(tǒng)進行的何種操作而以TDI模式或全幀模式操作。橫向偏移板110移動相機105中的圖像位置。鏡筒透鏡117和輔助透鏡115共同形成變焦透鏡系統(tǒng)以聚焦并改變相機105中的圖像的尺寸。旋轉(zhuǎn)臺102被配置成將TDI相機105繞共同的旋轉(zhuǎn)對稱軸線106轉(zhuǎn)動，以使TDI相機105的內(nèi)部CCD陣列(未示出)相對于樣本145定向使得能夠沿掃描軸線104 (穿過圖的平面)適當?shù)貙颖?45進行掃描。相機105、旋轉(zhuǎn)臺102、板110以及由鏡筒透鏡117和輔助透鏡115形成的變焦透鏡系統(tǒng)共同形成一個獨立成像通道139。第二獨立成像通道140包括第二相機、偏移板和變焦透鏡系統(tǒng)，第二相機安裝在旋轉(zhuǎn)臺上。分束器和濾波器組件127將不同波長的光引導至不同的成像通道139、140。在圖1A中僅示出了一個分束器/濾波器組件127。然而，在系統(tǒng)的其他實施方式中，額外的分束器和/或濾波器可通過機器人移入或移出機械系統(tǒng)。塊125表示自動聚焦和照明系統(tǒng)。所有成像通道共用的顯微鏡物鏡130被聚焦在生化陣列載物片形式的樣本145上，生化陣列載物片安裝在包括旋轉(zhuǎn)臺135和X-Y臺137的定位臺上。
[0023]由熒光標記的生物分子所發(fā)出的光通過顯微鏡物鏡采集并根據(jù)波長被聚焦至一個或其他TDI相機中的像素上。具有兩個成像通道的系統(tǒng)可同時記錄兩個波長范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。不同的二色性或多色性分束器和/或濾波器127的替換允許在另外的波長“范圍(bin)”內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)被采集。每個成像通道具有其自身的變焦透鏡系統(tǒng)以調(diào)整圖像焦點和放大率。這樣的調(diào)整例如通常在更換二色性濾波器時進行。每個相機可獨立旋轉(zhuǎn)，陣列載物片還可在其X-Y定位系統(tǒng)的頂部旋轉(zhuǎn)。
[0024]變焦系統(tǒng)是非典型的，其提供了受約束且非常有限的放大率(比例)調(diào)整范圍，但以很高精度和穩(wěn)定性進行此調(diào)整。透鏡115和117安裝在精密臺上(未示出)，精密臺使透鏡115和117以I微米步長沿透鏡軸線移動。在示例性的系統(tǒng)中，焦距和f2分別為約500mm和165mm，并且其最大比例改變不超過3%。該精密的變焦系統(tǒng)允許標定16X的顯微鏡的放大率逐步調(diào)整至約0.00009X那么小，并同時保持聚焦。
[0025]圖1B示出了圖1A的系統(tǒng)的變型。在圖1B中，鏡子111取代了圖1A的偏移板110。鏡子提供了使相機105中的圖像偏移的替代裝置。出于清楚顯示的目的，在圖1B中未示出第二成像通道140。
[0026]圖1C示出了圖1A和圖1B的系統(tǒng)的變型。在圖1C中，相機105被安裝在χ-y定位臺103以及旋轉(zhuǎn)臺102上。在圖1C的系統(tǒng)的通道中既沒有包含偏移板(例如圖1A中的110)，也沒有包含偏移鏡(例如圖1B中的111)。相反地，機械x-y定位臺103為相機105提供橫向偏移控制。
[0027]圖1D示出了與圖1A至圖1C所示的那些類似的系統(tǒng)可如何被構造成具有任意數(shù)量的成像通道，每個成像通道具有能夠彼此獨立調(diào)整的參數(shù)并且每個通道還能夠獨立于任意其他通道進行調(diào)整以使得在一個通道中的調(diào)整不影響其他通道。這種通道內(nèi)和通道間調(diào)整的獨立性在本文中被稱為四自由度成像通道獨立性。在圖1D中，分束器/濾波器組件128和129將不同波長的光分別引導至成像通道141和142。每個成像通道可包含用于圖像旋轉(zhuǎn)、X和I偏移、以及比例或放大率的獨立調(diào)整。X和y偏移控制可通過傾斜板(例如板110)、鏡子(例如鏡子111)、時間延遲積分脈沖定時(如下所述)或技術組合來實現(xiàn)。下面將參照圖2更詳細地描述橫向偏移板。
