1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 使用高精度數(shù)據(jù)采集模塊快速實現(xiàn)流式細胞術的設計 流式細胞術被臨床醫(yī)生和診斷醫(yī)生廣泛用于分析細胞特性。他們用光學方法逐一評估每個細胞的蛋白質含量、血液安康狀況、粒度和細胞大小等屬性。盡管系統(tǒng)靈敏度高，但流式細胞儀的設計人員一直面臨著加快分析時間的壓力，這就要求采用新的方法設計流式細胞術及其相關電子元件。 流式細胞儀對各個細胞開展激光照射，產(chǎn)生散射和熒光信號。為了快速、準確地捕捉所產(chǎn)生的光線并將其轉換為數(shù)字信號，需要一個雪崩光電二極管 (APD) 和復雜的電子元件。要設計和實現(xiàn)這個過程的電路可能需要很長時間，特別是考慮到流式細胞術數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高速、低噪音的設備來

2、確保系統(tǒng)的準確性。 為了實現(xiàn)更快的流式細胞術分析并保證成本效益，設計人員可以通過由內(nèi)部放大器驅動器和模數(shù)轉換器 (ADC) 組成的數(shù)據(jù)采集解決方案解決速度和準確性問題。 本文將簡要介紹流式細胞術系統(tǒng)的工作原理。然后介紹 Analog Devices 的 18 位 ADC 模塊 ADAQ23878，并展示如何利用該模塊來設計流式細胞儀的檢測和轉換階段。同時還將介紹一個相關的評估套件。 現(xiàn)代流式細胞術原理 現(xiàn)代流式細胞術是一個自動化過程，可以分析細胞和表面分子，描述并定義異質細胞群中的不同細胞類型。不算準備時間（可能超過一個小時），該儀器能在不到一分鐘的時間里對 10000 個單細胞開展三到六個特

3、征評估。 為了實現(xiàn)這一點，流式細胞術的單細胞制備步驟至關重要。樣品在鞘液中組織，以流體力學方式將細胞或顆粒聚焦到狹長的單細胞列樣品流中，以開展分析。在經(jīng)過這種轉換后，單細胞必須保持其自然的生物特征和生化成分。 圖 1 是流式細胞術儀的示意圖，首先從頂部參加多細胞樣品。 圖 1：流式細胞儀示意圖，從鞘液聚焦到數(shù)據(jù)采集。（圖片：Wikipedia，由 Bonnie Baker 修改） 流式細胞儀包含六個主要組件：流通池、激光器、雪崩光電二極管 (APD)、跨阻放大器 (TIA)、ADC，以及用于數(shù)據(jù)收集和分析的計算機。 流式細胞儀有液流或鞘液，這兩者會收窄，以將細胞排列成單列送過光束。激光每次捕獲

4、一個細胞，產(chǎn)生前向角散射光 (FSC) 信號和側向角散射光 (SSC) 信號。熒光通過鏡子和過濾器開展分類，然后由 APD 開展放大。 接下來，在產(chǎn)生的光輸出擊中 APD 后對其開展檢測、數(shù)字化和分析。對于檢測來說，Analog Devices 的 LTC6268 500 兆赫 (MHz) 超低偏置電流、低電壓噪聲 FET 輸入運算放大器對于檢測所需的高速 TIA 是理想選擇。 圖 2：TIA 電路使用一個 APD (PD1) 和一個低輸入電流的 FET 運算放大器，將超低的光電二極管電流轉換成 IN1 的輸出電壓。（圖片：Bonnie Baker） 設計此放大器電路時，必須盡可能地擴大帶寬，

5、因而必須盡量減少寄生電容。例如，寄生反應電容 C 影響了圖 2 的電路穩(wěn)定性和帶寬。無論選擇何種電阻器封裝，在放大器的反應路徑中總會存在寄生電容。但是，0805 封裝端蓋間距較長，寄生電容zui低，是高速應用的shou選。 增加 R1 端蓋之間的距離并不是減少電容的wei一方法。另一種減少板對板電容的方法是在電阻 R1 下增設一條接地線，來屏蔽產(chǎn)生寄生電容的電場路徑（圖 3）。 圖 3：在反應電阻下增設接地線，可從反應端分流電場，并將傾泄至地面。（圖片：Analog Devices） 在這種情況下，該方法具體涉及到在靠近 TIA 輸出端的電阻墊下面和之間放置一條短的接地線。此方法可讓寄生電容到

6、達 0.028 皮法拉 (pF)，TIA 帶寬到達 1/(2*RF*CPARASITIC)，相當于 11.4 MHz。 光信號會導向幾個帶有適當濾光片的雪崩二極管。APD、TIA 和 ADC 系統(tǒng)將這些信號轉換為其數(shù)字表示，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器做進一步分析。 現(xiàn)代細胞儀通常配備多個激光器和 APD。目前的商用設備有 10 個激光器和 30 個雪崩光電二極管。增加激光和光電倍增管檢測器的數(shù)量，可以開展多次抗體標記，從而通過表型標記jing確識別目標細胞群。 不過，分析速度還是取決于以下因素的微妙平衡： ? 鞘液流速 ? 流體力學聚焦過程形成單細胞列的能力 ? 隧道直徑 ? 保持細胞完整性的能力

