利用非平面衬底的测序系统和方法与流程

1.本公开涉及用于核酸测序和其他生化分析的系统。


背景技术：

2.核酸测序包括许多不同的成本，例如与测序设备的购买和维护相关的成本。与现有测序设备相比，降低产生相同数量的测序数据所需的时间量可以降低产生测序数据的总成本。
3.一些当前可用的测序系统依赖于在层流流动腔(flowcell)的基本上为二维平面的衬底上检测测序事件。光学检测系统的物镜和层流流动腔相对于彼此移动，使得物镜的视场多次经过衬底，其中每次经过都会对衬底的一部分进行成像，从而使得整个衬底被成像。这些系统的缺点在于需要在对层流流动腔的多次穿越(该多次穿越是对层流流动腔的整个衬底进行成像所必需的)之间减缓光学系统的物镜相对于衬底的相对运动、停止该相对运动和/或改变该相对运动的方向。这导致整个成像过程期间的以下时间段：在这些时间段期间，由于需要定位和控制各系统部件的相对运动以恢复成像，因此并没有发生对衬底的成像。因此，需要减少或消除这种停机时间。


技术实现要素：

4.本公开提出了用于检测测序事件的系统和方法。该系统和方法可用于例如对置于衬底上的核酸分子进行测序，其中该衬底可包括数百万至数十亿的单独的核酸位点。衬底可以形成于或耦合到滚筒的外圆柱面上，使得该衬底是弯曲的。滚筒可相对于检测系统(诸如，光学检测系统的物镜)的视场(fov)转动，以使得该fov经过该弯曲的衬底，以便在该弯曲的衬底上对测序事件进行成像。所公开的用于检测测序事件的系统和方法的一个优点可以是提高了吞吐量，因为增加了成像系统的fov可以覆盖的衬底的距离，同时会在衬底上连续对测序事件进行成像而无需减缓或停止fov和衬底之间的相对运动，从而节省了大量的成本，如本文中将讨论的。
5.在一些实施例中，该技术可包括核酸测序系统。核酸测序系统可包括滚筒，其限定外表面和纵向轴线。核酸测序系统还可包括非平面衬底，其耦合到所述滚筒的所述外表面，并被设计成支撑多种核酸样本。核酸测序系统还可包括致动系统，其被设计成使滚动绕所述纵向轴线转动。核酸测序系统还可包括检测系统，其被设计成在所述非平面衬底在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动时，在所述非平面衬底上检测测序事件。
6.在一些实施例中，所述滚筒的所述外表面可以为圆柱形。在一些实施例中，所述非平面衬底可以围绕所述滚筒的外表面弯曲。在一些实施例中，所述致动系统可被设计成使所述滚筒沿着所述纵向轴线平移，并且所述检测系统可被设计成在所述非平面衬底在所述致动系统的作用下沿着所述纵向轴线相对于所述检测系统平移时，在所述非平面衬底上检测测序事件。在一些实施例中，所述检测系统可以是包括至少一个物镜(例如，一个、两个、
三个或更多个物镜)的光学检测系统。在一些实施例中，所述至少一个物镜包括用于对衬底的不同部分进行成像的两个物镜，所述不同部分包括径向和纵向偏离所述滚筒的纵向轴线的部分。
7.在一些实施例中，核酸测序系统可另外包括滚筒组件。所述滚筒组件可包括所述滚筒和限定内腔的外滚筒壳。内滚筒可定位在所述内腔内，并且所述致动系统可使所述内滚筒在所述外滚筒壳的所述内腔内转动。在一些实施例中，核酸测序系统还可包括轨道组件，其耦合到所述滚筒组件。所述致动系统可以使所述滚筒组件在平行于所述纵向轴线的方向上平移，以便在所述内滚筒绕所述纵向轴线转动时，所述至少一个物镜在平行于所述纵向轴线的方向上对所述弯曲衬底的不同部分进行成像。在一些实施例中，核酸测序系统还可以包括控制系统。所述控制系统可控制所述致动系统，以便使所述内滚筒转动并使所述内滚筒平移，以便所述物镜对关于所述弯曲衬底的预定成像路径进行成像。在一些实施例中，所述预定成像路径为围绕所述内滚筒的圆周的环形。在一些实施例中，所述预定成像路径包括旋绕所述内滚筒多次的螺旋形。
8.在一些实施例中，所述滚筒包括多个脊部，以及在所述多个脊部的各相邻脊部之间的多个凹面，多个凹面包括第一凹面。在一些实施例中，所述非平面衬底耦合到所述第一凹面。
9.在一些实施例中，核酸测序系统可包括流体输送系统，其用于将流体输送到所述外滚筒壳的所述内腔，以便在所述非平面衬底上执行测序过程。所述流体输送系统可包括喷射打印头，所述喷射打印头用于将试剂的液滴喷射到所述非平面衬底上。外滚筒壳可包括出口端口，所述出口端口用于将所述内腔内由所述流体输送系统所输送的流体排出。流体输送系统可包括回收系统，所述回收系统用于捕获从所述出口端口排出的流体，以便再利用所述流体。
10.在一些实施例中，非平面衬底可包括离散间隔区域(“点”)的有序阵列。所述离散间隔区域可适用于固定核酸。在一些实施例中，核酸测序系统可包括固定在所述阵列中的所述离散间隔区域上的核酸。固定在所述离散间隔区域上的核酸可以为dnb或pcr产物。