[0028]圖2為橫向偏移板110的示意圖。板110使相機105中圖像的位置移動。在圖2中，示出了光束150穿過板110并呈現(xiàn)為光束152。因為光束以非垂直入射的方式穿過板，所以其位置偏移了 ΛΧ量，Λ X量由下式給出:
【權利要求】
1.顯微鏡，包括: 時間延遲積分式相機，用于通過沿與旋轉(zhuǎn)對稱軸線垂直的掃描軸線掃描樣本來產(chǎn)生整體圖像； 物鏡，用于將所述樣本的圖像沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線引導至所述時間延遲積分式相機；旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)臺支持所述時間延遲積分式相機，所述旋轉(zhuǎn)臺能夠在所述時間延遲積分式相機處繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線獨立旋轉(zhuǎn)； 樣本定位臺，所述樣本定位臺能夠在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的平面中獨立旋轉(zhuǎn)并能夠在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的所述平面中獨立地在X和Y方向上平移； 具有受約束放大能力的變焦透鏡系統(tǒng)，所述變焦透鏡系統(tǒng)用于獨立地改變沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線被引導至所述時間延遲成像相機的所述圖像的比例；以及 沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的橫向偏移系統(tǒng)，所述橫向偏移系統(tǒng)用于獨立地移動所述相機中的所述圖像在垂直于所述掃描軸線的平面中的位置。
2.如權利要求1所述的顯微鏡，其中，所述變焦透鏡系統(tǒng)包括鏡筒透鏡和輔助透鏡。
3.如權利要求1所述的顯微鏡，其中，所述橫向偏移系統(tǒng)包括被安裝至振鏡機構的傾斜透明板。
4.如權利要求1所述的顯微鏡，其中，所述橫向偏移系統(tǒng)包括使所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線改變方向的鏡子。
5.顯微鏡,包括: 第一成像通道； 第二成像通道； 分束器，用于將具有第一選擇光譜的圖像引導至所述第一成像通道和將具有第二選擇光譜的圖像引導至所述第二成像通道； 物鏡，具有旋轉(zhuǎn)對稱軸線；以及 樣本定位臺，所述樣本定位臺能夠在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的平面中獨立旋轉(zhuǎn)并能夠在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的所述平面中獨立地在X和Y方向上平移； 其中，所述第一成像通道包括: 第一時間延遲積分式相機，用于通過沿與旋轉(zhuǎn)對稱軸線垂直的掃描軸線掃描樣本來產(chǎn)生整體圖像； 第一旋轉(zhuǎn)臺，該旋轉(zhuǎn)臺支持所述時間延遲積分式相機，該旋轉(zhuǎn)臺能夠在所述時間延遲積分式相機處繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線獨立旋轉(zhuǎn)； 第一鏡筒透鏡和輔助透鏡，形成具有受約束放大能力的變焦透鏡系統(tǒng)，該變焦透鏡系統(tǒng)用于獨立地改變沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線被引導至所述時間延遲成像相機的所述圖像的比例；以及 沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的第一橫向偏移系統(tǒng)，所述第一橫向偏移系統(tǒng)用于獨立地移動所述相機中的所述圖像在垂直于所述掃描軸線的平面中的位置，以及 第二時間延遲積分式相機，用于通過沿與旋轉(zhuǎn)對稱軸線垂直的掃描軸線掃描樣本來產(chǎn)生整體圖像； 