掃描照明技術(shù)的制作方法
【專利摘要】提供了用于生物材料的高速、高分辨率成像的成像系統(tǒng)。在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)包括物鏡部件、條發(fā)生器、數(shù)碼相機、定位臺和掃描鏡。條發(fā)生器生成橫跨安裝在定位臺上的底物的一部分被掃描的光條。定位臺在大體上垂直于物鏡部件的光學(xué)軸的特定方向上移動底物。相機收集通過物鏡部件的底物的一部分的圖像。當(dāng)橫跨底物的一部分對光條進(jìn)行掃描并且在特定方向上移動底物時，掃描鏡與定位臺配合移動，以當(dāng)相機收集圖像時，使圖像相對于相機保持靜止。
【專利說明】掃描照明技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及成像系統(tǒng)并且更具體地涉及在平面陣列中對生物材料進(jìn)行高 速、高分辨率成像的成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 從生物實驗的圖像中獲得有用的數(shù)據(jù)需要高的空間分辨率、精確度和速率。這種 圖像通常需要以足夠大的放大率來獲得以使單個實驗被清楚分辨。同時，圖像需要覆蓋足 夠大的視野以使得實驗被正確識別。對于大型研宄，成像和圖像處理必需足夠快速地進(jìn)行 以便商業(yè)上可實行。
[0003] 步進(jìn)重復(fù)成像器和時間延遲積分（TDI)成像器是能夠用于對生物化學(xué)實驗成像 的兩大成像系統(tǒng)。雖然對于一些應(yīng)用而言，這兩種類型的系統(tǒng)可以進(jìn)行得相當(dāng)好，但是對于 其他應(yīng)用而言，它們面臨對整體吞吐量產(chǎn)生不利影響的一些結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷。例如，涉 及大型生物化學(xué)實驗研宄（例如，大規(guī)模并行全基因組測序）的應(yīng)用通常需要比步進(jìn)重復(fù) 和TDI成像系統(tǒng)當(dāng)前能夠提供的整體吞吐量高的整體吞吐量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明，提供了用于生物材料的高速、高分辨率成像的成像系統(tǒng)。在示例性實 施方式中，成像系統(tǒng)包括物鏡部件、行發(fā)生器（line generator)、數(shù)碼相機、定位臺和掃描 鏡。條發(fā)生器生成光條（a line of light)，該光條被掃描橫跨安裝在定位臺上的底物的一 部分。定位臺在大體上垂直于物鏡部件的光學(xué)軸的特定方向上移動底物。相機收集通過物 鏡部件的底物的一部分的圖像，其中，相機采用在內(nèi)部掃描其電子傳感器并產(chǎn)生表示二維 圖像的小部分的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的串行讀出的電路。當(dāng)橫跨底物的一部分掃描該光條并且在特定 方向上移動底物時，掃描鏡與定位臺配合移動，從而在圖像被相機收集時，使圖像相對于相 機保持靜止。
[0005] 通過參照以下詳細(xì)說明與其附圖更好地理解本發(fā)明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1A是示出了根據(jù)一個實施方式在使用掃描照明的示例性成像系統(tǒng)中的一些部 件的框圖。
[0007] 圖1B是根據(jù)示例性實施方式的掃描鏡角度時序圖。
[0008] 圖1C是根據(jù)一個實施方式的顯微鏡視野內(nèi)的成像區(qū)域的示例性細(xì)節(jié)圖。
[0009] 圖2是根據(jù)一個實施方式以滾動讀出模式工作的示例的圖形。
[0010] 圖3是示例性曝光區(qū)域和讀出區(qū)域的圖形。
[0011] 圖4是根據(jù)示例性實施方式的鏡角度、曝光時序和讀出時序的圖形。
[0012] 圖5是根據(jù)示例性實施方式的示例性分開讀出相機傳感器的圖形。
[0013] 圖6A和圖6B是根據(jù)示例性實施方式在滾動讀出模式中的曝光區(qū)域和讀出區(qū)域的 并行操作的圖形。
[0014]圖7A和圖7B是根據(jù)示例性實施方式在滾動讀出模式中的曝光區(qū)域和讀出區(qū)域的 反并行操作的圖形。