11.在一些实施例中，该技术涉及一种核酸测序方法。该方法可包括通过致动系统使限定外表面的滚筒绕所述滚筒的纵向轴线转动。该方法还可包括在耦合到所述滚筒的非平面衬底在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于检测系统转动时，通过所述检测系统在所述非平面衬底上检测测序事件。检测测序事件可在所述滚筒以恒定速度转动时执行。在所述非平面衬底上检测测序事件可包括：将所述检测系统的物镜定位在相对于所述滚筒的所述纵向轴线的第一纵向位置；在所述滚筒在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动至少一整圈时，将所述物镜保持在所述第一纵向位置，以便围绕第一环形成像路径对所述非平面衬底的第一部分进行成像；将所述物镜定位在相对于所述滚筒的所述纵向轴线的第二纵向位置；以及在所述滚筒在所述致动器的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动至少一整圈时，将所述物镜保持在所述第二纵向位置，以便围绕第二环形成像路径对所述非平面衬底的第二部分进行成像，所述第二部分不同于所述第一部分。在所述非平面衬底上检测测序事件可包括：将所述检测系统的物镜定位在相对于所述滚筒的纵向轴线的第一纵向位置；以及在所述滚筒在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动时，以恒定速度将所述物镜从所述第一纵向位置平移
到第二纵向位置，以便对围绕所述非平面衬底的螺旋形成像路径进行成像。
附图说明
12.图1a-1e示出了光学成像系统的实施例。
13.图2a-2d示出了物镜相对于内滚筒的相对运动。
14.图3a-3d示出了具有围绕内滚筒的环形成像路径的弯曲衬底。
15.图4a-4c示出了具有围绕内滚筒的螺旋形成像路径的弯曲衬底。
16.图5a-5c示出了具有多个物镜的光学成像系统的实施例。
17.图6a和6b示出了试剂输送系统的实施例。
18.图7a-7c示出了喷射试剂输送系统的实施例。
19.图8示出了过程图的实施例。
20.图9显示了控制系统示意图。
21.根据惯例，所描述的特征和元素未按比例绘制，而是被绘制为强调与本公开相关的特征和元素。
具体实施方式
22.本公开描述了可用于在弯曲衬底上检测测序事件的测序检测系统。例如，所公开的测序检测系统可以是用于对例如核酸等进行测序的光学成像系统。在实施例中，模板核酸分子可以结合到弯曲衬底的表面上或以其他方式设置在弯曲衬底的表面上，然后由光学成像系统进行成像。
23.存在许多用于核酸(例如，dna)测序的方法。参见例如kumar,k.,e9,“next-generation sequencing and emerging technologies(下一代测序和新兴技术),”semin thromb hemost45(07):661-673。最流行的方法在平面衬底上的有序阵列中使用具有大量离散位点(例如，1亿至10亿或更多的离散位点)的阵列。通常，这些位点很小(例如，特点为直径或对角线小于1微米，通常小于500纳米，并且通常在50纳米至500纳米的范围内)，并且以高密度存在(例如，每平方厘米有超过～～106个位点)。核酸模板被直接或间接固定在各个位点处以用于进行测序。一般而言，每一位点都包含模板序列的克隆群体，例如dna纳米球(complete genomics,inc.)或pcr产物或扩增子(illumina,inc.)。作为说明而非限制，在这些方法中，核酸序列是在一系列测序“循环”中，一次一个碱基地确定的。“每一循环包括(i)将试剂引入固定模板分子阵列上的每个位点；(ii)在这些位点处同时执行一系列生化或酶促反应(“测序反应”)；(iii)检测每一位点处的信号(每个循环每个位点有零个、一个或一个以上的信号)，这可被称为“图像采集：”；以及(iv)在阵列上的每个位点处执行酶促、洗涤或再生步骤，以便可以执行另一测序循环。不作为限制，(iii)中收集的“信号”可以是光信号，例如荧光或发光信号。测序阵列通常包含在引物、试剂、洗涤液等可流动经过的“层流流动腔”中。通常，一次测序运行包含约400个循环，这意味着需要约400个或更多的成像事件，每一成像事件都需要从数百万个位点中的每一位点处单独获取信号。图像收集的速度和精度会影响成本、效率和测序数据质量。
24.如本文中所使用的，“测序事件”是指由测序过程产生的光信号(例如，荧光或发光信号)的发射。示例性测序过程是边合成边测序过程中的循环。在这种方法中，核苷酸被并
入到引物延伸产物中(例如使用可逆终止核苷酸)。在这种方法中，可以用例如荧光染料或发光信号源(例如荧光素酶或荧光素酶底物)标记核苷酸。发光信号包括化学发光和生物发光。核苷酸可直接用荧光染料或发光信号源标记，或者可以与用信号生成部分标记的抗体、核酸适体或其他试剂相关联。在测序过程中，通过例如用激发波长照射荧光染料来在阵列中的每一位点处产生定义的光信号，并记录这些信号及相应的位置。
