Современные системы проточной цитометрии все чаще требуют более высокой частоты событий, превышающей 20 000 событий в секунду, и значительно меньшей длительности импульсов (на уровне микросекунд) для улучшения разрешения по размеру клеток, обнаружения более слабых сигналов флуоресценции и обеспечения многопараметрического анализа с более чем 32 каналами. Меньшая длительность импульсов предъявляет более высокие требования к частоте дискретизации АЦП, полосе пропускания ТИА, шумовым характеристикам и плотности каналов в системе сбора данных.
В статье под названием «Электроника проточного цитометра» описываются проблемы проточной цитометрии.[1] Во-первых, импульсы поступают случайным образом, поэтому для измерения пиковой высоты импульса длительностью 3 мкс с точностью лучше 0,1% огибающую импульса необходимо оцифровать 120 раз в течение этих 3 мкс, что подразумевает частоту дискретизации АЦП 40 Мвыб/с. Вторая проблема заключается в том, что яркие клетки могут быть в 10 000 раз ярче, чем более темные, что требует динамического диапазона не менее четырех порядков бесшумных битов. В прошлом проточные цитометры использовали различные аналоговые электронные устройства обработки сигналов, такие как интеграторы и детекторы пиков, чтобы компенсировать тот факт, что подходящие АЦП для прямой оцифровки этих импульсов еще не были доступны.
Вкратце, перед разработчиками систем стоит задача достижения более высокой пропускной способности и лучшей дифференциации типов клеток. Технически это требует получения узких импульсов детектора с большей точностью по мере увеличения частоты событий в проточных цитометрах следующего поколения.
По мере того, как проточные цитометры переходят к более высокой пропускной способности и большему количеству параметров флуоресценции, электроника должна обнаруживать чрезвычайно узкие импульсы тока, сохраняя при этом высокую точность, низкий уровень шума (1/fy) и высокую линейность в расширенных окнах интегрирования. Для решения этих прикладных задач требования к техническим характеристикам компонентов становятся все более жесткими.
Частота дискретизации АЦП увеличена с 15 Мвыб/с до 40 Мвыб/с.
Разрешение АЦП >18 бит, в идеале 20 бит, для обеспечения достаточного количества бит без шума.
Требуется более широкая полоса пропускания TIA для предотвращения ослабления узких импульсов.
Более низкая нелинейность интегральной линейности для предотвращения перекрытия или размытия импульсов.
Низкий уровень флуктуационного шума[2] для долговременной стабильности интеграции.
Очень высокая плотность каналов с низким энергопотреблением и низким уровнем перекрестных помех между каналами.
для проточной цитометрии от Analog Devices
включает в себя:
ADA4898-1 TIA Front End,
ADA4945-1 Полностью дифференциальный усилитель (FDA),
AD4080 Одноканальный SAR АЦП (20-бит, 40 MSPS, ±4 ppm INL),
LTC6655 Низкошумящий источник опорного напряжения (3 вольта).
Рисунок 1: Сигнальная цепочка для быстрой и точной проточной цитометрии
Это решение предлагает широкую полосу пропускания TIA, стабильное низкошумное усиление и входную фильтрацию, а также дигитайзер, способный точно дискретизировать узкие импульсы на микросекундном уровне без искажений.
Кроме того, оно обеспечивает немедленное улучшение производительности:
гибкость в получении большего количества выборок на импульс (40 MSPS), что позволяет более точно оценивать размер клеток, или использование 8-кратной передискретизации для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) системы (89,7 дБ), что позволяет обнаруживать более слабые каналы флуоресценции.
Типичная внутренняя несущая способность (INL) ±4 ppm (максимум ±8 ppm) улучшает разделение между соседними импульсами.
Более низкое энергопотребление и меньшая площадь печатной платы позволяют создавать плотные платы с более чем 100 каналами.
Больший запас по интеграции для будущего расширения до нескольких длин волн.
Пример решения для проточной цитометрии был создан с помощью Signal Chain Designer . Этот инструмент позволяет создавать полные решения для цепей обработки сигналов методом перетаскивания и обладает возможностями анализа, которые можно использовать для оценки относительных преимуществ по уровню шума и соотношению сигнал/шум (SNR), энергопотреблению, точности постоянного тока, частотной характеристике и размеру решения. Инструмент также позволяет экспортировать решение в LTspice, где можно выполнить более детальное моделирование во временной и частотной областях. Ознакомьтесь с решением для цепей обработки сигналов в Signal Chain Designer: Flow Cytometry Signal Chain.