[0015] 圖8是根據(jù)一個實施方式使用掃描照明對底物成像的示例性方法。
[0016] 圖9A和9B示出了示例性測序系統(tǒng)。
[0017]圖10示出了能夠用于測序機和/或計算機系統(tǒng)中或與測序機和/或計算機系統(tǒng) 結(jié)合的示例性計算裝置。

【具體實施方式】
[0018] 在本公開中，許多具體細(xì)節(jié)被闡述以提供對于本發(fā)明更透徹的理解。然而，本發(fā)明 可以在不利用這些具體細(xì)節(jié)中的一個或多個的情況下實施對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見。 在其他情況下，未對本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的特征和程序進(jìn)行描述以免混淆本發(fā)明。本公 開描述可用于進(jìn)行各種成像和/或掃描操作（例如，用于觀察和/或記錄生物化學(xué)實驗和 其他生物化學(xué)反應(yīng)的操作）的掃描照明技術(shù)的實施方式。
[0019] 概沭
[0020] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法包括以下步驟：在成像系統(tǒng)中，利 用數(shù)碼相機收集底物的一部分的圖像，其中該圖像跨越相機中的傳感元件的多個像素行； 當(dāng)相機收集底物的該一部分的圖像時，執(zhí)行以下步驟：橫跨底物的一部分掃描光條從而曝 光由圖像所跨越的第一至少一行像素，同時使由圖像跨越的第二至少一行像素保持黑暗， 以及讀出第一至少一行像素，同時繼續(xù)橫跨底物的一部分掃描該光條從而曝光第二至少一 行像素。
[0021] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法還包括：移動成像系統(tǒng)的物鏡部 件下方的底物；改變掃描鏡的角度，使得由物鏡部件獲取的底物的一部分的圖像在底物移 動時相對于相機保持靜止。在一個方面，當(dāng)?shù)孜镌诖怪庇谖镧R部件的光軸的方向上移動時 執(zhí)行讀出第一至少一行像素。在另一方面，與橫跨底物的一部分掃描光條相配合來執(zhí)行改 變掃描鏡的角度。在另一方面，改變掃描鏡的角度包括在第一時間間隔期間橫跨底物的一 部分掃描該光條進(jìn)行以及在第二時間間隔期間使掃描鏡恢復(fù)至初始位置，其中該方法還包 括在第二時間間隔期間中止橫跨底物的一部分掃描該光條。在一些方面，第一時間間隔大 于第二時間間隔。
[0022] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法還包括通過改變照明鏡的角度來 橫跨底物的一部分掃描光條以將來自行發(fā)生器的光反射至底物的一部分上。在一個方面， 改變照明鏡的角度包括使照明鏡傾斜的伺服機構(gòu)，在另一方面，該方法還包括：移動成像系 統(tǒng)的物鏡部件下方的底物；以及改變掃描鏡的角度使得在底物移動時通過物鏡部件獲取的 底物的一部分的圖像相對于相機保持靜止，其中改變掃描鏡的角度與改變照明鏡的角度配 合進(jìn)行。
[0023] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法還包括在曝光第一至少一行像素 的步驟與讀出第一至少一行像素的步驟之間使第一至少一行像素保持黑暗。
[0024] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法包括操作相機，其中相機包括至 少具有兩部分的分開讀出（split-readout)傳感器，并且對光條進(jìn)行掃描的步驟與讀出步 驟在傳感器的每個部分中獨立地執(zhí)行。例如，在一個方面，一個部分中的掃描步驟和讀出步 驟與另一部分中的掃描步驟和讀出步驟并行執(zhí)行，而在另一方面，一個部分中的掃描步驟 和讀出步驟與另一部分中的掃描步驟和讀出步驟反并行執(zhí)行。
[0025] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法包括操作被配置成以相關(guān)雙采樣 模式操作的相機。在一些實施方式中，讀出步驟以滾動讀出模式執(zhí)行。在一些實施方式中， 該光條具有適合于激發(fā)熒光的波長，同時相機中的像素通過具有與熒光發(fā)射相對應(yīng)的波長 的光曝光。