25.尽管是在核酸测序的上下文中构建的，但应认识到，本文中公开的装置和方法并不限于核酸测序用途。该系统可例如用于除测序以外的核酸分析(例如，snp分析、实时pcr分析)，或者用于使用除核酸以外的衬底或分析物来分析化学或生化过程。在一方面，本发明提供了一种鉴定系统，其包括：滚筒，其限定外表面和纵向轴线；非平面衬底，其耦合到该滚筒的外表面并被配置为支持多种化学或生化反应；致动系统，其被配置为使滚筒绕纵向轴线转动；以及检测系统，其被配置为在非平面衬底在致动系统的作用下绕纵向轴线相对于检测系统转动时，检测由非平面衬底上的化学或生化反应产生的光信号。
26.图1a-1c示出了根据本技术的测序检测系统100的示例。图1a示出了测序检测系统100的示意图，该测序检测系统包括检测系统102、滚筒组件200、流体输送系统600和轨道组件400，检测系统102采用包括物镜104的光学检测系统的形式。检测系统102可以是用于检测衬底上的测序事件的光学检测系统，该光学检测系统进一步包括一个(或多个)相机、一个(或多个)处理器、一个(或多个)透镜、一个(或多个)照明源、一个(或多个)滤光镜、一个(或多个)反光镜和一个(或多个)致动器。检测系统的示例包括物镜、激光照明系统、自动聚焦系统、组合照明和检测路径并为提供自动聚焦路径的二色性滤光镜系统、以及高灵敏度相机中的一个或多个。例如，相机可以采用区域扫描或时域积分(tdi)格式。例如，检测系统102可以包括时间延迟积分(tdi)相机，其具有以500khz的线速率专用于8900x256像素的传感器。
27.例如图1b所示，滚筒组件200包括内滚筒201。如以下将更详细地描述的，内滚筒201可通常是圆柱形的，并且在内滚筒201的外表面上包括一个或多个衬底202，例如如图1e所示。内滚筒201的外表面可以是圆柱形的，并且衬底202可以是弯曲的以匹配圆柱形内滚筒201的半径，例如如图3c所示。滚筒组件200还包括作为测序检测系统100的致动系统的一部分的转动致动器203，例如电机。转动致动器203用于使内滚筒201，并因此使衬底202，相对于物镜104转动，以便对衬底202的不同部分进行成像。此外，测序检测系统100的致动系统可包括附加的致动器，其被配置为引起物镜和弯曲衬底之间在多个自由度上的相对运动，例如在多达三个正交方向上的平移和/或绕多达三个正交轴线的转动的任意组合。
28.例如如图1b所示，除了内滚筒201以外，滚筒组件200还包括外滚筒壳204和平台205，外滚筒壳204可转动地耦合到内滚筒201并定位在内滚筒201周围，平台205固定地耦合到外滚筒壳204。如图1b所示，外滚筒壳204的形状可以是大致圆柱形的，并且外滚筒壳204限定可以是大致圆柱形的内腔。内腔的形状和尺寸可被设为对应于内滚筒201的形状和尺寸。内滚筒201定位在外滚筒壳的内腔内，例如如图6a所示。外滚筒壳204可限定一个或多个开口216，该一个或多个开口216为物镜104提供光学通路以对衬底202进行成像，和/或提供到内滚筒201和外滚筒壳204的内表面之间的体积的流体输送通路。在成像期间，物镜104的端部可定位在外滚筒壳204的内腔内。开口216可以是无盖的，以使得内滚筒201和外筒壳204之间的内腔内的流体的流体表面对环境开放。可对开口216周围环境的温度、湿度和元
素大气成分中的至少一者进行控制。外滚筒壳204可以固定地耦合到平台205，以使得内滚筒201可相对于平台205和外滚筒壳204两者转动。
29.图1c示出了图1a的测序检测系统100，为了清楚起见，省略了外滚筒壳204。例如如图1c所示，内滚筒201可以是大致圆柱形的。内滚筒可以由金属和/或聚合物形成。例如，内滚筒可以由铝、钢、ultem(聚醚酰亚胺)和聚碳酸酯中的一种或多种制成。内滚筒201可以模制(例如注射模制)而成和/或机加工而成(例如用cnc车床机加工而成)。内滚筒201可具有介于10mm和1000mm之间的外径。内滚筒201包括轴206，其延伸穿过外滚筒壳204的端部并由平台203上的支架207可转动地支撑。支架可包括支撑轴206的轴承，以使得内滚筒可相对于平台转动，并使得内滚筒201相对于平台在除单一转动自由度之外的所有自由度上受限。滚筒组件200的致动器203可耦合到轴206，并且可以是例如步进电机、伺服电机等，以便引起内滚筒201相对于外滚筒壳204、平台203和检测系统的物镜104的转动。致动器203可包括反馈回路和/或飞轮，以便保持恒定的转动速度。在对衬底进行成像期间，内滚筒可例如在5rpm和1000rpm之间转动。内滚筒的转动速度可基于相机帧率和光学系统的放大倍数以及内滚筒的直径来选择。tdi相机的帧率可介于50,000线/秒和1,000,000线/秒之间。例如，相机可具有250,000线/秒的线速率和18倍的放大倍数，导致线速度高达72毫米/秒。然后可选择内滚筒的转动速度，以使得内滚筒上的衬底的表面移动经过相机的fov的线速度不超过相机系统的线速度。例如，将选择直径为100mm的内滚筒，以具有小于每秒.23转((72mm/sec)/(100mm*pi/1rev)的转动速度。
