一种高通量基因测序动态调度控制方法及系统装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高通量基因测序技术领域，特别涉及一种高通量基因测序动态调度控 制方法及系统装置。
【背景技术】
[0002] 高通量基因测序技术涉及机械、电子通信、生物、化学、光学等交叉学科。整个测 序过程对精度要求高，任何一点点误差，就可能导致测序结果不理想，并且要求各个组件之 间协调配合，包括对试剂量及类型、反应温度、时间、洁净度、纳米级位移、聚焦调节、发光强 度、光路调节、曝光时间计算、图像拍摄等多方面的控制要求高，难度大。
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高通量基因测序动态 调度控制方法及系统装置，可为高通量测序仪的反应小室提供环境一体化控制策略。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] 一种高通量基因测序动态调度系统装置，桥式PCR扩增反应以及边合成边测序 (Sequencing by Synthesis，SBS)反应均在反应小室的流动槽中进行，流动槽表面内表面 以共价键的形式固定带有接头的单链DNA片段，包括：
[0006] 用于调控反应小室内温度的温度控制系统，桥式PCR扩增反应实现温度循环控 制，边合成边测序反应实现对温度的恒温保障；
[0007] 用于控制所述两种反应过程中各种试剂的加载和流出的试剂控制系统，对桥式 PCR扩增反应和边合成边测序反应的试剂、试剂缓冲液、PH值控制液等的加载、流出及试剂 时序进彳T控制；
[0008] 用于向边合成边测序反应过程中的待测DNA片段提供红绿激光以激发待测DNA片 段中携带的荧光染料基团发光的激光触发系统，对边合成边测序反应提供红绿激光触发条 件；
[0009] 用于在边合成边测序反应过程中进行扫描的振镜扫描系统，在边合成边测序反应 每一轮反应过程中，对流动槽进行扫描，捕获荧光数据；
[0010] 以及，
[0011]用于采集荧光染料基团发光图像的光学采集系统，在边合成边测序反应进行过程 中，CCD采集捕获的荧光数据，进行保存，后续进行图像处理、数据处理，进而得到测序结果。
[0012] 所述温度控制系统包括设置于反应小室内的温度传感器、电热片、半导体制冷片 以及散热风扇，其中电热片位于流动槽上方的翻盖上，流动槽下方为载物台，载物台位于反 应台上，半导体制冷片嵌在载物台中间的凹槽中，散热片贴放于半导体制冷片下表面，散热 片配有散热风扇；电热片贴在SBS反应室四周，根据桥式PCR扩增反应的变性、退火、延伸三 个阶段，进行温度的循环调控，在边合成边测序反应过程中，调控反应小室内的温度恒定为 室温。
[0013] 所述试剂控制系统包括一个多通道试剂泵，根据桥式PCR扩增反应和边合成边测 序反应的不同阶段，打开或者关闭相应通道，控制相应试剂的加载和流出，并控制加载和流 出的相应时间。
[0014] 所述激光触发系统包括绿激光器和红激光器以及其各自连接的电源，绿激光器和 红激光器平行设置，发出的激光均经振镜反射最终射向边合成边测序反应中的待测DNA片 段。
[0015] 所述振镜扫描系统包括振镜及其驱动器，驱动器带动振镜实现扫描，每轮边合成 边测序反应，扫描一次。
[0016] 所述光学采集系统包括CCD相机，采集荧光染料基团发光图像，并传输至计算机。
[0017] 本发明还提供了一种基于所述系统装置的高通量基因测序动态调度控制方法，包 括如下步骤：
[0018] 步骤1，将待测DNA片段样品放入流动槽中；
[0019] 步骤2,对待测样品进行桥式PCR扩增反应，在反应过程中，控制小室温度、试剂流 量以及PH值；
[0020] 步骤3,对扩增后的样品进行边合成边测序反应，反应过程中，控制小室温度和试 剂流量，同时控制红绿激光触发照射、振镜扫描、光学采集荧光信号。
[0021] 所述步骤2中小室温度控制策略为：根据PCR扩增反应温度曲线，控制温度在变 性、退火、延伸三个反应阶段进行循环，利用温度传感器读取反应小室温度，执行机构为电 热片、半导体制冷片以及散热风扇；其中：
[0022] 半导体制冷片加热反应对象用如下微分方程描述： d ΑΘ
[0023] T --c--l· ΑΘ = KAW + AO0 + AO. dt 〇 /
[0024] 式中Λ θ。表示小室空气温度变化量；T表示半导体制冷片的时间常数；AW表示 反应台热流量变化；△ Θ ^表示电热片加热温度变化；△ Θ {表示制冷片散热引起的温度变 化；K表示半导体制冷片的放大系数；
[0025] 半导体制冷片传导热量用如下所示公式进行计算：
