一种激发装置及基因测序系统的制作方法

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1.本实用新型涉及基因测序技术领域，具体而言，涉及一种激发装置及基因测序系统。

背景技术：

2.脱氧核糖核酸(dna)由双螺旋结构组成，其通过四种碱基互补而连接。四种碱基不同的排列组合方式中蕴藏了生命体遗传信息的秘密，因此，对于四种碱基的排列顺序进行测量对于遗传学有着重大意义。经过三代的发展，现阶段的基因测序通过单分子检测技术能够实现对核酸进行“边合成边检测”，通过检测每次合成的碱基的所释放的荧光信号颜(四种碱基荧光信号波段不同)得出碱基类型，从而测出整段核酸的序列。
3.目前，单分子检测技术中的激发模块通常使用多个传统透镜，以将不同激发光源进行合束，最终通过共聚焦的方式获得不同的荧光信号(例如，在每个激发光源的出光侧分别设置用于准直和聚焦的多个传统透镜)；而这种结构的激发模块体积庞大，不利于小型化、便携化。

技术实现要素：

4.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种激发装置及基因测序系统。
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种激发装置，包括：光源阵列、偏折超透镜以及合束透镜；所述偏折超透镜设置在所述光源阵列的出光侧，所述合束透镜设置在所述偏折超透镜的出光侧；所述光源阵列包括多个光源，每个所述光源用于发射一种激发光，多种所述激发光的波长不同；且每种所述激发光用于激发待测样品中具有相应荧光标记的分子产生相应的荧光信号；所述偏折超透镜用于接收多种所述激发光，并将多种所述激发光分别以不同偏转角射向所述合束透镜的同一区域；所述偏转角表示所述激发光射出所述偏折超透镜的出射角；所述合束透镜用于将入射的多种所述激发光准直并合束得到合束激发光，并将所述合束激发光射出；所述合束激发光表示由多种所述激发光形成的平行光。
6.可选地，光源阵列设置于所述偏折超透镜的焦平面处。
7.可选地，偏折超透镜与所述合束透镜之间的距离满足：2f1≤d≤5f1；其中，d表示所述偏折超透镜与所述合束透镜之间的距离；f1表示所述偏折超透镜的焦距。
8.可选地，偏折超透镜包括多个超透镜单元，所述超透镜单元与所述光源一一对应；所述超透镜单元用于接收对应光源所发射的一种所述激发光，并将所述激发光以相应的偏转角射向所述合束透镜。
9.可选地，每个所述超透镜单元表面具有多个第一纳米结构，所述超透镜单元的相位分布满足：
10.11.其中，表示所述超透镜单元的相位；ri表示第i个超透镜单元中的第一纳米结构与所述第i个超透镜单元的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；αi表示第i种激发光的偏转角；f1表示所述偏折超透镜的焦距；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。
12.可选地，合束透镜包括：合束超透镜。
13.可选地，合束超透镜包括多个第二纳米结构；所述第二纳米结构用于将入射的多种所述激发光准直并合束，得到所述合束激发光并射出。
14.可选地，合束超透镜的相位分布满足：
[0015][0016]
其中，表示所述合束超透镜表面r位置处的第二纳米结构，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；r表示所述第二纳米结构与所述合束超透镜的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；αi表示第i种激发光的偏转角；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。
[0017]
可选地，合束超透镜包括多个阵列式排布的纳米结构单元；所述纳米结构单元包括：多种种类数量与所述激发光的种类数量相同的纳米柱；每种所述纳米柱用于将相应的激发光调制为平行光射出；多种所述平行光构成所述合束激发光。
[0018]
可选地，合束超透镜的相位分布满足：
[0019][0020]
其中，表示所述合束超透镜表面ri
′
位置处的纳米柱，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；ri
′
表示第i种纳米柱与所述合束超透镜的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；αi表示第i种激发光的偏转角；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。
[0021]
可选地，n＝4。
[0022]
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种基因测序系统，包括：如上所述任意一种激发装置、载样台和接收装置；所述激发装置用于向所述载样台发射合束激发光，所述合束激发光表示由多种所述激发光形成的平行光；所述载样台用于放置待测样品；所述接收装置用于接收在所述合束激发光的作用下，由所述待测样品生成的具有不同波长的荧光信号。
[0023]
可选地，接收装置包括：物镜、分束镜、目镜和多个设置在不同位置的探测器；所述分束镜用于接收所述激发装置发射的所述合束激发光，并将部分所述合束激发光反射向所述物镜；所述物镜用于将射入的所述合束激发光透射向所述载样台表面放置的待测样品；所述物镜还用于收集在所述合束激发光的作用下，由所述待测样品生成的具有不同波长的荧光信号，并将所述具有不同波长的荧光信号依次射向所述分束镜和所述目镜；所述目镜用于将所述具有不同波长的荧光信号分别射向不同的探测器中。
[0024]
可选地，物镜为超透镜。
[0025]
可选地，物镜包括多个第三纳米结构；多个所述第三纳米结构设置在所述物镜的
中央区域，用于将射入的所述合束激发光聚焦射向所述载样台。
[0026]
可选地，第三纳米结构对射入的合束激发光提供的相位调制满足：