30.轨道组件400可包括基座403和一个或多个轨道404(例如，如图1b和1c所示为两个轨道)。平台203包括可滑动地耦合轨道404的滑块208，以便允许滚筒组件200在一个方向上平移，同时限制在其他方向上相对于物镜204的运动。如本文中所使用的，沿轨道404的方向的平移将被称为在xyz参考系中的x方向上的平移。如下面将更详细地讨论的，内滚筒201沿内滚筒的纵向轴线在x方向上的平移，以及内滚筒201绕内滚筒的纵向轴线绕x轴线的转动，用于引起物镜104和衬底202之间的相对运动，以便对围绕衬底202的圆周和宽度的排序事件进行成像。
31.如图1d所示，内滚筒201可包括脊部209，其限定内滚筒201的不同部分，每一个部分包括位于两个脊部209之间的凹陷表面215。脊部209的高度可在50微米和1.0毫米之间，并且宽度可在50微米和1.0毫米之间。密封元件可定位在外滚筒壳204的内腔的内表面和内滚筒201的脊部209之间，以便为内滚筒201的不同部分中的每一个部分限定流体分离的腔室。密封构件可包括o形环或垫圈。o形环或垫圈可安置在形成于外滚筒壳204的内腔的内表面中的凹槽中。每一腔室可具有流体输送系统600的专用流体输送子系统，以使得每一腔室充当一个分立的层流流动腔，其中不同的反应可以同时在各分立的层流流动腔中发生。每一分立的层流流动腔可包括一个或多个专用温度控制设备。温度控制设备可包括以下中的一者或多者：控制流体外滚筒的外壁的温度的加热/冷却元件、内滚筒内侧的嵌入式加热/冷却元件、以及例如通过保持储液器中的各个试剂的温度来控制循环进出每个层流流动腔的流体(例如试剂)的温度的加热/冷却元件。
32.图2a-2d示出了内滚筒201的部分210以及物镜104，并且进一步包括内滚筒201和物镜104之间的相对运动的指示，该运动可由致动系统中的致动器执行。内滚筒201和物镜104之间的相对运动可以由受控制系统控制的致动器执行，以便持续保持转动的弯曲衬底
202和物镜104的fov之间的切线关系，使得fov的焦点保持在弯曲衬底的所需部分上。图2a示出了内滚筒201的部分210和位于内滚筒201上方的物镜104的示例的示意图，并且如上所述，内滚筒201和物镜104之间的相对运动可用于在内滚筒201的外表面上对弯曲衬底202的不同部分进行成像。
33.图2b示出了内滚筒201的部分210以及物镜104的横截面的端视图。如图所示，内滚筒201可以在垂直于内滚筒201的纵向x轴线的垂直z方向211上以及在垂直于内滚筒201的纵向x轴线的水平y方向212上相对于物镜104移动。图2b所示的相对转动运动可以通过使滚筒组件200相对于固定的物镜104平移运动、使物镜104以及可选地与物镜204相关联的检测系统相对于无法平移的滚筒组件200平移运动、或者使物镜104和滚筒组件200相对于彼此以及固定的参考系平移运动来实现。用于执行这些平移运动的致动器可以耦合到滚筒组件200、轨道组件400以及与物镜104相关联的检测系统102中的一个或多个。图2b进一步示出了内滚筒201可在转动方向213上绕x轴转动运动，如以上结合致动器203所讨论的。
34.图2c示出了内滚筒201和物镜104的侧视图。如图所示，内滚筒201可在垂直于内滚筒201的纵向x轴线的竖直z方向211上相对于物镜104移动，如以上结合图2b所述，并且还在水平x方向214上移动。在各实施例中，如图2所示的相对x方向214的平移运动可以通过以下方式来实现：例如使用轨道系统400使滚筒组件200相对于固定的物镜104平移运动，使物镜104以及可选地与物镜204相关联的检测系统相对于无法平移的滚筒组件200平移运动，或者使物镜104和滚筒组件200两者相对于彼此以及固定的参考系平移运动。用于执行这些x方向214的平移运动的致动器可以耦合到滚筒组件200、轨道组件400以及与物镜104相关联的检测系统102中的一个或多个。
35.图2d示出了内滚筒201和物镜104的俯视图。如图所示，内滚筒201可在x方向214和y方向212上相对于物镜104移动，如结合图2b和2c所讨论的。