[0026] 在示例性實施方式中，當(dāng)相機收集底物的一部分的圖像時，用于操作成像系統(tǒng)的 方法還包括讀出第二至少一行像素同時繼續(xù)橫跨底物掃描一行光從而曝光由圖像跨越的 第三至少一行像素，其中第三至少一行像素不同于第二至少一行像素。在一個方面，第三至 少一行像素不同于第一至少一行像素。
[0027] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法包括操作以全幀模式操作的 CMOS ( "互補金屬氧化物半導(dǎo)體"）相機和非CMOS相機中的一個。在一些實施方式中，相機 以55 %至90 %的讀出效率操作。在一些實施方式中，該相機以90 %或更大的讀出效率操 作。在一些實施方式中，相機以每秒1，〇〇〇線至每秒1，〇〇〇, 〇〇〇線的線速率操作。在一些 實施方式中，相機具有100, 000像素至1億像素的多個相機像素。
[0028] 在示例性實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法還包括在成像系統(tǒng)的物鏡部件之 下以100 ym/秒至1，000_/秒的速度沿垂直于物鏡部件的光學(xué)軸的方向移動底物。
[0029] 在一些實施方式中，用于操作成像系統(tǒng)的方法使底物成像，該底物包括具有布置 在其上的靶核酸的陣列。在其他實施方式中，該方法包括使底物成像，該底物包括作為成像 目標(biāo)的眾多鮮明特征。
[0030] 在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)包括物鏡部件、條發(fā)生器、相機、定位臺和掃描鏡。 條發(fā)生器生成橫跨安裝（或者放置）在定位臺上的底物的一部分掃描的光條。定位臺沿基 本上垂直于物鏡部件的光學(xué)軸的特定方向移動底物。相機通過物鏡部件收集底物的一部分 的圖像。當(dāng)橫跨底物的一部分掃描光條并且在特定方向上移動底物時，掃描鏡與定位臺配 合移動，以在通過相機收集圖像時使圖像相對于相機保持靜止。
[0031] 在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)還包括照明鏡和計算機邏輯，其中圖像跨越相機 中的多個像素行，并且其中當(dāng)相機收集底物的一部分的圖像時：照明鏡橫跨底物的一部分 掃描光條以曝光由圖像跨越的第一至少一行像素，同時使由圖像跨越的第二至少一行像素 保持黑暗；以及計算機邏輯讀出第一至少一行像素，同時照明鏡繼續(xù)橫跨底物的一部分掃 描光條以曝光第二至少一行像素。
[0032] 在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)還包括照明鏡，該照明鏡將來自條發(fā)生器的光條 掃描至底物的一部分上，其中當(dāng)橫跨底物的一部分掃描光條并且在特定的方向上移動底物 時掃描鏡與照明鏡配合移動。在一個方面，成像系統(tǒng)還包括：第一伺服機構(gòu)，其改變照明鏡 的角度以橫跨底物的一部分掃描光條；以及第二伺服機構(gòu)，其與改變照明鏡的角度相配合 地改變掃描鏡的角度。在一個方面，第二伺服機構(gòu)在第一時間間隔期間改變掃描鏡的角度， 在第一時間間隔中，橫跨底物的一部分掃描光條；并且第二伺服機構(gòu)在第二時間間隔期間 將掃描鏡返回至初始位置，在第二時間間隔中，不橫跨底物的一部分掃描光條，其中第二時 間間隔比第一時間間隔更短。
[0033] 在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)還包括分色鏡，其中分色鏡至少被操作成：(a)將 光條從照明鏡反射至掃描鏡上以照明底物的一部分；以及（b)使由物鏡部件獲取并由掃描 鏡反射的光通過相機。
[0034] 在示例性實施方式中，成像系統(tǒng)包括相機，該相機包括具有可獨立于彼此曝光并 讀出的至少兩個部分的分開讀出傳感器。
[0035]在一些實施方式中，成像系統(tǒng)包括以全幀模式操作的CMOS相機和非CMOS相機中 的一個的數(shù)碼相機。在一些實施方式中，相機以具有55%至90%的讀出效率操作。在一些 實施方式中，該相機以90%或更大的讀出效率操作。在一些實施方式中，相機以每秒1，000 線至每秒1，〇〇〇, 〇〇〇線的線速率操作。在一些實施方式中，相機具有100, 〇〇〇像素至1億 像素的多個相機像素。