[0027][0028]
其中，表示所述物镜的中央区域的相位；r表示所述第三纳米结构与所述物镜的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；f2表示所述物镜的焦距；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。
[0029]
可选地，物镜还包括：多个第四纳米结构，多个所述第四纳米结构共面设置在多个所述第三纳米结构的周围；所述第四纳米结构对射入的具有不同波长的荧光信号提供的相位调制满足：
[0030][0031]
其中，表示所述物镜具有所述第四纳米结构的区域的相位；r
′
表示所述第四纳米结构与所述物镜的中心点之间的距离；λ2,j表示第j种荧光信号的波长；f2表示所述物镜的焦距；j＝1、2、
···
、m，m表示所述荧光信号的种类数量。
[0032]
可选地，目镜为超透镜。
[0033]
可选地，目镜包括多个第五纳米结构；所述第五纳米结构用于将射入的具有不同波长的荧光信号，分别聚焦至不同的探测器中。
[0034]
可选地，目镜的相位分布满足：
[0035][0036]
其中，表示所述目镜的相位；r
′
表示所述第五纳米结构与所述目镜的中心点之间的距离；λ2,j表示第j种荧光信号的波长；f3表示所述目镜的焦距；βj表示射出所述目镜的第j种荧光信号的出射角；j＝1、2、
···
、m，m表示所述荧光信号的种类数量。
[0037]
可选地，接收装置还包括：与多个所述探测器一一对应的多个滤波片；每个所述滤波片均设置于所述目镜与所述探测器之间，且所述滤波片与所述探测器之间的距离小于所述滤波片与所述目镜之间的距离；所述滤波片用于滤除射向所述探测器的合束激发光。
[0038]
可选地，载样台为能够实现水平移动的载样台。
[0039]
本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，采用偏折超透镜将不同波长的激发光进行合束，相比于使用多个传统透镜(如多个二向镜)对激发光合束的装置而言，本激发装置整体更加轻薄，体积小，结构简单且成本更低。
[0040]
本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，采用了整体更加轻薄，结构更加简单，成本更低的激发装置，使得该基因测序系统更加小型化，且更加便携。
[0041]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1示出了本实用新型实施例所提供的一种激发装置的示意图；
[0044]
图2示出了本实用新型实施例所提供的激发装置中，合束超透镜的放大示意图；
[0045]
图3示出了本实用新型实施例所提供的一种基因测序系统的示意图；
[0046]
图4示出了本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，物镜的一种放大示意图；
[0047]
图5示出了本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，物镜的另一种放大示意图；
[0048]
图6示出了本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，物镜的俯视图；
[0049]
图7示出了本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，目镜的放大示意图；
[0050]
图8示出了本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，接收装置的局部放大示意图。
[0051]
图标：
[0052]
1-光源阵列、2-偏折超透镜、3-合束透镜、11-光源、21-超透镜单元、211-第一纳米结构、31-合束超透镜、310-纳米结构单元、3101-纳米柱、500-激发装置、600-载样台、700-接收装置、701-物镜、702-分束镜、703-目镜、704-探测器、705-滤波片、7011-第三纳米结构、7012-第四纳米结构、7031-第五纳米结构。
具体实施方式
[0053]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0054]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0055]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0056]
本实用新型实施例提供了一种激发装置，参见图1所示，该激发装置包括：光源阵列1、偏折超透镜2以及合束透镜3；偏折超透镜2设置在光源阵列1的出光侧，可选地，光源阵列1设置于偏折超透镜2的焦平面处，也就是说，光源阵列1与偏折超透镜2之间的距离为该
偏折超透镜2的焦距；合束透镜3设置在偏折超透镜2的出光侧；可选地，该偏折超透镜2与合束透镜3之间的距离满足：2f1≤d≤5f1；其中，d表示偏折超透镜2与合束透镜3之间的距离；f1表示偏折超透镜2的焦距。其中，若偏折超透镜2与合束透镜3之间的距离d太小，对于偏折超透镜2的偏折能力要求将较高；若偏折超透镜2与合束透镜3之间的距离d较大，则该激发装置的体积将增大，不利于其小型化；因此，本实用新型实施例可以基于偏折超透镜2的焦距f1，确定偏折超透镜2与合束透镜3之间较为合适的距离d，在二者之间满足：2f1≤d≤5f1的条件时，能够使该激发装置在体积较小的情况下也能具有偏折效果较好的偏折超透镜2。
[0057]
图1以光源阵列1的右侧为其出光侧示出，以偏折超透镜2的右侧为其出光侧示出，例如，图1由左至右依次设置光源阵列1、偏折超透镜2以及合束透镜3，且偏折超透镜2与合束透镜3可以是共轴设置的。
[0058]