36.图2b-2d所示的内滚筒201和物镜104之间的相对运动的组合可由受控制系统900控制的致动系统901中的致动器执行，以便跨内滚筒201上的弯曲衬底202上的多个位置扫描物镜104，以便对测序事件进行成像。附加的相对运动(例如整个滚筒组件200相对于物镜104的x、y和/或z转动运动)可由受控制系统900控制的致动系统901中的致动器执行，以便在成像期间精确地定位、对准和/或聚焦物镜104。控制系统900可以接收来自系统100的一个或多个部件的一个或多个位置/加速度/移动传感器(例如致动器203的编码器)的任何输入组合，和/或来自检测系统102的关于弯曲衬底202的经处理图像数据，以便对物镜104和内滚筒201的相对运动进行控制。
37.图3a-3d示出了内滚筒201的部分210和衬底203的示例。如图3a所示，内滚筒201的部分210包括各脊部209之间的凹面215。一个或多个衬底202可以与凹面215一体形成或者耦合到凹面215。凹面215可以是圆柱形的，并且一个或多个弯曲衬底202可以绕凹面215的整个圆周或其一部分弯曲延伸。例如，单个弯曲衬底202可以绕内滚筒201的圆周弯曲延伸1
°‑
360
°
的任意量。衬底203可例如由硅或sio2形成。衬底可由晶片(例如硅晶片或sio2晶片)制成。可以选择晶片的厚度，以便能够被弯曲成匹配内滚筒半径的弯曲形状，而不发生破裂。如图3b所示，弯曲衬底202在耦合到凹面215之前可以是平面的。凹面的周长可介于约25mm与25000mm之间，并且宽度可介于1.0mm与30mm之间。耦合到凹面215时，弯曲衬底202可以被弯曲，以便匹配凹面的曲率，例如如图3c所示。如图3d所示，内滚筒201的一部分的凹面
215可以包括多个平行的弯曲衬底202。凹面215上的一个或多个衬底202中的每一个衬底可具有25mm至500mm的宽度。
38.例如如图3b和3c所示的内滚筒201上的衬底202可以在成像过程期间被虚拟地和/或物理地划分成子区域阵列。弯曲衬底可以定义衍生区域(“点(spot)”或离散间隔区域)的图案化阵列。这些位置或点可以被组织成规则的有序阵列，并且适于包含核酸模板分子。在一些方法中，阵列包括多于105个、多于106个、多于107个位点、多于108个位点、多于109个的位点或多于10
10
个位点，例如包括105至10
11
个位点或106至10
10
个位点。例如，这些位置可以是衬底表面的被衍生以结合核酸分子(例如，dna纳米球(dnb)、通过桥式扩增产生的模板簇，或其他模板)、孔或其他结构的区域。在一些实施例中，衬底在各点之间的表面适于不结合核酸分子。
39.在用于对衍生区域阵列进行成像的控制方案内，控制系统可以在弯曲衬底202上定义一个或多个成像路径。致动系统中的致动器用于控制物镜和衬底的相对运动，以便沿着成像路径对衬底成像。例如如图3b所示，衬底202可以包括多个虚拟定义的成像路径217，在图中被指示为表示相邻成像路径之间的虚拟边界的虚线之间的衬底区域。弯曲衬底202可完全包绕内滚筒201的凹面215，成像路径217可为围绕内滚筒201的圆环。例如，图3c示出了凹面215上围绕弯曲衬底202的一个圆环成像路径217(用斜线表示)的表示。
40.控制器可以使致动系统和检测系统沿着多个环形成像路径顺序地扫描衬底。为了扫描多个环形成像路径，可以用致动器203使内滚筒201例如以恒定速度绕x轴转动。恒定的转动速度可导致衬底的表面速度为10mm/sec至200mm/sec。利用致动系统、滚筒组件200和物镜104可以相对于彼此移动，以便使物镜104的视场定位在第一环形成像路径上。每个成像路径的宽度可以对应于物镜的fov的宽度。物镜104的端部可以被致动系统定位在弯曲衬底的20微米内，精度在+/-0.05微米内。在内滚筒201进行完整转动时，检测系统对弯曲衬底202进行成像，以便对整个第一环形成像路径进行成像。滚筒组件200和物镜104可随后可被致动系统移动，以便使物镜104的视场被定位在第二环成像路径上方，并且在内滚筒201的整个转动的过程中执行对第二环形的成像，内滚筒201可在对第一环形成像路径和第二环形成像路径进行成像时，以及在fov在第一环形成像路径和第二环形成像路径之间移动时以恒定速度转动。在各示例中，物镜可以具有1.5毫米宽的视场，并且在内滚筒的每次转动之后，滚筒组件都可在x方向上平移1.5毫米(即fov的宽度或更小)。例如，平移距离可以小于fov的宽度，使得相邻的成像路径重叠，以确保对整个衬底的完整成像。对于在内滚筒201的部分210上的一个或多个弯曲衬底上的每一成像路径，都可以重复上述用于对成像路径进行成像的步骤。致动系统还可用于使滚筒组件200相对于物镜104移动，以使得可以在内滚筒201的其他部分210上的弯曲衬底上执行步骤。