[0036] 在一些實施方式中，成像系統(tǒng)包括以從100 ym/秒至1，000mm/秒的范圍中的速率 移動底物的定位臺。
[0037]在一些實施方式中，成像系統(tǒng)被配置和操作成使底物成像，其中底物包括具有布 置在其上的靶核酸的陣列。在其他實施方式中，底物包括作為成像目標(biāo)的眾多鮮明特征。
[0038] 在示例性實施方式中，操作數(shù)碼相機的方法包括以下步驟：(a)橫跨目標(biāo)掃描細(xì) 光帶（a thin strip of light)以逐行曝光數(shù)碼相機的圖像傳感器中的像素；以及（b)在 步驟（a)的曝光之后以滾動讀出模式逐行讀出像素。在一些方面，讀出像素比橫跨目標(biāo)掃 描細(xì)光帶耗時更長。在一些方面，在曝光和讀出之間像素保持黑暗。在一些方面，數(shù)碼相機 包括具有至少兩個部分的分開讀出傳感器，其中步驟（a)和步驟（b)在傳感器的每個部分 中獨立地執(zhí)行。例如，一個部分中的步驟（a)和步驟（b)可以與另一部分中的步驟（a)和 步驟（b)并行執(zhí)行；在另一示例中，一個部分中的步驟（a)和步驟（b)可以與另一部分中的 步驟（a)和步驟（b)反并行（anti-parallel)執(zhí)行。在一些方面，以相關(guān)雙采樣模式操作 相機。在一些方面中，細(xì)光帶具有適合于熒光激發(fā)的波長，同時圖像傳感器中的像素通過具 有與熒光發(fā)射相對應(yīng)的波長曝光。在一些方面，細(xì)光帶每次曝光兩個或多個像素行。
[0039] 應(yīng)當(dāng)注意，如本文中和所附權(quán)利要求中的使用的，單數(shù)形式"一個（a) "、"一個 (an)"和"該（the)"可包括復(fù)數(shù)對象，除非上下文清楚地另有規(guī)定。因此，除非上下文另有 規(guī)定，否則例如，提及"附接位點（attachment site) "可以指多個這種附接位點，并且提及 "用于序列確定的方法（a method for sequence determination)"可包括可由本領(lǐng)域的技 術(shù)人員所使用的等效步驟和方法等等。
[0040] 除非另有定義，本文中所使用的所有技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。本文中提及的所有出版物均出于描述和公開出版 物中所描述的裝置、構(gòu)想和方法學(xué)的目的而通過引用并入本文，并且這些出版物能夠與當(dāng) 前描述的發(fā)明結(jié)合使用。
[0041] 在提供了數(shù)值范圍的情況下，應(yīng)理解，處于該范圍和任何其他提及的范圍的上限 與下限之間的每個中間值、所提及的范圍中的中間值或子范圍均涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。這種較 小范圍的上限和下限可以單獨地包括在較小范圍中，并且還可以涵蓋在本發(fā)明內(nèi)，從屬于 所提及的范圍中的任何具體排除的限值。在所提及的范圍包括一個或兩個限值的情況下， 排除了那些所包括的限值中的任一個或兩個的子范圍還可以包括在本發(fā)明中。
[0042]詵擇的宙義
[0043]"收集圖像"和其語法等同物指的是一組相機像素被激活并且準(zhǔn)備收集和整合圖 像的信號（例如，光）的相機操作模式。例如，當(dāng)激活時，如果像素曝光于光中則相機像素 收集光；如果相機像素沒有曝光于光（例如，當(dāng)像素處于黑暗中）中，那么即使其被激活并 且準(zhǔn)備收集和整合光信號，像素也不收集任何光。
[0044]"圖像空間"是指被相機中的像素組覆蓋的區(qū)域，并且"圖像空間像素"是指相機像 素。