如图1所示，光源阵列1包括多个光源11，每个光源11用于发射一种激发光，多种激发光的波长不同；且每种激发光用于激发待测样品中具有相应荧光标记的分子产生相应的荧光信号；偏折超透镜2用于接收多种激发光，并将多种激发光分别以不同偏转角射向合束透镜3的同一区域；偏转角表示激发光射出偏折超透镜2的出射角；合束透镜3用于将入射的多种激发光准直并合束得到合束激发光，并将合束激发光射出；合束激发光表示由多种激发光形成的平行光。
[0059]
在本实用新型实施例所提供的激发装置中，光源阵列1所包括的每个光源11均可以发射某种波长的激发光，如光源11可以是固体激光器或光纤激光器等；且每个光源11所发射的激发光的波长互不相同，例如，该光源阵列1可以包括4个光源11，这4个光源11所发射的激发光可以分别是具有第一波长的激发光、具有第二波长的激发光、具有第三波长的激发光以及具有第四波长的激发光。其中，激发光是一种通过照射在具有相应的荧光标记的分子上，使该分子发射相应的荧光信号的光束；本实用新型实施例将具有多种不同荧光标记的多个分子的溶液作为待测样品，且每个被标记的分子仅被一种荧光标记所标记，当这些被不同荧光标记所标记的分子接收到相应的激发光(与该荧光标记所一一对应的某种波长的激发光)时，这些分子将分别发射相应波长的荧光信号(波长与该激发光的波长相对应的荧光信号)。
[0060]
在偏折超透镜2接收到由光源阵列1所发射的多种不同波长的激发光的情况下，偏折超透镜2可以对这些激发光进行调制，将每种激发光分别以某种偏折角(出射角)射出，且不同激发光在经该偏折超透镜2射出时所对应的偏折角各不相同。本实用新型实施例中，尽管每种激发光从偏折超透镜2射出时的偏折角各不相同，但以不同偏折角射出的各个激发光都将射向合束透镜3的同一区域中，例如，以不同偏折角射出的激发光均能够射向合束透镜3的中间区域，如图1所示的重合区域s；或者，每种激发光所分别对应射向合束透镜3的区域也可以不完全相同，但各个区域之间具有相互重合的区域，本实用新型实施例可以将多个区域之间的重合的区域作为各个激发光射向该合束透镜3的同一区域。
[0061]
其中，以不同的偏折角射入合束透镜3同一区域的多种激发光可以得到该合束透镜3的调制，由该合束透镜3将多种激发光的出射角统一调制为同一大小，即，最终由该合束透镜3所射出的光束是经准直后的多种激发光所形成的相互平行的平行光，该平行光可以称作合束激发光，换句话说，多束偏折角互不相同的激发光经过该合束透镜3的调制后，可以合为一束混合的平行光，该混合的平行光为合束激发光。本实用新型实施例中，合束激发
光的出射角的大小可以是0，也就是说，合束激发光可以是与主光轴相互平行射出的光，如图1所示，该合束激发光水平射出。其中，该合束透镜3可以是衍射光学元件(diffractive optical elements)，简称doe元件，又称二元光学器件，主要用于激光整形。
[0062]
本实用新型实施例所提供的激发装置，采用偏折超透镜2将不同波长的激发光进行偏折，相比于使用多个传统透镜(如多个二向镜)对激发光合束的装置而言，本激发装置整体更加轻薄，体积小，结构简单且成本更低。
[0063]
可选地，参见图1所示，偏折超透镜2包括多个超透镜单元21，超透镜单元21与光源11一一对应；图1示出了光源阵列1包括4个光源11且偏折超透镜2包括4个超透镜单元21的情况。如图1所示，超透镜单元21用于接收对应光源11所发射的一种激发光，并将激发光以相应的偏转角射向合束透镜3。
[0064]
其中，每个光源11所发射的激发光能够照射与其相对设置的超透镜单元21，如图1所示，位于该光源阵列1最上端的光源11所发射的激发光将投射至位于该偏折超透镜2最上端的超透镜单元21，由该超透镜单元21将该束激发光以相应的偏转角投射向合束透镜3中；同样地，剩余其他波长的激发光在各自对应的光源11与超透镜单元21中的传播光路与上述描述相类似，此处将不再赘述。
[0065]
本实用新型实施例通过在偏折超透镜2的不同位置(与每个光源11分别对应的位置)分别设置超透镜单元21，例如，每个超透镜单元21分别对应一个光源11，每个超透镜单元21各不相同，使得每一种激发光可以被相应的超透镜单元21所调制，令每种激发光能够被较为精确地调制，如每种激发光能够以相应的偏转角(出射角)准确射向合束透镜3的同一区域。
[0066]
可选地，参见图1所示，每个超透镜单元21表面具有多个第一纳米结构211，超透镜单元21的相位分布满足：
[0067][0068]
其中，表示超透镜单元21的相位；ri表示第i个超透镜单元21中的第一纳米结构211与第i个超透镜单元21的中心点之间的距离，其中，第i个超透镜单元21用于调制第i种激发光的波长；λ
1,i
表示第i种激发光的波长，也就是说，λ1表示激发光的波长，其中，图1以不同灰度的条带表示不同波长的激发光；αi表示第i种激发光的偏转角，可以理解，该αi表示由第i个超透镜单元21所射出的第i种激发光的出射角，例如，由第一个超透镜单元21所射出的第一种激发光的主光线与法线之间的夹角α1(如图1所示，图1以虚线表示法线)；f1表示偏折超透镜2的焦距；i＝1、2、
···
、n，n表示激发光的种类数量，可选地，n＝4；如图1所示，激发光的种类数量可以是四种，分别是第一种波长的激发光、第二种波长的激发光、第三种波长的激发光以及第四种波长的激发光，且分别对应第一个超透镜单元21、第二个超透镜单元21、第三个超透镜单元21以及第四个超透镜单元21。
[0069]
本实用新型实施例中，每一个超透镜单元21中的每一个第一纳米结构211对于由相应的光源11所发射的相应波长的激发光，均具有将其以相应的偏折角射向合束透镜3的某一位置(如图1中的s区域)的调制功能；例如，第一个超透镜单元21中的每一个第一纳米结构211对于由第一个光源11所发射的第一种波长的激发光，均具有将其以相应的偏折角(如第一偏折角)射向合束透镜3的某一位置(如图1中的s区域)的调制功能；当位于r1处的
第一纳米结构211(如，与该第一个超透镜单元21的中心的距离为r1处所对应的第一纳米结构211)的相位满足上述相位分布公式：构211)的相位满足上述相位分布公式：且i＝1时，可以实现将射入其中的某种激发光射向合束透镜3的某一位置(如图1中s区域)的功能。