41.控制系统可以将成像路径定义为螺旋形成像路径，例如如图4a-4c所示。如图4b所示，控制系统可以在弯曲的衬底202上定义多个子路径401，当衬底202被视为平面衬底时，这些子路径401相对于衬底202的边缘成角度，以使得当衬底围绕内滚筒弯曲延伸时，一个子路径401的终点与另一子路径401的起点对齐，以形成螺旋形成像路径402。如图所示，螺旋形成像路径402可旋绕内滚筒的圆周多次。控制系统可以使致动系统和检测系统沿着弯曲衬底202上的一个或多个螺旋形成像路径扫描衬底。为了扫描螺旋形成像路径402，内滚筒201可以在致动器203的作用下以恒定速度绕x轴转动。利用致动系统中的致动器，滚筒组
件200和物镜104相对于彼此移动，以便使物镜104的视场被定位在弯曲衬底的螺旋形成像路径开始的一端。在内滚筒围绕x轴线转动的同时，致动系统使滚筒组件200以恒定速率在x方向上平移。可以协调转动和平移的速率，以使得在内滚筒201的每次转动期间，滚动组件都如上所述在x方向上平移物镜104的视场的宽度或更少，以具有重叠。以此方式，可以在单个连续成像步骤中对可基本上覆盖整个衬底的整个螺旋形成像路径进行成像，其中转动和平移在该螺旋形成像路径的整个成像过程中都保持恒定速率。对于在内滚筒201的部分210上的一个或多个弯曲衬底202上的每一成像路径，都可以重复这些步骤。致动系统还可用于使滚筒组件200相对于物镜104移动，以使得可在内滚筒201的其他部分210上的弯曲衬底上执行用于对螺旋形成像路径进行成像的步骤。
42.与通过在物镜相对于衬底的每次穿越之间频繁地停止、减缓或改变物镜相对于衬底的方向来对平面衬底进行成像的成像器相比，对连续转动的内滚筒201利用环形或螺旋形成像路径允许增加成像速度，并因此增加生成测序数据的速率。与平面衬底成像系统相比，成像速度可以通过包括两个或更多个物镜进一步增加，例如如图5a-5c所示。如图5a和5b所示，两个物镜104可定位在滚筒组件200周围的不同径向位置。此外，如图5c所示，两个物镜104的视场218比物镜的轮廓小得多，其可以在x方向上彼此偏移。x方向上的偏移可基本上等于视场218的宽度，以使得该检测系统的有效视场是单物镜检测系统的两倍宽，从而通过同时对两个成像路径217-1、217-2进行成像而使成像速度翻倍，其中相邻的成像路径可以是环形或螺旋形成像路径，并且x方向上的平移的速率可以被翻倍。致动系统可包括多个致动器，以分别引起两个或更多个物镜中的每一个物镜相对于滚筒组件的相对运动，以便分别对不同的物镜进行定位、对齐和聚焦。
43.如上所述，一个或多个弯曲衬底可以包括固定在弯曲衬底上的各位置处的核酸模板分子(例如，dnb)。在成像之前、期间和/或之后，可以使试剂和洗涤缓冲液分别流过由对应于内滚筒201的每一部分210的每一腔室所限定的层流流动腔。例如，如图1b所示，流体输送系统600可包括多个输送元件601，其用于将试剂或其他流体输送到与内滚筒201的每一部分210相关联的每一层流流动腔中。输送元件601可被定位成将流体输送到内滚筒上的衬底的一部分上，然后对在物镜下方通过的部分进行成像。输送元件601可穿过或靠近开口216延伸到外滚筒壳204中。此外，外滚筒壳204可包括位于每个腔室底部的出口端口602，例如如图6a所示。在成像期间，以及在成像步骤之前和之后发生的化学步骤期间，腔室通常可以是水性环境，这对于将置于其中的核酸模板保存在弯曲衬底上可能是必需的。流体输送系统600将流体输送到腔室中，从而维持液面603，使得凹面215的顶部浸没在水性环境中。如图6a中的示例所示，在衬底的成像期间，物镜104可浸没在液面603下方。在各示例中，液面603可以保持在凹面215的顶部以下，并且液体在弯曲衬底上的表面张力可以在衬底的非浸没部分上保持水性环境。邻近外壳开口216的环境可由环境控制系统控制以具有增加的湿度，以便减少和控制外滚筒壳204内的液体的蒸发。例如如图6b所示，外壳开口216可以包括将每个腔室的顶部密封的盖玻片604，并且物镜可以通过该盖玻片604对弯曲衬底进行成像。
44.在图6a和6b中，外滚筒壳204的内表面和凹面215之间的距离可以按比例或不按比例绘制。外滚筒壳204的内表面与凹面215之间的距离可以在0.1mm和3.0mm之间。
45.流过与内滚筒201的每一部分210相对应的腔室的试剂和洗涤缓冲液可以从出口
端口602排出并被处理掉，或者可以流到回收系统605，例如如图6a和6b所示。回收系统605可以单独储存从出口端口602抽取的流体，以在后续过程中重新使用。例如，先前使用过的试剂可以被储存起来并在后续过程中使用，以提供减少所使用的总试剂量的好处。
46.如图6a和6b所示，流体输送系统600可以使用输送元件601来用试剂和洗涤缓冲液填充腔室。流体输送系统可包括作为环境控制系统的一部分的温度控制系统，其可包括加热器、冷却器和/或温度传感器，以便以目标温度输送流体，以促进由试剂所引起的测序反应。在各示例中，腔室可以不填充试剂，而是可将试剂以液滴的形式喷射到弯曲衬底202上。例如，如图7a所示，作为图1b所示的输送元件601的补充或替代，光学成像系统可以包括用于每个腔室的喷射打印头701。例如如图7b所示，喷射打印头701可包括排成一行的多个子头702。喷射打印头701的每个子头702的宽度可对应于脊部209之间的宽度，以使得在内滚筒201的单次转动中，包括一个或多个弯曲衬底202的整个凹面215都可有试剂被喷射到其上。
