[發明專利]一種高效的核酸檢測和基因測序方法及其裝置

有效

• 申請號: 202010982860.5
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN111926065B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 王中陽;李文文;肖康;高琪;孫靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: C12Q1/6869
• 分類號: C12Q1/6869;C12Q1/6837;C12M1/34;C12M1/00;G01N21/64;G16B40/00;G16B20/30;G06F17/16
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 余永莉

1.一種高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，包括以下步驟：

S0：提供一種高效的核酸檢測和基因測序裝置，包括：激發光源模塊，根據核酸樣品單重或多重靶點熒光標記的需求采用單路激發光源或多路激發光源激發；成像模塊，包括：投影透鏡組和多通道濾光片組，還包括：空間調制模塊或空間編碼模塊或色散元件，其中，所述空間調制模塊采用空間隨機相位調制器實現光場的隨機調制，從而獲得熒光信號的散斑圖像，所述空間編碼模塊采用液晶空間光調制器或DMD構建特定二維編碼矩陣；以及面陣探測器，所述面陣探測器采用基于微通道板的像增強器和高速CMOS相機結合構成的單光子相機，或采用光電倍增管/雪崩二極管的二維陣列；

S1：構建空間和光譜定標矩陣A作為先驗信息；

S2：采用熒光探針標記目標核酸序列，制備具有空間分布的核酸芯片，光源激發核酸芯片發出多色熒光信號，采用成像模塊和面陣探測器依次對所述多色熒光信號進行調制、編碼和采集，獲得熒光二維強度測量矩陣Y；以及

S3：通過關聯成像算法來將所述定標矩陣A與所述測量矩陣Y進行關聯計算，求解Y=AX，重構出目標信號X，即所述標記核酸序列的熒光分子空間、光譜和強度分布信息，從而實現高效的核酸檢測和基因測序。

2.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S1中，所述空間和光譜定標矩陣A采用實驗標定或光線追跡和波動光學計算或深度學習訓練獲得，通過標定面上不同空間位置、不同波長的點光源被成像模塊成像到面陣探測器上的光強分布，從而構建出所述空間和光譜定標矩陣A。

3.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S2中，所述成像模塊包括投影透鏡組、多通道濾光片組，面陣探測器探測的是基于點擴散函數、高斯光斑或艾里斑的多色熒光二維強度測量矩陣。

4.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S2中，所述成像模塊包括投影透鏡組、多通道濾光片組和空間調制模塊，其中空間調制模塊采用空間隨機相位調制器實現光場的隨機調制，從而獲得熒光信號的散斑圖像，面陣探測器探測的是基于散斑圖案的多色熒光二維強度測量矩陣。

5.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S2中，所述成像模塊包括投影透鏡組、多通道濾光片組和空間編碼模塊，其中空間編碼模塊采用液晶空間光調制器或DMD構建特定二維編碼矩陣，面陣探測器探測的是經過編碼的多色熒光二維強度測量矩陣。

6.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S2中，所述成像模塊包括投影透鏡組、多通道濾光片組和色散元件，色散元件對多色熒光信號的光譜色散分光，面陣探測器探測的是基于光譜信號的多色熒光二維強度測量矩陣。

7.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，在所述步驟S3中，所述關聯成像算法選自以下方法中的任意一種：

1）壓縮感知算法，結合矩陣映射理論和光學關聯成像算法，通過尋找信號的最優解，可快速恢復目標信號空間、光譜強度信息；

2）深度學習算法，通過構建神經網絡模型，利用不同光子數水平下的弱熒光信號不斷訓練和優化網絡，從而實現熒光弱信號圖像的恢復；

3）極大似然估計算法，通過弱信號與強信號之間的統計概率關系，建立弱信號與需要恢復的信號之間的似然函數，利用似然函數與弱信號的外部先驗信息結合構建目標函數，通過最優化方法優化似然函數，以此完成熒光弱信號的恢復，或是與壓縮感知算法結合，實現基于稀疏泊松壓縮感知算法；

4）基于稀疏約束的圖像重構算法，通過標記熒光信號具有稀疏特性，結合噪聲不能進行稀疏表達特點，對需要恢復的信號施加稀疏約束并結合噪聲方差分布構建優化問題，進而利用最優化算法恢復原始熒光弱信號，或是與壓縮感知算法結合，實現基于稀疏約束壓縮感知算法。

8.根據權利要求1所述的高效的核酸檢測和基因測序方法，其特征在于，所述激發光源為LED或激光。