一種高通量基因測序動態調度控制方法及系統裝置制造方法及圖紙

一種高通量基因測序動態調度控制方法及系統裝置，系統裝置包括溫度控制系統、試劑控制系統、激光觸發控制系統、振鏡掃描系統和光學采集系統，通過溫度及試劑控制系統對流動槽內被打斷的待測片段進行橋式PCR擴增；通過溫度、試劑控制系統保證邊合成邊測序(Sequencing?by?Synthesis，SBS)反應順利進行；通過激光觸發、振鏡掃描、光學采集對熒光信號完成捕獲并保存數據，實現了高通量基因測序儀的一體化控制系統。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于高通量基因測序
，特別涉及一種高通量基因測序動態調度控 制方法及系統裝置。
技術介紹
高通量基因測序技術涉及機械、電子通信、生物、化學、光學等交叉學科。整個測 序過程對精度要求高，任何一點點誤差，就可能導致測序結果不理想，并且要求各個組件之 間協調配合，包括對試劑量及類型、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要求高，難度大。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種高通量基因測序動態 調度控制方法及系統裝置，可為高通量測序儀的反應小室提供環境一體化控制策略。 為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是： 一種高通量基因測序動態調度系統裝置，橋式PCR擴增反應以及邊合成邊測序 (Sequencing by Synthesis，SBS)反應均在反應小室的流動槽中進行，流動槽表面內表面 以共價鍵的形式固定帶有接頭的單鏈DNA片段，包括： 用于調控反應小室內溫度的溫度控制系統，橋式PCR擴增反應實現溫度循環控 制，邊合成邊測序反應實現對溫度的恒溫保障； 用于控制所述兩種反應過程中各種試劑的加載和流出的試劑控制系統，對橋式 PCR擴增反應和邊合成邊測序反應的試劑、試劑緩沖液、PH值控制液等的加載、流出及試劑 時序進彳T控制； 用于向邊合成邊測序反應過程中的待測DNA片段提供紅綠激光以激發待測DNA片 段中攜帶的熒光染料基團發光的激光觸發系統，對邊合成邊測序反應提供紅綠激光觸發條 件； 用于在邊合成邊測序反應過程中進行掃描的振鏡掃描系統，在邊合成邊測序反應 每一輪反應過程中，對流動槽進行掃描，捕獲熒光數據； 以及，用于采集熒光染料基團發光圖像的光學采集系統，在邊合成邊測序反應進行過程 中，CCD采集捕獲的熒光數據，進行保存，后續進行圖像處理、數據處理，進而得到測序結果。 所述溫度控制系統包括設置于反應小室內的溫度傳感器、電熱片、半導體制冷片 以及散熱風扇，其中電熱片位于流動槽上方的翻蓋上，流動槽下方為載物臺，載物臺位于反 應臺上，半導體制冷片嵌在載物臺中間的凹槽中，散熱片貼放于半導體制冷片下表面，散熱 片配有散熱風扇；電熱片貼在SBS反應室四周，根據橋式PCR擴增反應的變性、退火、延伸三 個階段，進行溫度的循環調控，在邊合成邊測序反應過程中，調控反應小室內的溫度恒定為 室溫。 所述試劑控制系統包括一個多通道試劑泵，根據橋式PCR擴增反應和邊合成邊測 序反應的不同階段，打開或者關閉相應通道，控制相應試劑的加載和流出，并控制加載和流 出的相應時間。 所述激光觸發系統包括綠激光器和紅激光器以及其各自連接的電源，綠激光器和 紅激光器平行設置，發出的激光均經振鏡反射最終射向邊合成邊測序反應中的待測DNA片 段。 所述振鏡掃描系統包括振鏡及其驅動器，驅動器帶動振鏡實現掃描，每輪邊合成 邊測序反應，掃描一次。 所述光學采集系統包括CCD相機，采集熒光染料基團發光圖像，并傳輸至計算機。 本專利技術還提供了一種基于所述系統裝置的高通量基因測序動態調度控制方法，包 括如下步驟： 步驟1，將待測DNA片段樣品放入流動槽中； 步驟2,對待測樣品進行橋式PCR擴增反應，在反應過程中，控制小室溫度、試劑流 量以及PH值； 步驟3,對擴增后的樣品進行邊合成邊測序反應，反應過程中，控制小室溫度和試 劑流量，同時控制紅綠激光觸發照射、振鏡掃描、光學采集熒光信號。 所述步驟2中小室溫度控制策略為：根據PCR擴增反應溫度曲線，控制溫度在變 性、退火、延伸三個反應階段進行循環，利用溫度傳感器讀取反應小室溫度，執行機構為電 熱片、半導體制冷片以及散熱風扇；其中： 半導體制冷片加熱反應對象用如下微分方程描述： d ΑΘ T --c--l· ΑΘ = KAW + AO0 + AO. dt 〇 / 式中Λ θ。