[0026] Qf= (SncwX Tc X I)-(0.5 X I2 X RnJ-[KncwX (Th-Tc)]
[0027] 式中Snew表示半导体制冷片热电系数；Rnew表示半导体制冷片电阻；K new表示半导 体制冷片热传导率；I表示输入半导体制冷片电流；Th-Tc表示制冷片两面开氏温度值差；
[0028] 在各个反应阶段，对反应小室温度进行保持；当需要进行下个阶段反应时，通断继 电器相应温控部件进行温控，达到2. 5°C /s ;
[0029] 所述试剂流量控制是：
[0030] 利用多通道试剂泵，在相应反应阶段在流动槽内加入相应试剂；
[0031] 所述PH值控制是：
[0032] 在各试剂出口进行PH值检测，根据需要加入PH调节试剂调节PH值至相应范围。
[0033] 所述步骤3中小室温度控制策略为：控制温度恒定为反应所需温度；
[0034] 试剂流量控制是：
[0035] 利用多通道试剂泵，在相应反应阶段在流动槽内加入相应试剂；
[0036] 红绿激光触发照射控制是：
[0037] 在反应过程中，红绿激光检测装置检测激光触发是否正常，如正常则继续反应，否 则进行报警；
[0038] 振镜扫描控制是：
[0039] 对每轮反应进行流动槽扫描，每扫描一次，图像数据进行保存，则完成一轮反应；
[0040] 光学采集荧光信号控制是：
[0041] 通过CCD采集由振镜扫描传来的荧光信息，对图像进行数据保存，进而进行图像 处理和数据处理，得到测序结果。
[0042] 所述光学采集系统采集的荧光染料基团发光图像在计算机中依次进行如下处理： 图像配准、基因簇定位、定位信息增强、亮度值获取、背景去除；处理之后获取测序片段进行 测序拼接，从而得到测序结果。
[0043] 与现有技术相比，本发明采用一体化控制策略，有效地将桥式PCR反应装置与测 序反应装置结合控制过程。采用半导体制冷片与电热片同时温控，加大温控反应速率。采 用振镜扫描控制实现对扫描控制的精确控制。采用阶段反应微流量精确控制试剂反应。给 出了一种总体控制调度模型。
【附图说明】
[0044] 图1为采用本发明的反应小室系统装置立体结构示意图。
[0045] 图2为系统调度逻辑结构图。
[0046] 图3为桥式PCR反应系统流程图。
[0047] 图4为边合成边测序反应系统流程图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0049] 本发明使用第二代高通量基因测序仪，其可分为四个模块，流动槽载体模块；桥式 PCR模块；边合成边测序模块以及软件合成测序模块。环境一体化控制即对桥式PCR模块 和边合成边测序模块反应小室的温度及试剂控制一体化。
[0050] 流动槽模块是高通量基因测序中存放待测DNA片段和DNA边合成边测序反应的场 所，根据型号不同流动槽可以分为2、4、8条通道流动槽，本专利采用2条通道流动槽。每条 通道的内表面能以共价键的形式随机固定带接头的单链待测DNA片段。
[0051] 基因测序仪的反应小室系统装置具体结构如图1所示。包括内嵌温度传感器 PT100的载物台2,内嵌半导体制冷片的反应台8位于载物台2上，流动槽1位于反应台8 上，流动槽1上方有电热片，载物台2下方有散热片4和散热风扇5,流动槽1的两端分别连 接一个多通道试剂泵7,本发明各种控制均集成于最下部的主控板6中。
[0052] 系统调度逻辑结构如图2所示。系统调度控制是指桥式PCR反应中的温度控制与 试剂控制的中的各个传感器和执行器的协调工作；还有SBS反应中的激光触发、光学采集、 扫描振镜、温度控制和试剂控制中各个部件之间的协调工作。
[0053] 具体地：
[0054] 温度控制：
[0055] 反应小室PCR反应温度需要实现一个温度循环控制。PCR反应对温度和PH值的要 求非常严格，小室的PCR反应温度控制实际上是变性（90°C~96°C )、退火（25°C~65°C )、 延伸（70°C~75°C)三个过程的一个循环，进而对被打断的DNA片段进行扩增，在流动槽通 道表面形成待测簇；边合成边测序反应温度控制是最终测序反应进行时所需的环境温度的 控制。
[0056] 温度控制系统采用模糊神经网络控制系统。被控对象采用铝制的反应台8，PCR环 境只需温度循环控制和试剂控制，采用密闭空间更容易实现。流动槽1上方为翻盖，内嵌电 热片3,目的是给一个中间温度（可选70°C)恒定，这样升降温度更快。下方为载物台2,中 间有凹槽内嵌半导体制冷片，通过加正反向电流来对反应台8进行控温。半导体制冷片下 表面贴放散热片4,散热片4配有散热风扇5。最下方为主控板6。温度传感器PT100读取 反应室温度，执行机构为电热片3、半导体制冷片、散热风扇5等。在各个反应阶段，需要对 室温进