第二旋轉(zhuǎn)臺，該旋轉(zhuǎn)臺支持所述時間延遲積分式相機，該旋轉(zhuǎn)臺能夠在所述時間延遲積分式相機處繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線獨立旋轉(zhuǎn)；第二鏡筒透鏡和輔助透鏡，形成具有受約束放大能力的變焦透鏡系統(tǒng)，該變焦透鏡系統(tǒng)用于獨立地改變沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線被引導至所述時間延遲成像相機的所述圖像的比例；以及 沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的第二橫向偏移系統(tǒng)，該橫向偏移系統(tǒng)用于獨立地移動所述相機中的所述圖像在垂直于所述掃描軸線的平面中的位置。
6.如權利要求5所述的顯微鏡，還包括: 多色性濾波器系統(tǒng)，所述多色性濾波器系統(tǒng)沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線設置以使第一光經(jīng)過所述第一成像通道并使第二光經(jīng)過所述第二成像通道，所述第一光的波長與第一熒光染料的發(fā)射光譜相對應，所述第二光的波長與第二熒光染料的發(fā)射光譜相對應。
7.如權利要求6所述的顯微鏡，其中，所述多色性濾波器系統(tǒng)被配置成阻擋所述第一光進入所述第二成像通道并阻擋所述第二光進入所述第一成像通道。
8.如權利要求6所述的顯微鏡,其中,所述第一橫向偏移系統(tǒng)包括第一振鏡機構,所述第二橫向偏移系統(tǒng)包括第二振鏡機構。
9.用于對準顯微鏡的方法，包括: (a)提供突光顯微鏡,所述突光顯微鏡包括: χ-y定位臺，用于操作樣本結(jié)構中的生化實驗的平面陣列；以及 時間延遲積分式相機，具有帶旋轉(zhuǎn)定向的CCD成像陣列； (b)沿旋轉(zhuǎn)對稱軸線獲取所述樣本結(jié)構中的生化實驗陣列的CCD成像陣列上的圖像； (c)計算相機成像陣列繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線與所述生化陣列之間的第一角度； (d)計算所述生化陣列繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線與所述χ-y定位臺之間的第二角度； (e)將所述陣列旋轉(zhuǎn)所述第二角度以使所述生化陣列與定位臺對準；以及 Cf)將所述相機旋轉(zhuǎn)在步驟(c)與(d)中得到的角度之和以使所述相機CCD成像陣列與所述x-y定位臺對準。
10.如權利要求9所述的方法，還包括: (g)重復步驟(c)和(d)以確定所述相機CXD陣列與所述生化陣列之間的第一角度和所述生化陣列與所述x-y定位臺之間的第二角度為零；以及，如果所述第一角度或所述第二角度不為零，則重復步驟(a)至(g)。
11.如權利要求9所述的方法，還包括在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的平面中將所述生化陣列相對于所述相機成像陣列進行平移。
12.如權利要求9所述的方法，還包括在垂直于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線的平面中通過改變放大率將所述生化陣列的圖像相對于所述相機成像陣列進行縮放。
13.如權利要求9所述的方法，還包括引導所述生化陣列的圖像穿過多色性濾波器系統(tǒng)，所述多色性濾波器系統(tǒng)沿所述旋轉(zhuǎn)對稱軸線設置以使第一光經(jīng)過具有所述相機成像陣列的第一成像通道并使第二光經(jīng)過第二成像通道，所述第一光的波長與第一熒光染料的發(fā)射光譜相對應，所述第二光的波長與第二熒光染料的發(fā)射光譜相對應。
【文檔編號】G02B21/36GK103635848SQ201180051638
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2011年10月13日 優(yōu)先權日:2010年10月26日
【發(fā)明者】布賴恩·P·斯泰克, 克雷格·E·烏里奇 申請人:考利達基因組股份有限公司