光学精密工程·封面 | LED照明的基因测序荧光显微系统

学术   2024-10-10 13:08   吉林  


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导读
基因测序荧光显微系统利用荧光显微成像技术在短时间内能够获得大量基因碱基的荧光标记信号,完成对大量样本的快速检测,结合图像数据分析可以实现高效基因测序。基因测序荧光显微系统目前已经成为获取生物信息、疾病诊断的有力工具,被广泛应用于人类健康、疾病防治、药物研究、生物工程等领域,目前在高通量成像、高分辨率成像等方面发展迅速。然而,基因测序荧光显微系统目前更多适用于大量基因样本检测,具有一定的不便利性,缺少在科研实验与寻常病理检测时能够进行快速低成本筛查基因片段的小型化设备。


针对该问题,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘美辰等在《光学 精密工程》(EI、Scopus收录,中文核心期刊,《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊)上发表了题为“双波段LED照明的基因测序荧光显微系统设计”的封面文章,为小型化的荧光显微成像系统设计开发与应用提供了参考,具有一定的应用价值。


本文所设计的系统具有小型化、低成本、高效率、高成像质量等诸多优势,可应用于更多场合下,进行生物信息分析、疾病诊断等工作。



系统工作原理及设计


双波段基因测序荧光显微系统分为照明系统和成像系统两大部分,主要由LED光源,分束镜,镜筒透镜,显微物镜及CMOS相机等核心元件组成。系统原理图如图1所示。
图1:双波段基因测序荧光显微成像系统原理图

系统通过软件控制两个光源在同一位置先后发光完成成像,照明光源发出的光经激发滤光片及扩束镜整形,由分束镜反射进入物镜后照亮生物芯片,激发可以基因测序的荧光信号。被激发的荧光经成像透镜聚焦于CMOS相机靶面,实现信息采集。通过系统在短时间内对生物芯片进行扫描成像,即可获取被荧光标记的碱基位置,再通过CMOS相机获取图像,最终经图像处理和数据对比即可得到生物芯片中被标记的基因序列。


LED代替传统光源的照明系统设计


在基因测序仪的成像系统设计中,照明光源多使用氙灯,卤素灯,半导体激光器等,但以上几种照明光源打开后需要预热,再次使用时需要等待光源完全冷却,否则将会影响光源的使用寿命,影响系统正常工作。且荧光物质受到激发光的长时间照射会促进激发态分子与其它分子相互作用、引起碰撞,进而导致荧光淬灭。基于以上原因,本文设计的基因测序系统选用LED光源代替传统光源进行照明,LED便捷、小巧、方便操作。本文选用光谱带宽窄的LED光源进行照明。


525nm的绿光光源及620nm的红光光源发出的光经过非球面透镜扩束后,由二向色镜分光,使R-LED发出的激发光透射,G-LED发出的激发光反射,两束光经过激发滤光片时只允许用于激发荧光物质的特定波长的光通过,并由显微物镜会聚光束后均匀照亮生物芯片上的区域,使该区域生物芯片中的荧光物质发出比LED光源波长更长的荧光。荧光光束和照明光束在到达截止滤光片时,照明光被截止,仅荧光光束通过,并最终在CMOS相机上成像。


为实现高分辨照明,本文设计的照明系统采用落射式临界照明方法。落射式照明可以实现较大视场照明,更适用于基因测序荧光成像显微镜,柯勒照明相较临界照明而言,虽然可以更好的实现均匀照明,但光路结构更为复杂,会增大系统的体积,不符合系统小型化的特点,因此该系统采用临界照明方式。临界照明的光路结构简单,构成“光瞳对光瞳、视场对视场”的光学结构,可以充分利用照明光强,更适合高功率光源的照明系统。设计荧光系统落射式临界照明光路,并在软件中建立非序列模型,对像面光斑进行模拟,设置光源参数进行光线追迹。


525nm激发光与620nm激发光光路在非序列模式下的照明光学系统的光路图如图2所示,并分析照明均匀性,仿真结果如图3所示,该荧光成像系统的照明均匀性优于80%。
图2:照明光学系统光路图
图3:照明均匀性

根据设计仿真结果可以看出,LED可以代替激光器,汞孤灯等传统光源,成为基因测序荧光成像系统的照明光源,其满足基因测序需求。系统样机如图4所示。

图4:样机实物图


实验及结果分析


将装调好的样机与计算机,供电器等连接并进行成像测试。测试时需要将生物芯片放入平移台上,通过平移台配合系统快速照明成像实现对整张芯片的成像过程,通过计算机控制照明光源在同一区域快速曝光,测试过程如图5所示。图5(a)、(b)分别为不同波长的激发光照明下,系统成像测试情况。图6为测试结果。
图5:成像测试
图6:测试结果

测试图像可对生物芯片实现清晰精准成像,拍摄图像像质良好,满足测序需求。


工程应用前景


本文设计了一种小型化双波段LED照明的基因测序荧光显微系统,有利于发展小型化设备,讨论了LED照明的可行性,并完成了对该系统的光学系统设计及样机集成,并结合实验对分析结果进行验证,在基因测序领域为发展小型化低成本的荧光显微系统提供了参考。


作者简介

刘美辰,硕士研究生,主要从事显微成像光学系统设计方面的研究。
E-mail:liumeichen22@mails.ucas.ac.cn
孟庆宇,博士,研究员,博士生导师。主要从事光学系统设计理论与设计方法方面的研究。
E-mail:mengqy@ciomp.ac.cn


论文信息

刘美辰,孟庆宇,张洪文等.双波段LED照明的基因测序荧光显微系统设计[J].光学精密工程,2024,32(16):2455-2463. DOI:10.37188/OPE.20243216.2455.
https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20243216.2455

参考文献


[1]孙志远,李婉玉.基因测序系统中动态因素对能量集中度的影响[J].光学学报,2019,39(09):160-167.

SUN Z Y, LI W Y. Effects of Dynamic Factors on Ensquared Energy in GeneSequencing System[J].Acta Optica Sinica,2019,39(09):160-167.(in Chinese)


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ZHANG X.Research on High-throughput Gene Sequencing Fluorescence Microscopic Imaging Optical System[D].Graduate University of the Chinese Academy of Sciences(Changchun Institute of Optic,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences),2019.(in Chinese)


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[4]梁倩,陈龙超,王谷丰.单通道基因测序装置、方法、电子设备及存储介质:202310011761.6[P].2023-04-11.

LIANG Q,CHEN L C,WANG G F.Single-channel gene sequencing device, method, electronic device and storage medium:202310011761.6[P].2023-04-11.(in Chinese)



监制:秦思、赵阳
编辑:赵唯



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