Les systèmes de cytométrie en flux modernes exigent des fréquences d'acquisition de plus en plus élevées, dépassant 20 000 événements par seconde, et des durées d'impulsion nettement plus courtes (de l'ordre de la microseconde) afin d'améliorer la résolution spatiale des cellules, de détecter des signaux de fluorescence plus faibles et de permettre une analyse multiparamétrique avec plus de 32 canaux. Ces durées d'impulsion plus courtes imposent des exigences accrues en matière de fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique (CAN), de bande passante du amplificateur de transfert d'impulsion (TIA), de performances en matière de bruit et de densité de canaux au sein du système d'acquisition.
Un article intitulé « Électronique des cytomètres de flux » décrit les défis de la cytométrie de flux [1]. Premièrement, les impulsions arrivent de manière aléatoire. Par conséquent, pour mesurer la hauteur du pic d'une impulsion de 3 µs avec une précision supérieure à 0,1 %, l'enveloppe de l'impulsion doit être échantillonnée 120 fois au cours de ces 3 µs, ce qui implique une fréquence d'échantillonnage du CAN de 40 MSPS. Deuxièmement, les cellules brillantes peuvent être 10 000 fois plus brillantes que les cellules sombres, ce qui requiert une plage dynamique d'au moins quatre décades de bits sans bruit. Auparavant, les cytomètres de flux utilisaient divers circuits électroniques de conditionnement de signaux analogiques, tels que des intégrateurs et des détecteurs de pics, pour pallier l'absence de CAN adaptés à la numérisation directe de ces impulsions.
En résumé, le défi pour les concepteurs de systèmes est d'obtenir un débit plus élevé et une meilleure différenciation cellulaire. Techniquement, cela nécessite l'acquisition d'impulsions de détection étroites avec une plus grande précision, à mesure que les taux d'événements augmentent dans les cytomètres de flux de nouvelle génération.
Avec l'évolution des cytomètres de flux vers des débits plus élevés et un plus grand nombre de paramètres de fluorescence, l'électronique doit détecter des impulsions de courant extrêmement étroites tout en maintenant une précision élevée, un faible bruit (1/fy) et une linéarité élevée sur des fenêtres d'intégration étendues. Pour répondre à ces exigences applicatives, les spécifications des composants deviennent plus strictes.
La fréquence d'échantillonnage du CAN a été augmentée de 15 MSPS à 40 MSPS.
La résolution du CAN est supérieure à 18 bits, idéalement 20 bits, afin de garantir un nombre suffisant de bits sans bruit.
de transmission (TIA) à bande passante plus élevée est nécessaire pour éviter l'atténuation des impulsions étroites. Une limitation de bruit d'
intégration (INL) plus faible est requise pour éviter le chevauchement ou le flou des impulsions.
Un faible bruit de scintillation[2] assure la stabilité de l'intégration à long terme.
La densité de canaux est très élevée, avec une faible consommation d'énergie et une faible diaphonie entre les canaux.
Solution de cytométrie en flux Analog Devices La solution de cytométrie en flux ADI comprend : un étage d’entrée TIA ADA4898-1 , un amplificateur totalement différentiel (FDA) ADA4945-1 , un convertisseur analogique-numérique SAR monocanal AD4080 (20 bits, 40 MSPS, ±4 ppm INL) et une référence de tension à faible bruit LTC6655 (3 volts)
Figure 1 : Chaîne de signalisation pour une cytométrie en flux rapide et précise
Cette solution offre une large bande passante TIA, un gain stable à faible bruit et un filtrage d'entrée performant, ainsi qu'un numériseur capable d'échantillonner avec précision des impulsions étroites à l'échelle de la microseconde sans distorsion.
De plus, elle apporte des améliorations immédiates en termes de performances :
la possibilité d'obtenir davantage d'échantillons par impulsion (40 MSPS), permettant une estimation plus précise de la taille des cellules, ou l'utilisation d'un suréchantillonnage 8× pour améliorer le rapport signal/bruit (SNR) du système (89,7 dB), permettant la détection de canaux de fluorescence plus faibles.
Une INL typique de ±4 ppm (±8 ppm max.) améliore la séparation entre les impulsions adjacentes. Une
consommation d'énergie réduite et un encombrement sur circuit imprimé plus petit permettent la réalisation de cartes haute densité comportant plus de 100 canaux. Une
plus grande marge d'intégration est également prévue pour une extension future à plusieurs longueurs d'onde.
La solution de cytométrie en flux présentée en exemple a été créée à l'aide de Signal Chain Designer . Cet outil permet de concevoir par glisser-déposer des solutions complètes de chaînes de signaux d'acquisition et offre des fonctionnalités d'analyse permettant d'évaluer les avantages relatifs du bruit et du rapport signal/bruit (SNR), de la consommation d'énergie, de la précision en courant continu, de la réponse en fréquence et de la taille de la solution. L'outil permet également d'exporter la solution vers LTspice, où des simulations plus détaillées dans les domaines temporel et fréquentiel peuvent être effectuées. Découvrez la solution de chaîne de signaux dans Signal Chain Designer : Chaîne de signaux de cytométrie en flux.