[0045] "邏輯"是指指令組，當(dāng)指令組被一個或多個計算裝置的一個或多個處理器（例如， CPU)執(zhí)行時，其被操作成執(zhí)行一個或多個功能和/或以一個或多個結(jié)果的形式或者通過其 他邏輯元件和/或通過控制機械裝置（例如，伺服機構(gòu)等）的操作的元件使用的輸入數(shù)據(jù) 的形式返回數(shù)據(jù)。在多種實施方式和實現(xiàn)方式中，任何給定邏輯可以被實現(xiàn)為一個或多個 軟件部件、一個或多個硬件部件、或一個或多個軟件部件和一個或多個硬件部件的任意組 合，其中，一個或多個軟件部件能夠通過一個或多個處理器（例如，CPU)執(zhí)行，一個或多個 硬件部件例如應(yīng)用專用集成電路（ASIC)和/或現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA)。任何特定邏 輯的軟件部件可以被實現(xiàn)為獨立的軟件應(yīng)用、客戶端-服務(wù)器系統(tǒng)中的客戶端、客戶端-服 務(wù)器系統(tǒng)中的服務(wù)器、一個或多個軟件模塊、一個或多個函數(shù)庫、和一個或多個靜態(tài)和/或 動態(tài)鏈接庫，而不受限制。在執(zhí)行過程中，任何特定邏輯的指令可以被實現(xiàn)為一個或多個 計算機程序、線程、光纖和任何其他合適的運行時實體，其能夠被示例化在一個或多個計算 裝置中的一個的硬件中并且能夠分配計算資源，其中，計算資源可以包括但不限于存儲器、 CPU時間、存儲空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬。
[0046] "對象空間"是指對象（例如，底物）的區(qū)域，并由此"對象空間像素"是指對象（例 如，底物）上的區(qū)域的單位。對象空間像素的尺寸通常通過圖像空間像素（即，相機像素） 的尺寸和在相機用于取對象空間的圖像時所應(yīng)用的放大倍數(shù)來確定。放大倍數(shù)是圖像空間 像素（即，相機像素）的尺寸與對象空間區(qū)域的實際尺寸的比率，其中，對象空間區(qū)域與如 通過相機觀察到的圖像空間像素相對應(yīng)。例如，16X的放大倍數(shù)允許使用8 y m像素的相機 來觀察500nm的對象空間像素。在不同的實施方式中，對象空間像素的尺寸可以處于100 至lOOOnm的寬度和100至lOOOnm長度之間；在優(yōu)選的方面，對象空間像素的尺寸可以是 300nm乘300nm，更優(yōu)選為500nm乘500nm，甚至更優(yōu)選為620nm乘620nm。在使用陣列芯片 的一些實施方式中，對象空間像素的尺寸可以被選擇為與陣列芯片上的附接位點的尺寸相 同或者略大于其，由此僅單個離散的位點將適合對象空間像素。這確保了在操作中能夠通 過單個相機像素記錄從陣列芯片上的附接位點發(fā)出的能量（例如，光）的強度。
[0047] "物鏡部件"是指成像系統(tǒng)中的元件或元件集群，元件或元件集群包括一個或多個 透鏡并且被配置和操作成放大電磁（例如，光）信號。在一些實施方式中，物鏡部件具有大 數(shù)值孔徑（NA)(例如，NA處于0. 95與1. 5之間的范圍內(nèi)）并且經(jīng)由空氣浸泡或液體浸泡 (例如，水、油、或其他浸液）來執(zhí)行成像。在多種實施方式中，物鏡部件可以具有處于從2mm 至25mm的范圍內(nèi)的焦距。
[0048] "滾動讀出模式"是指每次連續(xù)地讀出相機傳感器中的像素行（每次一行）的操作 模式。
[0049]參照靶核酸中的"序列確定"（還被稱為"測序"）是指確定與靶核酸中的核 苷酸的序列相關(guān)的信息。這種信息可以包括靶核酸部分和/或全序列信息的識別或確 定。序列信息可以通過改變統(tǒng)計可靠性或置信度的程度來確定。在一個方面，術(shù)語"測序 (sequencing) "包括確定身份和從祀核酸中的不同的核苷酸開始在祀核酸中排序多個連續(xù) 核苷酸。
[0050] "底物"是指具有作為成像目標(biāo)的眾多鮮明特征的對象。例如，在一些實施方式中， 底物包括已附接有靶核酸作為目標(biāo)特征的表面非平面結(jié)構(gòu)，諸如珠或凹陷（well)。在另一 個示例中，在一些實施方式中，底物包括陣列芯片。"陣列芯片"（也稱為"陣列"、"微陣列"、 或者簡稱為"芯片"）是指固相支承物，該固相支承物優(yōu)選但不排他地具有平坦的表面或者 基本平坦的表面，該表面承載著已附接有靶核酸（例如，巨大分子）作為目標(biāo)特征的附接位 點。在陣列芯片上，附接位點可以被布置成有序圖案或隨機形式，并且通常被配置成具有適 合于靶核酸的附接的尺寸（例如，長度、寬度、并且可能為深度或高度）。附接位點由此被空 間定義，并且不與其他位點重疊；也就是說，附接位點在陣列芯片上彼此空間分離。當(dāng)附接 至附接位點時，靶核酸可以共價地或非共價地鍵合至陣列芯片。"