[0070]
进一步地，第二个超透镜单元21中的每一个第一纳米结构211对于由第二个光源11所发射的第二种波长的激发光，均具有将其以相应的偏折角(如第二偏折角)射向合束透镜3的某一位置(如与第一种波长的激发光在合束透镜3表面的入射位置相重合的位置，如图1中的s区域)的调制功能；同样地，第三个超透镜单元21与第四个超透镜单元21对于射入各自其中的激发光的调制效果与上述所描述的过程类似，此处将不再赘述。需要说明的是，在偏折超透镜2与合束透镜3共轴设置，并且，多种不同波长的激发光是以平行于主光轴的方向射入偏折超透镜2，以平行于主光轴的方向射出合束透镜3的情况下，由该偏折超透镜2射出的某种激发光的主光线的偏折角(如第一种激发光的主光线的偏折角α1)，与由合束透镜3射出的主光线的偏转角(如射入s区域的主光线的偏转角)可以相同，如均为α1。
[0071]
可选地，如图1所示，合束透镜3包括：合束超透镜31，本实用新型实施例采用合束超透镜31作为合束透镜3，能够使该激发装置进一步实现轻薄化，且能够进一步降低传统透镜所带来的较高成本。
[0072]
可选地，参见图1所示，合束超透镜31包括多个第二纳米结构，图1以多个纵向排布的黑矩形表示该第二纳米结构，且第二纳米结构可以设置在整个合束超透镜31的表面，或者，第二纳米结构也可以设置在多种激发光所射入的同一区域的表面，如图1中s区域；该第二纳米结构用于将入射的多种激发光准直并合束，得到合束激发光并射出。
[0073]
其中，合束超透镜31表面所具有的第二纳米结构对射入其中的每种激发光均具有调制作用，换句话说，第二纳米结构对于每种激发光都可以进行相应地调制，例如，分别以不同偏折角射入该合束超透镜31表面的多种激发光，能够被第二纳米结构调制为一束平行光(合束)且准直射出，即射出合束激发光。可选地，合束超透镜31的相位分布满足：
[0074][0075]
其中，表示合束超透镜31表面r位置处的第二纳米结构，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；r表示第二纳米结构与合束超透镜31的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长，也就是说，λ1表示激发光的波长；αi表示第i种激发光的偏转角，可以理解，该αi表示射入合束超透镜31的激发光的主光线在该合束超透镜31出光侧的延长线与该合束超透镜31射出的主光线之间的夹角(如图1所示合束超透镜31出光侧的α1)；i＝1、2、
···
、n，n表示激发光的种类数量。
[0076]
本实用新型实施例中，当位于r处的第二纳米结构(如，与该合束超透镜31的中心的距离为r处所对应的第二纳米结构)的相位满足上的距离为r处所对应的第二纳米结构)的相位满足上(或者也可以理解为相应的偏折角)射入的多种激发光调制为一束平行光(合束激发光)且准直射
出的功能。
[0077]
可选地，参见图2所示，合束超透镜31包括多个阵列式排布的纳米结构单元310；纳米结构单元310包括：多种种类数量与激发光的种类数量相同的纳米柱3101；每种纳米柱3101用于将相应的激发光调制为平行光射出；多种平行光构成合束激发光；图2中以不同填充图案区分多种纳米柱3101。
[0078]
如图2所示，图2为该合束超透镜31的放大示意图，可以在该合束超透镜31的任一表面上设置多个纳米结构单元310，且多个纳米结构单元310呈阵列式排布；例如，可以在合束超透镜31的入光侧表面阵列式排布多个纳米结构单元310，或者，也可以在合束超透镜31的出光侧表面阵列式排布多个纳米结构单元310(如图2所示)，本实用新型实施例对此不做限定；其中，每个纳米结构单元310对入射的多种激发光(具有不同波长)均具有调制作用，例如，在多种激发光射入任一纳米结构单元310时，均可以被该纳米结构单元310按照波长的不同(或者也可以理解为按该激发光的入射角或偏折角的不同)分别偏转不同的程度，以使得多种激发光最终以同一出射角且相互平行地射出，得到合束激发光。
[0079]
具体地，每个纳米结构单元310中均包括多种纳米柱3101，其中，纳米柱3101也是一种纳米结构，且纳米柱3101的种类数量与射入该合束超透镜31中的激发光的种类数量一致，如图2所示，若共有4种激发光射入该合束超透镜31表面，则该合束超透镜31的每个纳米结构单元310中分别有4种不同的纳米柱3101，需要说明的是，每种纳米柱3101分别与每种波长的激发光一一对应，即每种纳米柱3101能够调制与之相对应的激发光。
[0080]
需要说明的是，在不同波长的激发光射入纳米结构单元310的情况下，其中的每一种纳米柱3101仅对与该纳米柱3101相对应的激发光具有使其偏折射出的调制作用，对于其他波长的激发光均不具有使这些激发光偏折射出的调制作用；而由于阵列式依次排列纳米结构单元310使得多个纳米柱3101也是呈阵列式排布的，不同纳米柱3101的排列较为紧凑(如图2所示)，基于光是以波动的形式传播的原理，紧密排列的不同纳米柱3101能够相互影响，实现对不同波长的激发光进行偏折调制；例如，射入第一种纳米柱3101的第二波长的激发光、第三种波长的激发光以及第四种波长的激发光，会分别受到该第一种纳米柱3101周围(如距离该第一种纳米柱3101最近)设置的第二种纳米柱3101、第三种纳米柱3101以及第四种纳米柱3101的影响，最终被该第一种纳米柱3101周围设置的第二种纳米柱3101、第三种纳米柱3101以及第四种纳米柱3101调制射出。
[0081]
本实用新型实施例选用对不同波长的激发光分别具有不同调制作用的纳米柱3101构成纳米结构单元310，并利用阵列式排布的纳米结构单元310实现对不同波长的激发光的合束，使得该激发装置仅需利用一片合束超透镜31便可实现对不同波长的激发光的合束，其结构较为简单轻薄。
[0082]
可选地，合束超透镜31的相位分布满足：
[0083][0084]
其中，表示合束超透镜31表面ri′
位置处的纳米柱3101，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；ri′