表示小室空氣溫度變化量；T表示半導體制冷片的時間常數；AW表示 反應臺熱流量變化；△ Θ ^表示電熱片加熱溫度變化；△ Θ {表示制冷片散熱引起的溫度變 化；K表示半導體制冷片的放大系數； 半導體制冷片傳導熱量用如下所示公式進行計算： Qf= (SncwX Tc X I)-(0.5 X I2 X RnJ- 式中Snew表示半導體制冷片熱電系數；Rnew表示半導體制冷片電阻；K new表示半導 體制冷片熱傳導率；I表示輸入半導體制冷片電流；Th-Tc表示制冷片兩面開氏溫度值差； 在各個反應階段，對反應小室溫度進行保持；當需要進行下個階段反應時，通斷繼 電器相應溫控部件進行溫控，達到2. 5°C /s ; 所述試劑流量控制是： 利用多通道試劑泵，在相應反應階段在流動槽內加入相應試劑； 所述PH值控制是： 在各試劑出口進行PH值檢測，根據需要加入PH調節試劑調節PH值至相應范圍。 所述步驟3中小室溫度控制策略為：控制溫度恒定為反應所需溫度； 試劑流量控制是： 利用多通道試劑泵，在相應反應階段在流動槽內加入相應試劑； 紅綠激光觸發照射控制是： 在反應過程中，紅綠激光檢測裝置檢測激光觸發是否正常，如正常則繼續反應，否 則進行報警； 振鏡掃描控制是： 對每輪反應進行流動槽掃描，每掃描一次，圖像數據進行保存，則完成一輪反應； 光學采集熒光信號控制是： 通過CCD采集由振鏡掃描傳來的熒光信息，對圖像進行數據保存，進而進行圖像 處理和數據處理，得到測序結果。 所述光學采集系統采集的熒光染料基團發光圖像在計算機中依次進行如下處理： 圖像配準、基因簇定位、定位信息增強、亮度值獲取、背景去除；處理之后獲取測序片段進行 測序拼接，從而得到測序結果。 與現有技術相比，本專利技術采用一體化控制策略，有效地將橋式PCR反應裝置與測 序反應裝置結合控制過程。采用半導體制冷片與電熱片同時溫控，加大溫控反應速率。采 用振鏡掃描控制實現對掃描控制的精確控制。采用階段反應微流量精確控制試劑反應。給 出了一種總體控制調度模型。【附圖說明】 圖1為采用本專利技術的反應小室系統裝置立體結構示意圖。 圖2為系統調度邏輯結構圖。 圖3為橋式PCR反應系統流程圖。 圖4為邊合成邊測序反應系統流程圖。【具體實施方式】 下面結合附圖和實施例詳細說明本專利技術的實施方式。 本專利技術使用第二代高通量基因測序儀，其可分為四個模塊，流動槽載體模塊；橋式 PCR模塊；邊合成邊測序模塊以及軟件合成測序模塊。環境一體化控制即對橋式PCR模塊 和邊合成邊測序模塊反應小室的溫度及試劑控制一體化。 流動槽模塊是高通量基因測序中存放待測DNA片段和DNA邊合成邊測序反應的場 所，根據型號不同流動槽可以分為2、4、8條通道流動槽，本專利采用2條通道流動槽。每條 通道的內表面能以共價鍵的形式隨機固定帶接頭的單鏈待測DNA片段。 基因測序儀的反應小室系統裝置具體結構如圖1所示。包括內嵌溫度傳感器 PT100的載物臺2,內嵌半導體制冷片的反應臺8位于載物臺2上，流動槽1位于反應臺8 上，流動槽1上方有電熱片，載物臺2下方有散熱片4和散熱風扇5,流動槽1的兩端分別連 接一個多通道試劑泵7,本專利技術各種控制均集成于最下部的主控板6中。 系統調度邏輯結構如圖2所示。系統調度控制是指橋式PCR反應中的溫度控制與 試劑控制的中的各個傳本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高通量基因測序動態調度系統裝置，橋式PCR擴增反應以及邊合成邊測序反應均在反應小室的流動槽中進行，流動槽表面內表面以共價鍵的形式固定帶有接頭的單鏈DNA片段，其特征在于，包括：用于調控反應小室內溫度的溫度控制系統；用于控制所述兩種反應過程中各種試劑的加載和流出的試劑控制系統；用于向邊合成邊測序反應過程中的待測DNA片段提供紅綠激光以激發待測DNA片段中攜帶的熒光染料基團發光的激光觸發系統；用于在邊合成邊測序反應過程中進行掃描的振鏡掃描系統；以及，用于采集熒光染料基團發光圖像的光學采集系統。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓九強，張朋，劉俊，呂紅強，鐘德星，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61