一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置，该方法包括步骤：S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；S3：通过关联重构算法将定标矩阵A与测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，实现高效核酸检测和基因测序。本发明专利技术通过改变传统光学检测方式，提供一种核酸检测和基因测序方法及其装置，实现了高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。

A high efficiency method and device for nucleic acid detection and gene sequencing

【技术实现步骤摘要】
一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置
本专利技术涉及分子诊断领域，更具体地涉及一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置。
技术介绍
核酸、基因检测主要采用聚合酶链式反应（PCR）技术，是一种在体外特异性扩增靶DNA序列的技术，通过多个循环的变性、退火和延伸，能够使微量的遗传物质在几小时内得到几百万倍的扩增，然后通过检测PCR扩增后的荧光信号来定性或定量。PCR技术已经成为了生命科学研究和临床分子诊断领域最重要的支撑技术和核心驱动力。PCR技术主要包括实时荧光定量PCR（qPCR）技术和数字PCR（dPCR）技术。但目前PCR技术在高准确率、低浓度的和快速检测方面仍无法满足快速高效的核酸检测市场需求。商用的dPCR为了提高核酸检测效率，采用样本分割技术，通过制备了数万个乃至数百万个并行PCR反应单元，或是优化PCR反应体系、增加荧光通道数（多重PCR）来实现高通量、高灵敏的检测。但仍然无法解决长时间的PCR反应导致的检测效率低的问题。基因测序是根据碱基互补配对原理来检测生命体的核酸序列，包括DNA测序和RNA测序，目前普遍使用荧光标记的方法进行基因测序，通过对四类碱基标记四种不同的荧光基团，实现四色荧光成像，以此识别碱基。为了提高基因测序的效率，基因检测仪也经历了三代的发展，第二代测序仪的技术基础是高密度基因芯片的荧光成像，其优点是通量高、成本低，缺点是在测序之前都要通过聚合酶链式反应（PCR）实现DNA扩增的建库过程，这就可能引入外源的碱基突变，且二代测序技术普遍读长较短。第三代测序技术由于不需要经PCR建库的过程，直接对样本中的DNA分子进行测序，其潜在优点是速度快、准确率高，且有望大幅度降低成本，但限于目前的技术发展水平，测序的错误率还较高，且通量和成本在短时间内也无法与第二代测序技术相比。因此，目前的核酸、基因检测和测序技术因传统光学检测技术的限制仍然存在不可克服的瓶颈，主要体现在以下两个方面：1）多通道检测效率：通过不同荧光染料进行标记，可获得不同通道的数据信息，提高单一样本的检测类别。但是由于光学检测手段的限制，目前市场上多通道的实现方式主要包括以下两种检测方式：一：采用多通道切换依次曝光检测方式，一次只能检测一种荧光试剂。检测效率较低，不能满足同时检测多种荧光试剂的目的；二：将单通道系统机械的进行叠加或集成，用光纤连接各个独立的检测系统和分开的各待检测试剂，这个检测效率相较于单通道系统有所提升，但整个系统的体积较大，成本较高。但是，以上两种方式都需要对多个荧光通道进行分步检测，样品被反复照射或者照射的时间有差异，荧光的淬灭性影响很难测定。并且不同荧光通道之间存在较大串扰和干扰，多色荧光检测技术存在技术不足。2）检测时间：目前的光学检测手段由于探测灵敏度的限制，无法避免长时间的PCR的扩增反应来实现荧光累积，也就是说，光学检测能力决定了PCR的所需循环数。目前检测时间较长也是由于光学检测能力不足，导致所需的PCR循环数过多，从本质上无法满足快速检测的要求。因此，提高荧光探测灵敏度是实现快速PCR的重要手段，通过实现弱光检测能力，来达到大幅减少PCR扩增循环数的需求。实现弱光探测能力，一方面可从高信噪比、高纯度、高亮度荧光探针标记的样品制备方法出发，另一方面，优化光学系统，提高荧光弱信号的探测灵敏度是更本质的解决方法。目前提高探测灵敏度的方法主要有以下两种：一：采用共聚焦式和光纤式两种光学结构，其优点是结构简单、荧光收集效率高，可具有更高检测精度，但由于采用点扫描方式，导致成像时间长，对于多通道检测，更是大大降低检测时间，另外，该方法对于光源和系统稳定性要求高，要避免由于发光强度的波动以及系统不稳定影响测量结果的准确性。二：设计大视场高通量的物镜来提高荧光收集效率，但这往往导致设备庞大且昂贵。因此，由于传统光学检测技术的限制，使得信息获取效率低，从而制约探测灵敏度和通量，导致检测效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高效的核酸检测和基因测序方法及其装置，从而解决现有技术中的核酸检测和基因测序方法探测灵敏度低、通量低、导致检测效率低的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：根据本专利技术的第一方面，提供一种高效的核酸检测和基因测序方法，包括以下步骤：S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对所述多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；以及S3：通过关联重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即所述标记目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，实现高效的核酸检测和基因测序。