隨機陣列"（或者"隨機微 陣列"）是指靶核酸的身份（或者寡核苷酸或其多核苷酸的）至少在初期從它們在陣列芯 片上的位置不可識別但可以通過陣列上的特定操作（諸如測序、混合解碼探針等）確定的 陣列芯片。（參見例如，美國專利第6, 396, 995號、第6, 544, 732號、第6, 401，267號和第 7, 070, 927 號；公開 W02006/073504 和 W02005/082098 ;以及美國公開第 2007/0207482 號和 第2007/0087362號。并且在例如Schena編輯，2000,微陣列：實用方法，IRL出版社，牛津 大學(xué)（Schena, Ed. 2000, Microarrays:A Practical Approach, IRL Press, Oxford)中回顧 一些傳統(tǒng)的微陣列技術(shù)）。底物的目標(biāo)特征的類型和數(shù)量可以在不同的實現(xiàn)方式、操作環(huán) 境和應(yīng)用中有所不同。例如，在多種實施方式中，陣列芯片可以具有附接至其上的眾多靶核 酸，（a)其數(shù)量在1百萬至1千5百萬的范圍；(b)對附接位點產(chǎn)生50%至95%或更大范圍 的靶核酸占用度；和/或（c)在陣列芯片上產(chǎn)生0. 5/ y m2至10/ y m2或更大范圍的平均靶 核酸密度。另外，在一些實施方式中，底物可以被布置在流體裝置中，諸如流滑件、流動池。 流滑件通常開放于環(huán)境并且橫跨底物的液體流動速率主要通過重力來確定。另一方面，流 動池通常相對于環(huán)境圍繞其底物并且提供封閉的液體路徑，該封閉的液體路徑被壓力驅(qū)動 系統(tǒng)（例如，包括多種類型的泵、閥、線路和其他流體連接）使用以使液體流入和流出流動 池。一般來說，在不同的實施方式和實現(xiàn)方式中，底物可以用作為成像目標(biāo)的多種且不同的 特征實現(xiàn)在多種且不同的裝置中；出于這種理由，描述在本段中的底物和其目標(biāo)特征的示 例應(yīng)被視為示例性含義、而非約束性含義。
[0051] "靶核酸"是指來自基因、調(diào)控元件、基因組DNA、cDNA、RNA (包括mRNA、rRNA、siRNA 和miRNA等）及其片段（S卩，測序、觀察和/或其他研宄的主體）的核酸。靶核酸可以是來 自樣本的核酸、或者二次核酸諸如放大和/或復(fù)制反應(yīng)的產(chǎn)物。這種產(chǎn)物的示例為巨大分 子。用于與核酸有關(guān)的"巨大分子"意味著具有可測量的三維結(jié)構(gòu)的核酸，可測量的三維結(jié) 構(gòu)包括具有二次結(jié)構(gòu)（例如，擴(kuò)增子）的線性核酸分子、支鏈核酸分子和具有交互結(jié)構(gòu)元件 的單個序列的多個獨立拷貝（例如，互補序列、回文序列或在核酸中導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)元件的 其他序列插入）。
[0052]用于拍描務(wù)動目標(biāo)的成像系統(tǒng)
[0053] 在一些實施方式中，本文中所述的成像系統(tǒng)被配置成通過使用快速相機掃描連續(xù) 移動的目標(biāo)（例如，底物），其中快速相機不通過相機移動圖像。例如，在一些實施方式中， 用于DNA測序的成像系統(tǒng)可以用CMOS相機或科學(xué)級CMOS(sCMOS)相機配置。不同于CCD-陣 列相機，因為全幀相機無法以TDI模式操作，所以該操作性限制的后果在于在獲得過程中 圖像必需不相對于全幀相機的傳感器陣列移動。通過提供當(dāng)定位臺在物鏡部件下方移動底 物（例如，陣列芯片）時可使圖像在相機上保持靜止的掃描鏡（和/或另一光學(xué)裝置），本 文所述的成像系統(tǒng)至少部分地解決了這種操作性限制。以此方式，本文所述的成像系統(tǒng)克 服了全幀相機（例如，CMOS相機）的操作性限制同時獲得這些相機的高速、高分辨率和低 成本的優(yōu)點。該成像系統(tǒng)的示例在與本申請于同一天提交的題為"具有可移動掃描鏡的成 像系統(tǒng)"的第61/656, 701號美國臨時專利申請中進(jìn)行了描述，其全部內(nèi)容通過引用并入本 文，如同在本文中完全闡述一樣。