表示第i种纳米柱3101与合束超透镜31的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长，可以理解，λ1表示激发光的波长；αi表示第i种激发光的偏转角，可以理解，该αi表示射入合束超透镜31的激发光的主光线在该
合束超透镜31出光侧的延长线与该合束超透镜31射出的主光线之间的夹角；i＝1、2、
···
、n，n表示激发光的种类数量。
[0085]
本实用新型实施例中，当位于ri′
处的第i种纳米柱3101(如，与该合束超透镜31的中心的距离为ri′
处所对应的第i种纳米柱3101)
[0086]
该位于ri′
处的第i种纳米柱3101可以将以对应波长(如第i种波长，或者也可以理解为对应的偏折角)射入的激发光，调制为以某种偏折程度射出；并且，在位于该位于ri′
处的纳米柱3101周围的其他纳米柱3101的影响下，该合束超透镜31最终可以实现将以不同波长(或不同偏折角)射入的多种激发光调制为一束平行光(合束激发光)且准直射出的功能。
[0087]
本实用新型实施例还提供了一种基因测序系统，参见图3所示，该基因测序系统包括：上述任意一种激发装置500、载样台600和接收装置700；激发装置500用于向载样台600发射合束激发光，合束激发光表示由多种激发光形成的平行光；载样台600用于放置待测样品；接收装置700用于接收在合束激发光的作用下，由待测样品生成的具有不同波长的荧光信号。
[0088]
如图3所示，载样台600是能够放置待测样品的平台，可选地，载样台600为能够实现水平移动的载样台，例如，该载样台600能在水平方向实现精细位移；其中，该待测样品可以是具有多种不同荧光标记的多个分子的溶液，例如，待测样品可以是被多种不同荧光标记处理过的碱基溶液(例如，具有已配对的碱基以及未参与配对的游离碱基)。其中，激发装置500能够向载样台600(如待测样品)发射合束激发光，该合束激发光中包括多种不同波长的激发光，且多种不同波长的激发光相互平行合为一束光(如图3所示)；在该合束激发光照射在载样台600表面的待测样品的情况下，该待测样品中，与某种波长的激发光相匹配的荧光标记所标记的碱基，将被该种波长的激发光激发出相应波长的荧光信号，并且，该待测样品所发射的具有不同波长的荧光信号，将被接收装置700所接收。其中，合束激发光中所包括的激发光的种类与待测样品中用于标记碱基的荧光标记的种类相同，并且，最终由具有不同荧光标记的碱基所产生的不同荧光信号的种类也与该合束激发光中所包括的激发光的种类相同，换句话说，合束激发光中所包括的激发光的种类、待测样品中用于标记碱基的荧光标记的种类以及产生的荧光信号，三者之间具有相互对应的映射关系。
[0089]
本实用新型实施例所提供的基因测序系统，采用了整体更加轻薄、结构更加简单、成本更低的激发装置500，使得该基因测序系统更加小型化，且更加便携。
[0090]
可选地，参见图3所示，接收装置700可以包括：物镜701、分束镜702、目镜703和多个设置在不同位置的探测器704(图3中由下至上依次设置)；其中，分束镜702用于接收激发装置500发射的合束激发光，并将部分合束激发光反射向物镜701；物镜701用于将射入的合束激发光透射向载样台600表面放置的待测样品；物镜701还用于收集在合束激发光的作用下，由待测样品生成的具有不同波长的荧光信号，并将具有不同波长的荧光信号依次射向分束镜702和目镜703；目镜703用于将具有不同波长的荧光信号分别射向不同的探测器704中。
[0091]
本实用新型实施例中，由激发装置500所射出的合束激发光将依次通过分束镜702与物镜701射向载样台600。具体地，合束激发光能够射向位于该激发装置500出光侧设置的
分束镜702中，该分束镜702可以是半透半反镜；该合束激发光经分束镜702的反射，一部分将射向设置于该分束镜702与载样台600之间的物镜701中，需要说明的是，本实用新型实施例可以利用物镜701对入射其中的合束激发光进行调制(如准直或聚焦)，并透射至载样台600(如待测样品)，使该待测样品在该合束激发光的照射下发射不同波长的荧光信号；而射向载样台600表面被反射的合束激发光，将依次经物镜701、分束镜702最终透射向目镜703。
[0092]
由于待测样品(位于载样台600表面)所发射的不同波长的荧光信号是一种发散光，因此，本实用新型实施例可以利用该物镜701对待测样品所发射的不同波长的荧光信号进行准直，换句话说，由该待测样品所发射的不同波长的荧光信号将射向该物镜701，经该物镜701准直并透射向分束镜702表面，最终由该分束镜702透射向目镜703中。其中，该目镜703能够将入射的具有不同波长的荧光信号，按波长分别射向位于该目镜703出光侧的不同探测器704中，可以理解，不同的探测器704分别位于不同位置。其中，探测器704可以包括光电倍增管(photomultiplier，pmt)或者雪崩二极管(avalanche photodiode，apd)等，本实用新型实施例对此不做限定。
[0093]
可选地，物镜701为超透镜，这样的设置可以使接收装置700更加轻薄，包含其的基因测序系统也能进一步实现轻薄化，且能够进一步降低传统透镜所带来的较高成本。
[0094]
可选地，由于待测样品中被荧光标记所标记的碱基相互之间排列紧密，且除了进行配对的碱基以外，该待测样品中还存在有游离碱基，该游离碱基若接收到合束激发光，并在合束激发光中与之匹配的某种波长的激发光的照射下生成荧光信号，则该游离碱基所发射的荧光信号将影响该基因测序系统的准确性，导致存在误差；基于此，本实用新型实施例可以对基因测序系统中的物镜701进行改进，使其能够更为准确地照射到所需检测的碱基(如发生配对的碱基)。参见图4所示，图4为该物镜701的放大示意图；该物镜701包括多个第三纳米结构7011；多个第三纳米结构7011设置在物镜701的中央区域，用于将射入的合束激发光聚焦射向载样台600(图4中未示出载样台600，可以参见图3所示)。