根据本专利技术提供的上述方法的工作原理在于：采用不同荧光探针标记目标核酸序列，光源激发并对多色荧光信号进行处理并采集，对采集的信号利用光学关联成像方法重构出标记的荧光探针的空间、光谱和强度分布信息，实现高通量、高灵敏、快速、多重核酸检测和基因测序。在所述步骤S1中，所述空间和光谱定标矩阵A采用实验标定或光线追迹和波动光学计算，或深度学习训练获得，通过标定面上不同空间位置、不同波长的点光源被成像模块成像到面阵探测器上的光强分布，从而构建出所述空间和光谱定标矩阵A。根据本专利技术的一个优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组，面阵探测器探测的是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度测量矩阵。根据本专利技术的另一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块，其中空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是基于散斑图案的多色荧光二维强度测量矩阵。根据本专利技术的又一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵，面阵探测器探测的是经过编码的多色荧光二维强度测量矩阵。根据本专利技术的再一优选方案，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件，色散元件对多色荧光信号的光谱色散分光，面阵探测器探测的是基于光谱信号的多色荧光二维强度测量矩阵。在所述步骤S3中，针对探测到多色荧光二维强度信息，包括散斑信号、高斯光斑或艾里斑信号、编码信息和光谱信息，所述关联重构算法选自以下方法中的任意一种：1）压缩感知算法，结合矩阵映射理论和光学关联成像算法，通过寻找信号的最优解，可快速恢复目标信号空间、光谱强度信息；2）深度学习算法，通过构建神经网络模型，利用不同光子数水平下的弱荧光信号不断训练和优化网络，从而实现荧光弱信号图像的恢复；3）极大似然估计算法，通过弱信号与强信号之间的统计概率关系，建立弱信号与需要恢复的信号之间的似然函数，利用似然函数与弱信号的外部先验信息结合构建目标函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；/nS2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对所述多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；以及/nS3：通过关联重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即标记所述目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，从而实现高效的核酸检测和基因测序。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建空间和光谱定标矩阵A作为先验信息；
S2：采用荧光探针标记目标核酸序列，制备具有空间分布的核酸芯片，光源激发核酸芯片发出多色荧光信号，采用成像模块和面阵探测器依次对所述多色荧光信号进行调制、编码和采集，获得荧光二维强度测量矩阵Y；以及
S3：通过关联重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量矩阵Y进行关联计算，求解Y=AX，重构出目标信号X，即标记所述目标核酸序列的荧光分子空间、光谱和强度分布信息，从而实现高效的核酸检测和基因测序。


2.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述空间和光谱定标矩阵A采用实验标定或光线追迹和波动光学计算或深度学习训练获得，通过标定面上不同空间位置、不同波长的点光源被成像模块成像到面阵探测器上的光强分布，从而构建出所述空间和光谱定标矩阵A。


3.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组，面阵探测器探测的是基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑的多色荧光二维强度测量矩阵。


4.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间调制模块，其中空间调制模块采用空间随机相位调制器实现光场的随机调制，从而获得荧光信号的散斑图像，面阵探测器探测的是基于散斑图案的多色荧光二维强度测量矩阵。


5.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和空间编码模块，其中空间编码模块采用液晶空间光调制器或DMD构建特定二维编码矩阵，面阵探测器探测的是经过编码的多色荧光二维强度测量矩阵。


6.根据权利要求1所述的高效的核酸检测和基因测序方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述成像模块包括投影透镜组、多通道滤光片组和色散元件，色散元件对多色荧光信号的光谱色散分光，面阵探测器探测的是...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中阳，李文文，肖康，高琪，孙静，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31