[0054] 本文中描述的成像系統(tǒng)保留機械上期望的連續(xù)平臺運動的用途，但在圖像采集過 程中相對于相機的傳感器陣列定住底物的圖像。在一些實施方式中，這可以通過使用與較 重的定位臺相比能夠更加容易且準(zhǔn)確地加速和減速的、輕量且伺服控制的掃描鏡來完成。 在一些實施方式中，用于檢測掃描鏡性能的裝置和用于在行進(jìn)中進(jìn)行小型圖像定位校正的 裝置也可以成為成像系統(tǒng)的一部分。由此，根據(jù)本文中的技術(shù)的成像系統(tǒng)能夠在保持約 50nm的對齊精度的同時獲得550百萬像素（或以上）的圖像數(shù)據(jù)。通過耦接在具有合適 的生物化學(xué)反應(yīng)子系統(tǒng)的測序機中，這種成像系統(tǒng)允許非常高的測序吞吐量，例如，約每天 100人類基因組當(dāng)量的測序。
[0055] 在一些實施方式中，成像系統(tǒng)為包括物鏡部件、一個或多個相機、可移動定位臺以 及優(yōu)選但不排他地包括鏡筒透鏡部件的熒光類系統(tǒng)。在這些實施方式中，成像系統(tǒng)被配置 和操作成取整個底物（例如，陣列芯片）或其一部分的圖像，其中，底物被安裝或以其他方 式放置在定位臺上，并且在通過相機獲取圖像期間處于運動狀態(tài)。根據(jù)本文中所述的技術(shù)， 這種成像系統(tǒng)，允許使用確實很快的相機（例如，CMOS相機）來獲得移動的底物的圖像。為 了便于系統(tǒng)操作的這種模式，本文中描述的技術(shù)提供布置在物鏡部件與相機之間的光路徑 中的可移動（即，可傾斜的）掃描鏡。部件的這種布置與傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)形成對比，其中， 傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)一般采用沿著光路徑完美對齊的物鏡透鏡和相機并因此不允許可移動部 件位于該光路徑的中間，因為這種可移動部件產(chǎn)生在傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)中被認(rèn)為是不期望的 影響。
[0056] 值得注意的是，用于DNA測序的熒光類成像系統(tǒng)通常采用非常低的電平，因為熒 光圖像是暗淡的。因此，這種成像系統(tǒng)中的相機和光學(xué)器件需要盡可能高效且敏感，以將圖 像采集時間保持到最小。另外，照明強度必需保持低于可能使正被測序的靶核酸受損的點。 這些因素是在設(shè)計用于對移動的靶核酸成像的熒光成像系統(tǒng)時需要考慮的一些因素。
[0057] 怏諫相機和務(wù)動目標(biāo)的成像
[0058] 在一些實施方式中，本文中所述的成像系統(tǒng)被配置成結(jié)合可移動掃描鏡使用快速 相機，以在被成像底物移動期間實現(xiàn)靜止圖像的連續(xù)曝光。在一些實施方式中，相機像素的 尺寸（長度和/或?qū)挾龋┨幱?ym至10ym的范圍，優(yōu)選但不排他地處于6ym至8ym的 范圍。
[0059] 在多種實施方式中，本文中所述的成像系統(tǒng)被配置成通過使用不通過相機移動圖 像的快速相機掃描連續(xù)移動的底物（例如，陣列芯片），快速相機例如為非-TDI相機和以 全幀模式操作的其他相機（包括TDI相機）。CMOS相機是這種相機的示例性類型。CMOS 相機通常使用有源像素傳感器（APS)，有源像素傳感器是由包含像素陣列的集成電路構(gòu)成 的圖像傳感器，其中，每個像素包括光電檢測器和有源放大器。CMOS相機的一種示例是來 自加利福尼亞州，米爾皮塔斯，飛兆成像公司（Fairchild Imaging, Milpitas, California) 的SciMOS 2051型號。SciMOS 2051是能夠用286MHz讀出且小于兩個電子典型讀取噪聲以 100幀每秒拍攝5. 5兆像素的圖像的快速相機。
