Moderne Durchflusszytometriesysteme benötigen zunehmend höhere Ereignisraten von über 20.000 Ereignissen pro Sekunde und deutlich kürzere Pulsbreiten (im Mikrosekundenbereich), um die Zellgrößenauflösung zu verbessern, schwächere Fluoreszenzsignale zu erfassen und multiparametrische Analysen mit mehr als 32 Kanälen zu ermöglichen. Diese kürzeren Pulsbreiten stellen höhere Anforderungen an die Abtastrate des AD-Wandlers, die Bandbreite des Transversal-Impulsverstärkers, das Rauschverhalten und die Kanaldichte des Datenerfassungssystems.

Ein Artikel mit dem Titel „Elektronik für Durchflusszytometer“ beschreibt die Herausforderungen der Durchflusszytometrie.[1] Erstens treffen die Pulse zufällig ein. Um die Peak-Höhe eines 3-µs-Pulses mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 % zu messen, muss die Pulshüllkurve innerhalb dieser 3 µs 120-mal abgetastet werden, was eine ADC-Abtastrate von 40 MSPS impliziert. Die zweite Herausforderung besteht darin, dass helle Zellen bis zu 10.000-mal heller sein können als dunkle Zellen, was einen Dynamikbereich von mindestens vier Dekaden rauschfreier Bits erfordert. In der Vergangenheit verwendeten Durchflusszytometer verschiedene analoge Signalaufbereitungselektroniken, wie Integratoren und Peakdetektoren, um den Umstand zu kompensieren, dass geeignete ADCs zur direkten Digitalisierung dieser Pulse noch nicht verfügbar waren.

Zusammenfassend besteht die Herausforderung für Systementwickler darin, einen höheren Durchsatz und eine bessere Zelldifferenzierung zu erzielen. Technisch erfordert dies die Erfassung schmaler Detektorimpulse mit höherer Genauigkeit, da die Ereignisraten in Durchflusszytometern der nächsten Generation steigen.
Mit zunehmendem Durchsatz und der Erfassung weiterer Fluoreszenzparameter müssen die Elektronikkomponenten extrem schmale Stromimpulse detektieren und gleichzeitig hohe Genauigkeit, geringes Rauschen (1/fy) und hohe Linearität über erweiterte Integrationsfenster gewährleisten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, steigen die Anforderungen an die Komponentenspezifikationen.

Die ADC-Abtastrate wurde von 15 MSPS auf 40 MSPS erhöht.
Die ADC-Auflösung beträgt >18 Bit, idealerweise 20 Bit, um ausreichend rauschfreie Bits zu gewährleisten.
Ein TIA mit höherer Bandbreite ist erforderlich, um die Dämpfung schmaler Impulse zu vermeiden.
Eine engere INL verhindert Impulsüberlappungen und -verschwimmungen.
Geringes Flickerrauschen[2] sorgt für langfristige Integrationsstabilität.
Sehr hohe Kanaldichte bei geringem Stromverbrauch und geringem Übersprechen zwischen den Kanälen.

Analog Devices Durchflusszytometrie-Lösung
Die ADI Durchflusszytometrie-Lösung umfasst:
ADA4898-1 TIA Front End
ADA4945-1 Totally Differential Amplifier (FDA)
AD4080 Single-Channel SAR ADC (20 Bit, 40 MSPS, ±4 ppm INL)
LTC6655 Low-Noise Voltage Reference (3 Volt)

Abbildung 1: Signalkette für die schnelle und präzise Durchflusszytometrie

Diese Lösung bietet eine große TIA-Bandbreite, stabile, rauscharme Verstärkung und Eingangsfilterung sowie einen Digitalisierer, der schmale Pulse im Mikrosekundenbereich präzise und verzerrungsfrei abtasten kann.
Darüber hinaus bietet sie sofortige Leistungsverbesserungen:
Die Flexibilität, mehr Abtastwerte pro Puls (40 MSPS) zu erhalten, ermöglicht eine genauere Zellgrößenbestimmung, oder die Verwendung von 8-fachem Oversampling zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) (89,7 dB) und damit die Detektion schwächerer Fluoreszenzkanäle.
Ein typischer INL-Wert von ±4 ppm (maximal ±8 ppm) verbessert die Trennung benachbarter Pulse.
Geringerer Stromverbrauch und eine kleinere Leiterplattenfläche ermöglichen dichte Platinen mit mehr als 100 Kanälen.
Größeres Integrationspotenzial für die zukünftige Erweiterung auf mehrere Wellenlängen.

Die Beispiellösung für die Durchflusszytometrie wurde mit dem Signal Chain Designer . Dieses Tool ermöglicht die Erstellung vollständiger Signalkettenlösungen per Drag & Drop und bietet Analysefunktionen zur Bewertung der relativen Vorteile von Rauschen und Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Stromverbrauch, Gleichstromgenauigkeit, Frequenzgang und Lösungsgröße. Die Lösung kann außerdem nach LTspice exportiert werden, wo detailliertere Simulationen im Zeit- und Frequenzbereich durchgeführt werden können. Sehen Sie sich die Signalkettenlösung im Signal Chain Designer an: Durchflusszytometrie-Signalkette.