[0095]
本实用新型实施例中，该物镜701可以通过其表面设置的第三纳米结构7011，将射入其中的合束激发光进行会聚，如聚焦射向位于其焦平面设置的载样台600表面，其中，该第三纳米结构7011的具体设置位置为该物镜701的中央区域(如图4所示)，该中央区域的口径(如直径)能够使射入其中的合束激发光全部得到调制，例如，射入该中央区域的合束激发光可以被全部聚焦射向载样台600，使得该合束激发光能够以一个焦点的形式呈现在载样台600(如待测样品)的表面，这样可以使合束激发光能够更加精准地照射在正在进行配对的碱基表面，避免了未经聚焦的合束激发光直接照射在载样台600(如待测样品)，从而导致游离碱基被照射，发射出错误的荧光信号的情况发生；本实用新型实施例避免了游离碱基的信号窜扰，提高了信噪比。
[0096]
需要说明的是，该物镜701的中央区域所具有的第三纳米结构7011除了可以将射入其中的合束激发光聚焦射向载样台600以外，射入该第三纳米结构的不同波长的荧光信号(由待测样品发射)也可以基于光路可逆原理，由该第三纳米结构7011透射向分束镜702中，例如，可以是准直射出。
[0097]
可选地，第三纳米结构7011对射入的合束激发光提供的相位调制满足：
[0098]
[0099]
其中，表示物镜701的中央区域的相位；r表示第三纳米结构7011与物镜701的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长，也就是说，λ1表示激发光的波长；f2表示物镜701的焦距，即物镜701与载样台600之间的距离；i＝1、2、
···
、n，n表示激发光的种类数量。
[0100]
本实用新型实施例中，当位于r处的第三纳米结构7011(如，与该物镜701的中心的距离为r处所对应的第三纳米结构7011)的相位满足上述相位分布公式：时，可以实现将射入的合束激发光聚焦射向载样台600的功能。
[0101]
可选地，参见图5所示，物镜701还包括：多个第四纳米结构7012，多个第四纳米结构7012共面设置在多个第三纳米结构7011的周围，图5中以不同尺寸的纳米结构分别表示第三纳米结构7011(尺寸大)与第四纳米结构7012(尺寸小)；第四纳米结构7012对射入的具有不同波长的荧光信号提供的相位调制满足：
[0102][0103]
其中，表示物镜701具有第四纳米结构7012的区域的相位；r
′
表示第四纳米结构7012与物镜701的中心点之间的距离；λ
2,j
表示第j种荧光信号的波长，也就是说，λ2表示荧光信号的波长；f2表示物镜701的焦距，即物镜701与载样台600之间的距离；j＝1、2、
···
、m，m表示荧光信号的种类数量，其中m可以与n相同，均等于4。
[0104]
如图5所示，在多个第三纳米结构7011的周围共面排布有多个第四纳米结构7012，换句话说，多个第四纳米结构7012在该物镜701的中央区域的周围设置，将多个第三纳米结构7011包围，可以理解，多个第四纳米结构7012可以构成该物镜701的边缘区域。例如，可以参见图6所示，图6示出了该物镜701的俯视图；该物镜701的中央区域(具有第三纳米结构7011的区域)的形状可以是圆形，相应地，包围在其周围的多个第四纳米结构7012所构成区域(如边缘区域)的形状可以是圆环形。本实用新型实施例中，这些第四纳米结构7012能够收集射入的不同波长的荧光信号，并将所收集到的不同波长的荧光信号准直射出。具体地，当位于r
′
处的第四纳米结构7012(如，与该物镜701的中心的距离为r
′
处所对应的第四纳米结构7012)的相位满足上述相位分布公式：时，可以实现将射入的不同波长的荧光信号准直射向分束镜702的功能。
[0105]
本实用新型实施例所提供的基因测序系统中，基于设置在物镜701中央区域周围的第四纳米结构7012，可以扩大该物镜701的na(numerical aperture，数值孔径)，从而收集到更多不同波长的荧光信号，提高该基因测序系统的检测效率。
[0106]
可选地，目镜703为超透镜，这样的设置同样可以使接收装置700更加轻薄，包含其的基因测序系统也能进一步实现轻薄化，且能够进一步降低传统透镜所带来的较高成本。
[0107]
可选地，参见图3所示，该目镜703包括多个第五纳米结构7031；第五纳米结构7031用于将射入的具有不同波长的荧光信号，分别聚焦至不同的探测器704中。
[0108]
其中，入射的荧光信号(可以分别为不同波长)经目镜703的调制，可以被该目镜
703按波长不同分别射向不同的探测器704；具体地，不同波长的荧光信号经目镜703中所包括的第五纳米结构7031的调制，可以分别以不同的出射角(如主光线的出射角)射出，即射向不同的方向，最终射向位于该目镜703出光侧设置的不同探测器704中。
[0109]
可选地，目镜703的相位分布满足：
[0110][0111]
其中，表示目镜703的相位；r
′
表示第五纳米结构7031与目镜703的中心点之间的距离；λ
2,j
表示第j种荧光信号的波长，可以理解，λ2表示荧光信号的波长；f3表示目镜703的焦距；βj表示射出目镜703的第j种荧光信号的出射角，例如，如图3所示，由目镜703所射出的第一种波长的荧光信号的主光线与法线之间的夹角β1；j＝1、2、
···
、m，m表示荧光信号的种类数量，其中m可以与n相同，例如均等于4。
[0112]
本实用新型实施例中，每一种波长的荧光信号分别对应一种第五纳米结构7031，例如，目镜703需要接收4种不同波长的荧光信号，该目镜703表面分别设置有4种不同的第五纳米结构7031，每种第五纳米结构7031与一种波长的荧光信号相互对应，例如，以第一种第五纳米结构7031为例，该第一种第五纳米结构7031能够对第一种波长的荧光信号施加相位调制，使该第一种波长的荧光信号经过该第五纳米结构7031偏折向与之相对应的某一个探测器704中(如第一个探测器704)。需要说明的是，与入射的荧光信号的波长种类数量相一致的多种第五纳米结构7031，在该目镜703表面可以呈阵列式排布，如图7所示，分别对应不同波长的荧光信号的多种第五纳米结构7031分别以不同的填充图案示出；由于多个第五纳米结构7031紧凑地排列，基于光(荧光信号)是以波动的形式传播的原理，紧密排列的不同第五纳米结构7031能够相互影响，并根据上述相位分布公式：实现对不同波长的荧光信号进行偏折调制，使得不同波长的荧光信号能够分别聚焦射入不同位置的探测器704中。