[0060] 優(yōu)選但不排他地，相機的高速通過線路速率定義，線路速率是相機的能夠在一個 單位的時間內(nèi)通過相機讀出的像素行的數(shù)量的操作特性。相機的線路速率可以根據(jù)以下等 式⑴確定：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于操作成像系統(tǒng)的方法，所述方法包括： 在所述成像系統(tǒng)中經(jīng)由數(shù)碼相機收集底物的一部分的圖像，其中所述圖像跨越所述相 機中的傳感器元件的多行像素； 當(dāng)所述相機收集所述底物的一部分的圖像時，執(zhí)行以下步驟： 橫跨所述底物的一部分掃描光條從而曝光由所述圖像跨越的第一至少一行像素，同時 使由所述圖像跨越的第二至少一行像素保持在黑暗中；以及 讀出所述第一至少一行像素，同時繼續(xù)橫跨所述底物的一部分掃描所述光條從而曝光 所述第二至少一行像素。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 在所述成像系統(tǒng)的物鏡部件下方移動所述底物； 改變掃描鏡的角度，使得當(dāng)所述底物移動時，由所述物鏡部件獲取的、所述底物的一部 分的圖像相對于所述相機保持靜止。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中 改變所述掃描鏡的角度與橫跨所述底物的一部分掃描所述光條配合執(zhí)行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中： 改變所述掃描鏡的角度包括第一時間間隔和第二時間間隔，在所述第一時間間隔期 間，橫跨所述底物的一部分掃描所述光條，在所述第二時間間隔期間，所述掃描鏡返回初始 位置；以及 所述方法還包括在所述第二時間間隔期間中止橫跨所述底物的一部分掃描所述光條。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中 所述第一時間間隔大于所述第二時間間隔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中 當(dāng)所述底物沿著垂直于所述物鏡部件的光學(xué)軸的方向移動時，執(zhí)行對所述第一至少一 行像素的讀出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 橫跨所述底物的一部分掃描所述光條包括改變照明鏡的角度以將光從條發(fā)生器反射 至所述底物的一部分上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中 改變所述照明鏡的角度由被配置成使所述照明鏡傾斜的伺服機構(gòu)實現(xiàn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括： 在所述成像系統(tǒng)的物鏡部件下方移動所述底物； 改變掃描鏡的角度，使得當(dāng)所述底物移動時，由所述物鏡部件獲取的、所述底物的一部 分的圖像相對于所述相機保持靜止。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 在曝光所述第一至少一行像素的步驟與讀出所述第一至少一行像素的步驟之間使所 述第一至少一行像素保持黑暗。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述相機包括至少具有第一部分和第二部分的分開讀出傳感器，并且掃描所述光條和 讀出所述光條的步驟在所述分開讀出傳感器的每個部分中獨立執(zhí)行。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中 所述第一部分中的掃描和讀出步驟與所述第二部分中的掃描和讀出步驟并行執(zhí)行。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中 所述第一部分中的掃描和讀出步驟與所述第二部分中的掃描和讀出步驟反并行執(zhí)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 當(dāng)所述相機收集所述底物的一部分的所述圖像時，讀出所述第二至少一行像素同時繼 續(xù)橫跨所述底物掃描所述光條從而曝光由所述圖像跨越的第三至少一行像素，其中所述第 三至少一行像素不同于所述第二至少一行像素。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述相機為以全幀模式操作的CMOS相機和非CMOS相機中的一種。
【文檔編號】G06K9/58GK104487884SQ201380038130
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7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(dá)基因組股份有限公司