基因定序，解決自動聚焦和等間隔觸發問題，提高測量精度與效率

專案概述

“地心科技高精度XYZT 4軸精密定位平台，兼具靜態精度與動態精度，完美實現基因定序應用中的快速自動追焦和等間隔觸發，在基因定序儀中被廣泛使用。”

地心科技，對精度的追求永無止境。

01 基因定序技術

1977年，Walter Gilbert和Frederick Sanger發明瞭第一台基因定序儀，並應用其測定了第一個基因組序列，噬菌體X174，全長5375個堿基。

由此開始，人類獲得了探索生命遺傳本質的能力，生命科學的研究進入了基因組學的時代。基因定序技術顛覆了傳統生物學技術，基因定序技術的出現讓我們可以讀出一個人所有的遺傳資訊——人類基因組。

l 1977年 Walter Gibert 和 Allan M. Maxam發明瞭化學降解法測序，Frederick Sanger和Coulson開創了雙去氧鏈終止法並完成了第一個噬菌體全基因組的測序
l 1983年 Kary Mullis發明PCR作為體外擴增DNA的方法
l 1990年美國正式啟動人類基因組計畫
l 1995年人類基因組物理圖譜完成
l 1997年大腸桿菌基因組測序完成
l 1999年中國獲准加入人類基因組計畫
l 2000年果蠅基因組測序完成
l 2002年小鼠基因組測序完成
l 2003年人類基因組計畫完成

基因定序技術的發展對人類意義重大。靶向藥物、靶向醫療，都基於人的基因組測序。也就是測了序之後，知道某個人的病（尤其是腫瘤）要用哪種藥來醫。藥物的毒副作用預測，也基於基因組測序。也就是說基於基因定序，可以判斷哪個藥對哪個人有毒。

02 基因定序的原理與關鍵點

至今為止的四十年時間內，測序技術已取得了相當大的發展，從第一代發展到了第三代測序技術。

l 一代測序(傳統的Sanger測序)
l 二代測序(高通量微陣列晶片技術)
l 三代測序(單分子測序技術和奈米測序技術)

測序的原理，簡單來說就是將DNA信號轉變為電腦可處理的數位信號。基因定序通常的流程包括 DNA提取與分段：準備樣本，DNA提取， DNA分段， DNA片段末端修復；DNA片段擴增（奈米球技術）：加接頭序列，分離出單股DNA，擴增，形成DNA奈米球；DNA序列識別，DNA奈米球附著晶片，組合探針錨定連接法測序；分析堿基讀取資料比對和組裝，基因組結果分析，得到結果。

基因定序技術中一個非常重要的部件是基因定序晶片。基因定序晶片中的規則陣列（PatternArray）採用先進的光刻和幹法刻蝕技術，在矽片表面形成陣列和對準標記，通過“塗敷深紫外光刻膠--陣列圖案曝光—顯影暴露局部矽表面—汽相沉積（氨基矽烷修飾）”系列處理，來實現DNA奈米球的固定。矽片最後被分切成25mmX 75mm的小片，成為測序晶片的基底。測序時DNA分子錨和螢光探針在DNB上進行聚合，隨後高解析度成像系統對基因晶片上的螢光信號進行採集，光信號經過數位化處理後即可獲得待測序列。

在基因定序工序，一般是先在測序儀中裝載測序晶片，調整上升Z軸，晶片浸液；根據檢焦回饋，Z軸位置閉環穩定焦面；通過圖像回饋確定晶片偏轉角度，並按要求轉θ軸，擺正晶片位置；然後沿Y方向等速掃描運動，單列掃描完成後，X方向步進一個視場寬度，Y方向反向掃描，重複執行上述過程，直至整個晶片全部完成掃描。

對基因定序晶片進行掃描時，Y軸需要在等速段等間隔觸發系統採集圖像，這就要求Y軸必須有很好的速度穩定性。典型應用中，Y軸在等速段動態跟隨誤差要小於±70nm。

在較大的視場範圍內，基因定序晶片表面是不平整的，Y軸掃描的同時Z軸需要即時動態聚焦，誤差範圍達到±50nm，完成即時聚焦。

基因定序對XYZθ各軸的精度和動態性能有極高的要求，不僅僅需要靜態精度高，還需要很好的動態回應。

03 地心科技解決方案

地心科技為基因定序應用提供了多種解決方案。XY一體式運動平台CFT-200XY作為系統的底軸，θ軸採用轉台RSML放置於XY軸之上，Z軸採用高精度升降台ART130V-5安裝於轉台上；組成高精度高動態性能的4軸系統。

CFT-200XY是奈米級定位精度的XY一體式精密定位平台，直線線性馬達直驅控制，採用精密交叉滾柱導軌，具備非常優秀的動態性能和定位精度，空載截止頻率最大可達100Hz以上。

RSML系列是高精度的360度連續轉台，採用旋轉線性馬達直驅控制，選用精密滾珠軸承，具備非常優秀的動態性能和定位精度，空載截至頻率最大可達100Hz以上。RSML系列轉台採用傑出的工業化設計，外觀精緻小巧，轉動檯面尺寸75mm , 100mm，150mm和200mm可選，厚度小於60mm。選用高精度圓光柵位置回饋，定位精度小於6弧秒，軸跳和端跳小於6μm，機械性能非常突出。

ART130V-5是奈米級定位精度托舉運動升降平台，直線線性馬達驅動，交叉滾珠導軌，具備非常優秀的動態性能和定位精度，空載截止頻率可達150Hz以上。ART130V-5系列升降台結構緊湊小巧，最大速度可達75mm/s，空載加速度可達0.7g。配置線性放大器，配備隔振實驗室環境下，ART130V-5系列升降台的定位穩定性和最小步進量可以小於10nm。