7、 ? 電子元件 流式細胞術聲波聚焦 雖然增加多個激光器和 APD 可以加速分析和識別，但在zui好的情況下，zui新的現(xiàn)代單細胞流式細胞術每分鐘可以收集多達一百萬個細胞的數(shù)據(jù)。在許多應用中，如檢測血液中低至每毫升 100 個的循環(huán)腫瘤細胞時，這種處理遠遠不夠。在罕見細胞的臨床應用中，試驗經(jīng)常需要對數(shù)十億的細胞開展分析，非常耗時。 聲波聚焦過程是流體力學聚焦細胞制備過程的替代方案。在該過程中，將一種壓電材料（如鋯鈦酸鉛 (PZT)）附著在玻璃毛細管上，使電脈沖轉換成機械振動（圖 4a）。通過使用 PZT 在矩形流通池的共振頻率下振動玻璃毛細管的側壁，系統(tǒng)會產(chǎn)生具有不同數(shù)量壓力節(jié)點的各種聲駐波。

8、圖 4：矩形玻璃毛細管制成的聲學流通池示意圖 (a)。定寬毛細管的前三個壓力節(jié)點的位置 (b)。（圖片：美國國家生物技術信息中心） 這些 PZT 頻率節(jié)點將流動的粒子排列成多條離散的流線（圖 4b）。聲學流通池使用線性聲駐波，通過產(chǎn)生單次或多次諧波來調諧為各種波長。正如簡單線性駐波模型所預測的那樣，樣品中的細胞在流通池中產(chǎn)生單個或多個單細胞列。 借助這種jing確的細胞組織，鞘液隧道的寬度可以擴大，以加速流過激光束（圖 5）。 圖 5：對于流體力學樣品流（c.和 d.），隨著鞘液寬度增加，細胞樣品發(fā)生散射，使光學測量過程變得困難。無論鞘液寬度如何，聲波聚焦的樣品流（a.和 b.）都保持單列細胞

9、。（圖片：Thermo Fischer Scientific） 傳統(tǒng)的流體力學聚焦（圖 5c.）將單細胞排成列，準備開展激光掃描。雖然樣品流he心的漏斗越寬，鞘液材料的速度就越快（圖 5d.），但這也會導致單細胞列發(fā)生分散，從而產(chǎn)生信號變化并影響數(shù)據(jù)質量。 聲波聚焦（圖 5a.）將生物細胞和其他顆粒嚴密地排列在一起，即使隧道較寬也沒有問題。這種jing確的細胞排列允許更高的采樣率，同時保持數(shù)據(jù)質量. 在實踐中，流式細胞術聲波聚焦可使細胞采樣頻率提高約 20 倍. 基于流體流式細胞術（A、B、C）與聲波聚焦細胞術 (D) 比照的各種流式細胞術設備采樣時間比較 聲波聚焦流式細胞術數(shù)據(jù)采集 聲波聚焦

10、流式細胞術設備的電子元件設計需要高速光敏電子元件，以適應血液細胞和鞘液通過較大直徑噴嘴的速度。前面提到的 600 MHz 高速 LTC6268 與專門的 0805 電阻封裝布局相結合，使光感應速率高達 11.4 MHz（圖 7 左）。LTC6268 的輸出被送入 Analog Devices ADAQ23878 ADC 開展數(shù)字化。 圖 7：ADAQ23878 ADC 將光電二極管 (PD1) 和 TIA 電路（左）的光信號數(shù)字化。（圖片：Bonnie Baker） ADAQ23878 是一款 18 位、每秒 15 兆次采樣 (MSPS) 的精細高速系統(tǒng)級封裝 (SIP) 數(shù)據(jù)采集解決方案。它

11、將設計人員所面對的輸入驅動元器件選擇、優(yōu)化和布局等設計挑戰(zhàn)轉移至設備，從而極大地縮短了精細測量系統(tǒng)的開發(fā)周期。 這種 SIP 的模塊化方法通過將多個通用信號處理和調節(jié)模塊與高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近存放器 (SAR) ADC 組合在一個設備中，減少了終端系統(tǒng)的元器件數(shù)量。這些模塊包含一個低噪聲、全差分 ADC 激勵放大器和一個穩(wěn)定的參考緩沖器。 ADAQ23878 還集成了關鍵的無源元器件，它們采用 Analog Devices 的 iPassive 技術，可zui大限度地減少與溫度有關的誤差源并優(yōu)化性能。ADC 快速建立的驅動級有助于其確?？焖贁?shù)據(jù)采集。 評估 ADAQ2387

12、8 Module 為了評估 ADAQ23878，Analog Devices 提供了 EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板（圖 8）。該評估板可展示 ADAQ23878 Module 的性能，是用于評估流式細胞術前端設計和其他各種應用的一款多功能工具。 用于 ADAQ23878 的 EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板板載電路，配備用于控制和數(shù)據(jù)分析的關聯(lián)軟件，并且兼容 SDP-H1。（圖片：Analog Devices） EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板需要一臺運行 Windows 10 或更高版本的個人計算機、一個低噪聲的精細信號源以及一個適合 18 位測試的帶通濾波器。該評估板需要 ADAQ23878ACE 插件和 SPD-H1 驅動器。 結語 雖然使用標