47.如图7c所示，喷射打印头701可以将试剂或洗涤缓冲液的液滴703成行地喷射在弯曲衬底202上。在弯曲衬底202随内滚筒201一起转动时，可以形成液滴阵列。可以选择每个液滴的流体量以及液滴对弯曲衬底的表面张力，使得液滴扩散形成均匀的涂层，例如如图7c所示。扩散液滴层可能有0.5微米厚。或者，各个液滴可被喷射到弯曲衬底202上用于固定模板的每个衍生区域上，并且可以不扩散到结合位点之间的低活化或不同衍生化的表面中，以在表面上形成均匀的涂层。例如，可以将一个或多个单独的液滴放置在由dnb所占据的每个位置处。
48.限定滚筒组件的层流流动腔的腔室的数量可对应于测序过程中的不同化学和成像步骤的数量，例如测序过程中读取一个碱基的步骤。例如，如图8所示，一个测序过程可以包括7个试剂/洗涤缓冲液步骤801以及一个成像步骤802，并且对应的滚筒组件可以包括8个腔室，每个步骤一个腔室。在任何时候，每个腔室因此都可以用于执行测序过程中的不同步骤。在各实施例中，可在一个腔室中发生测序过程中的两个或更多个步骤，而同时在另一腔室中发生测序过程的一个或多个步骤，并且限定滚筒的层流流动腔的腔室的数量可小于测序过程中的化学和成像步骤的总数。一旦每个腔室已经执行了相应的过程步骤，每个腔室就可随后转移到相应的后续过程步骤。例如，一旦在第一腔室中执行了成像步骤，滚筒组件200和物镜104就可在致动系统的作用下在x方向上移动，以使得物镜可在第二腔室中执行成像步骤，并且试剂递送系统可在第一腔室上执行非成像化学步骤。换句话说，例如如图8所示，测序过程流可针对每个腔室同时并行执行，其中每个腔室在测序过程流的不同步骤上。多个腔室在滚筒组件中的这种布置可能是有利的，包括由于在美国专利10,351,909b2(“dna sequencing from high density dna arrays using asynchronous reactions(使用异步反应根据高密度dna阵列进行dna测序)”)中描述的原因，该专利的全部内容通过引用并入本文。
49.图9示出了测序系统的子系统的示意图。如图所示，控制系统可以被耦合来向系统中的每个组件发送和接收信号，以便控制该系统，如上所述。
50.应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且将向本领域技术人员建议根据其进行的各种修改或改变，并且将被包括在本技术的精神和范围内以及本发明的范围内。附加索赔。本文引用的所有出版物、专利和专利申请均出于所有目的通过引用整体
并入本文。
51.应当理解，上面的描述是说明性的而不是限制性的。在回顾以上描述后，许多实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围不应参照以上描述来确定，而应参照所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。
52.尽管前述公开显示了本公开的说明性方面，但应注意，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可在本文中进行各种改变和修改。不需要以任何特定顺序执行根据本文描述的公开的方面的方法权利要求的功能、步骤和/或动作。此外，尽管可以以单数形式描述或要求保护本公开的要素，但是除非明确声明限制为单数，否则可以考虑复数形式。

技术特征：
1.一种核酸测序系统，所述系统包括：滚筒，其限定外表面和纵向轴线；非平面衬底，其耦合到所述滚筒的所述外表面，并被配置为支撑多个核酸样本；致动系统，其被配置为使所述滚筒绕所述纵向轴线转动；以及检测系统，其被配置为在所述非平面衬底在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动时，在所述非平面衬底上检测测序事件。2.根据权利要求1所述的核酸测序系统，其中所述外表面为圆柱形。3.根据权利要求1或2所述的核酸测序系统，其中所述非平面衬底围绕所述滚筒的外表面弯曲。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的核酸测序系统，其中所述致动系统还被配置为使所述滚筒沿着所述纵向轴线平移，并且其中所述检测系统还被配置为在所述非平面衬底在所述致动系统的作用下沿着所述纵向轴线相对于所述检测系统平移时，在所述非平面衬底上检测测序事件。