[0113]
或者，本实用新型实施例也可以采用直接算法，计算获得可以分别调制不同波长的荧光信号的第五纳米结构7031，也就是说，本实用新型实施例中的第五纳米结构7031可以是同一种纳米结构，在该第五纳米结构7031同时满足对不同波长的荧光信号分别具有不同的相位调制的情况下，即该第五纳米结构7031满足上述相位分布公式：且j＝1、2、
···
、m时，同样可以使该目镜703实现所需的功能，且该种结构的目镜703的结构更为简单，加工包含该目镜703的基因测序系统的效率更高。
[0114]
本实用新型实施例所提供的基因测序系统，基于超透镜的大散原理，采用目镜703(如其表面的第五纳米结构7031)分别将不同波长的荧光信号以不同的出射角射出，使得不同波长的荧光信号能够以不同的出射方向射出，进而聚焦射向不同位置处的探测器704，实现对不同碱基进行检测的功能。该基因测序系统散明显，不需要太大的空间就能使不同波长的荧光信号完全分开，系统具有较好的分辨率；此外，该基因测序系统整体更加
紧凑与轻薄，体积更小，能够满足小型化需求。
[0115]
可选地，如图8所示，该接收装置700还包括：与多个探测器704一一对应的多个滤波片705；每个滤波片705均设置于目镜703与探测器704之间，且滤波片705与探测器704之间的距离小于滤波片705与目镜703之间的距离；滤波片705用于滤除射向探测器704的合束激发光。
[0116]
在本实用新型实施例中，为了使最终汇聚在探测器704的荧光信号不包含除该荧光信号的波长以外的其他波长的光，如由分束镜702所透射的合束激发光，可以在该目镜703与每个探测器704之间均设置滤波片705(如图8所示)，该滤波片705的具体设置位置可以在目镜703的出光侧且更靠近探测器704的位置处，即该滤波片705与探测器704之间的距离小于该滤波片705与目镜703之间的距离，使得每个滤波片705不会过滤掉其他波长的荧光信号。其中，该滤波片705可以是窄带滤波片，即指通带小于预设阈值的滤波片，该窄带滤波片用于透过将目镜703所发射的荧光信号的波长，并过滤掉除该荧光信号以外的其他波长的荧光信号以及合束激发光(例如，由载样台600表面所反射的合束激发光)，最终将与该探测器704所对应的波长的荧光信号射向该探测器704中，提高射入探测器704中的荧光信号的信噪比。
[0117]
本实用新型实施例采用滤波片705可以过滤掉多余的杂光，使得聚焦在探测器704表面的荧光信号为相应的荧光信号，能够提高射入每一个探测器704的荧光信号的精度，提高包含该接收装置700的基因测序系统的测序精度。
[0118]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种激发装置，其特征在于，包括：光源阵列(1)、偏折超透镜(2)以及合束透镜(3)；所述偏折超透镜(2)设置在所述光源阵列(1)的出光侧，所述合束透镜(3)设置在所述偏折超透镜(2)的出光侧；所述光源阵列(1)包括多个光源(11)，每个所述光源(11)用于发射一种激发光，多种所述激发光的波长不同；且每种所述激发光用于激发待测样品中具有相应荧光标记的分子产生相应的荧光信号；所述偏折超透镜(2)用于接收多种所述激发光，并将多种所述激发光分别以不同偏转角射向所述合束透镜(3)的同一区域；所述偏转角表示所述激发光射出所述偏折超透镜(2)的出射角；所述合束透镜(3)用于将入射的多种所述激发光准直并合束得到合束激发光，并将所述合束激发光射出；所述合束激发光表示由多种所述激发光形成的平行光。2.根据权利要求1所述的激发装置，其特征在于，所述光源阵列(1)设置于所述偏折超透镜(2)的焦平面处。3.根据权利要求1所述的激发装置，其特征在于，所述偏折超透镜(2)与所述合束透镜(3)之间的距离满足：2f1≤d≤5f1；其中，d表示所述偏折超透镜(2)与所述合束透镜(3)之间的距离；f1表示所述偏折超透镜(2)的焦距。4.根据权利要求1所述的激发装置，其特征在于，所述偏折超透镜(2)包括多个超透镜单元(21)，所述超透镜单元(21)与所述光源(11)一一对应；所述超透镜单元(21)用于接收对应光源(11)所发射的一种所述激发光，并将所述激发光以相应的偏转角射向所述合束透镜(3)。5.根据权利要求4所述的激发装置，其特征在于，每个所述超透镜单元(21)表面具有多个第一纳米结构(211)，所述超透镜单元(21)的相位分布满足：其中，表示所述超透镜单元(21)的相位；r
i
表示第i个超透镜单元(21)中的第一纳米结构(211)与所述第i个超透镜单元(21)的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；α
i
表示第i种激发光的偏转角；f1表示所述偏折超透镜(2)的焦距；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。6.根据权利要求1所述的激发装置，其特征在于，所述合束透镜(3)包括：合束超透镜(31)。7.根据权利要求6所述的激发装置，其特征在于，所述合束超透镜(31)包括多个第二纳米结构；所述第二纳米结构用于将入射的多种所述激发光准直并合束，得到所述合束激发光并射出。8.根据权利要求7所述的激发装置，其特征在于，所述合束超透镜(31)的相位分布满足：
其中，表示所述合束超透镜(31)表面r位置处的第二纳米结构，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；r表示所述第二纳米结构与所述合束超透镜(31)的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；α