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的核酸测序系统，其中所述检测系统是包括至少一个物镜的光学检测系统。6.根据权利要求5所述的核酸测序系统，其中所述至少一个物镜包括被配置成对所述衬底的径向和纵向偏离所述滚筒的纵向轴线的部分进行成像的两个物镜。7.根据权利要求5所述的核酸测序系统，还包括：滚筒组件，其包括：所述滚筒；以及限定内腔的外滚筒壳，其中内滚筒定位在所述内腔内，并且其中所述致动系统被配置成使所述内滚筒在所述外滚筒壳的所述内腔内转动。8.根据权利要求7所述的核酸测序系统，还包括：轨道组件，其耦合到所述滚筒组件，其中所述致动系统被配置成使所述滚筒组件在平行于所述纵向轴线的方向上平移，以便在所述内滚筒绕所述纵向轴线转动时，所述至少一个物镜在平行于所述纵向轴线的方向上对所述弯曲衬底的不同部分进行成像。9.根据权利要求8所述的核酸测序系统，还包括控制系统，其中所述控制系统被配置成控制所述致动系统，以使所述内滚筒转动并使所述内滚筒平移，以便所述物镜对关于所述弯曲衬底的预定成像路径进行成像。10.根据权利要求9所述的核酸测序系统，其特征在于，所述预定成像路径为围绕所述内滚筒的圆周的环形。11.根据权利要求9所述的核酸测序系统，其特征在于，所述预定成像路径为旋绕所述内滚筒多次的螺旋形。12.根据权利要求7-11中的任一项所述的核酸测序系统，其中所述滚筒包括多个脊部，和在所述多个脊部的各相邻脊部之间的多个凹面，该多个凹面包括第一凹面，其中非平面衬底耦合到所述第一凹面。13.根据权利要求7-12中的任一项所述的核酸测序系统，还包括：流体输送系统，其被配置成将流体输送到所述外滚筒壳的所述内腔，以便在所述非平
面衬底上执行测序过程。14.根据权利要求13所述的核酸测序系统，其中所述流体输送系统包括喷射打印头，所述喷射打印头被配置为将试剂的液滴喷射到所述非平面衬底上。15.根据权利要求13所述的核酸测序系统，其中所述外滚筒壳包括出口端口，所述出口端口配置成将所述内腔内由所述流体输送系统所输送的流体排出。16.根据权利要求15所述的核酸测序系统，其中所述流体输送系统包括回收系统，所述回收系统用于捕获从所述出口端口排出的流体，以便再利用所述流体。17.根据权利要求1-16中的任一项的核酸测序系统，其中所述非平面衬底包括离散间隔区域(“点”)的有序阵列，其中所述离散间隔区域适用于固定核酸。18.根据权利要求17所述的核酸测序系统，还包括：固定在所述阵列中的所述离散间隔区域上的核酸。19.根据权利要求18所述的核酸测序系统，其中固定在所述离散间隔区域上的核酸为dnb或pcr产物。20.一种核酸测序方法，该方法包括：通过致动系统使限定外表面的滚筒绕所述滚筒的纵向轴线转动；以及在耦合到所述滚筒的非平面衬底在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于检测系统转动时，通过所述检测系统在所述非平面衬底上检测测序事件。21.根据权利要求20所述的方法，其中检测测序事件是在所述滚筒以恒定速度转动时执行的。22.根据权利要求20和21所述的方法，其中在所述非平面衬底上检测测序事件包括：将所述检测系统的物镜定位在相对于所述滚筒的所述纵向轴线的第一纵向位置；在所述滚筒在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动至少一整圈时，将所述物镜保持在所述第一纵向位置，以便围绕第一环形成像路径对所述非平面衬底的第一部分进行成像；将所述物镜定位在相对于所述滚筒的所述纵向轴线的第二纵向位置；以及在所述滚筒在所述致动器的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动至少一整圈时，将所述物镜保持在所述第二纵向位置，以便围绕第二环形成像路径对所述非平面衬底的第二部分进行成像，所述第二部分不同于所述第一部分。23.根据权利要求20和21所述的方法，其中在所述非平面衬底上检测测序事件包括：将所述检测系统的物镜定位在相对于所述滚筒的纵向轴线的第一纵向位置；以及在所述滚筒在所述致动系统的作用下绕所述纵向轴线相对于所述检测系统转动时，以恒定速度将所述物镜从所述第一纵向位置平移到第二纵向位置，以便对围绕所述非平面衬底的螺旋形成像路径进行成像。

技术总结
一种核酸测序系统可包括非平面衬底，其耦合到转动滚筒的外表面。该衬底可以是弯曲的，并且包括多个核酸样本。在该非平面衬底在致动系统的作用下绕滚筒的纵向轴线相对检测系统转动时，检测系统可在该非平面衬底上检测测序事件，检测系统包括例如物镜和相机。检测系统包括例如物镜和相机。检测系统包括例如物镜和相机。


技术研发人员：保罗
受保护的技术使用者：深圳华大智造科技股份有限公司
技术研发日：2021.11.02
技术公布日：2023/7/7