i
表示第i种激发光的偏转角；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。9.根据权利要求6所述的激发装置，其特征在于，所述合束超透镜(31)包括多个阵列式排布的纳米结构单元(310)；所述纳米结构单元(310)包括：多种种类数量与所述激发光的种类数量相同的纳米柱(3101)；每种所述纳米柱(3101)用于将相应的激发光调制为平行光射出；多种所述平行光构成所述合束激发光。10.根据权利要求9所述的激发装置，其特征在于，所述合束超透镜(31)的相位分布满足：其中，表示所述合束超透镜(31)表面r
i
′
位置处的纳米柱(3101)，将第i种波长的激发光调制为以第i种偏转角射出时的相位；r
i
′
表示第i种纳米柱(3101)与所述合束超透镜(31)的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；α
i
表示第i种激发光的偏转角；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。11.根据权利要求5、8、10任一所述的激发装置，其特征在于，n＝4。12.一种基因测序系统，其特征在于，包括：如上述权利要求1-11中任意一种激发装置(500)、载样台(600)和接收装置(700)；所述激发装置(500)用于向所述载样台(600)发射合束激发光，所述合束激发光表示由多种所述激发光形成的平行光；所述载样台(600)用于放置待测样品；所述接收装置(700)用于接收在所述合束激发光的作用下，由所述待测样品生成的具有不同波长的荧光信号。13.根据权利要求12所述的基因测序系统，其特征在于，所述接收装置(700)包括：物镜(701)、分束镜(702)、目镜(703)和多个设置在不同位置的探测器(704)；所述分束镜(702)用于接收所述激发装置(500)发射的所述合束激发光，并将部分所述合束激发光反射向所述物镜(701)；所述物镜(701)用于将射入的所述合束激发光透射向所述载样台(600)表面放置的待测样品；所述物镜(701)还用于收集在所述合束激发光的作用下，由所述待测样品生成的具有不同波长的荧光信号，并将所述具有不同波长的荧光信号依次射向所述分束镜(702)和所述目镜(703)；所述目镜(703)用于将所述具有不同波长的荧光信号分别射向不同的探测器(704)中。14.根据权利要求13所述的基因测序系统，其特征在于，所述物镜(701)为超透镜。15.根据权利要求14所述的基因测序系统，其特征在于，所述物镜(701)包括多个第三纳米结构(7011)；多个所述第三纳米结构(7011)设置在所述物镜(701)的中央区域，用于将射入的所述合束激发光聚焦射向所述载样台(600)。
16.根据权利要求15所述的基因测序系统，其特征在于，所述第三纳米结构(7011)对射入的合束激发光提供的相位调制满足：其中，表示所述物镜(701)的中央区域的相位；r表示所述第三纳米结构(7011)与所述物镜(701)的中心点之间的距离；λ
1,i
表示第i种激发光的波长；f2表示所述物镜(701)的焦距；i＝1、2、
···
、n，n表示所述激发光的种类数量。17.根据权利要求15所述的基因测序系统，其特征在于，所述物镜(701)还包括：多个第四纳米结构(7012)，多个所述第四纳米结构(7012)共面设置在多个所述第三纳米结构(7011)的周围；所述第四纳米结构(7012)对射入的具有不同波长的荧光信号提供的相位调制满足：其中，表示所述物镜(701)具有所述第四纳米结构(7012)的区域的相位；r
′
表示所述第四纳米结构(7012)与所述物镜(701)的中心点之间的距离；λ
2,j
表示第j种荧光信号的波长；f2表示所述物镜(701)的焦距；j＝1、2、
···
、m，m表示所述荧光信号的种类数量。18.根据权利要求13所述的基因测序系统，其特征在于，所述目镜(703)为超透镜。19.根据权利要求18所述的基因测序系统，其特征在于，所述目镜(703)包括多个第五纳米结构(7031)；所述第五纳米结构(7031)用于将射入的具有不同波长的荧光信号，分别聚焦至不同的探测器(704)中。20.根据权利要求19所述的基因测序系统，其特征在于，所述目镜(703)的相位分布满足：其中，表示所述目镜(703)的相位；r
′
表示所述第五纳米结构(7031)与所述目镜(703)的中心点之间的距离；λ
2,j
表示第j种荧光信号的波长；f3表示所述目镜(703)的焦距；β
j
表示射出所述目镜(703)的第j种荧光信号的出射角；j＝1、2、
···
、m，m表示所述荧光信号的种类数量。21.根据权利要求13所述的基因测序系统，其特征在于，所述接收装置(700)还包括：与多个所述探测器(704)一一对应的多个滤波片(705)；每个所述滤波片(705)均设置于所述目镜(703)与所述探测器(704)之间，且所述滤波片(705)与所述探测器(704)之间的距离小于所述滤波片(705)与所述目镜(703)之间的距离；所述滤波片(705)用于滤除射向所述探测器(704)的合束激发光。22.根据权利要求12所述的基因测序系统，其特征在于，所述载样台(600)为能够实现水平移动的载样台。

技术总结

本实用新型提供了一种激发装置及基因测序系统，该激发装置包括：光源阵列、偏折超透镜以及合束透镜；偏折超透镜设置在光源阵列的出光侧，合束透镜设置在偏折超透镜的出光侧；光源阵列包括多个光源，每个光源用于发射一种激发光；每种激发光用于激发待测样品中具有相应荧光标记的分子产生相应的荧光信号；偏折超透镜用于接收多种激发光，并将多种激发光分别以不同偏转角射向合束透镜的同一区域；偏转角表示激发光射出偏折超透镜的出射角；合束透镜用于将入射的多种激发光进行准直得到合束激发光并射出。通过本实用新型实施例提供的激发装置及基因测序系统，采用偏折超透镜将不同波长的激发光合束，使其更加轻薄，体积小，结构简单且成本更低。且成本更低。且成本更低。