使用高精度数据采集模块快速实现流式细胞术的设计

作者：Bonnie Baker

流式细胞术被临床医生和诊断医生广泛用于分析细胞特性。他们用光学方法逐一评估每个细胞的蛋白质含量、血液健康状况、粒度和细胞大小等属性。尽管系统灵敏度高，但流式细胞仪的设计人员一直面临着加快分析时间的压力，这就要求采用新的方法设计流式细胞术及其相关电子元件。

流式细胞仪对各个细胞进行激光照射，产生散射和荧光信号。为了快速、准确地捕捉所产生的光线并将其转换为数字信号，需要一个雪崩光电二极管 (APD) 和复杂的电子元件。要设计和实现这个过程的电路可能需要很长时间，特别是考虑到流式细胞术数据采集系统需要高速、低噪音的设备来确保系统的准确性。

为了实现更快的流式细胞术分析并保证成本效益，设计人员可以通过由内部放大器驱动器和模数转换器 (ADC) 组成的数据采集解决方案解决速度和准确性问题。

本文将简要介绍流式细胞术系统的工作原理。然后介绍 Analog Devices 的 18 位 ADC 模块 ADAQ23878，并展示如何利用该模块来设计流式细胞仪的检测和转换阶段。同时还将介绍一个相关的评估套件。

现代流式细胞术原理

现代流式细胞术是一个自动化过程，可以分析细胞和表面分子，描述并定义异质细胞群中的不同细胞类型。不算准备时间（可能超过一个小时），该仪器能在不到一分钟的时间里对 10000 个单细胞进行三到六个特征评估。

为了实现这一点，流式细胞术的单细胞制备步骤至关重要。样品在鞘液中组织，以流体力学方式将细胞或颗粒聚焦到狭长的单细胞列样品流中，以进行分析。在经过这种转换后，单细胞必须保持其自然的生物特征和生化成分。

图 1 是流式细胞术仪的示意图，首先从顶部加入多细胞样品。

图 1：流式细胞仪示意图，从鞘液聚焦到数据采集。（图片来源：Wikipedia，由 Bonnie Baker 修改）

流式细胞仪包含六个主要组件：流通池、激光器、雪崩光电二极管 (APD)、跨阻放大器 (TIA)、ADC，以及用于数据收集和分析的计算机。

流式细胞仪有液流或鞘液，这两者会收窄，以将细胞排列成单列送过光束。激光每次捕获一个细胞，产生前向角散射光 (FSC) 信号和侧向角散射光 (SSC) 信号。荧光通过镜子和过滤器进行分类，然后由 APD 进行放大。

接下来，在产生的光输出击中 APD 后对其进行检测、数字化和分析。对于检测来说，Analog Devices 的 LTC6268 500 兆赫 (MHz) 超低偏置电流、低电压噪声 FET 输入运算放大器对于检测所需的高速 TIA 是理想选择。

图 2：TIA 电路使用一个 APD (PD1) 和一个低输入电流的 FET 运算放大器，将超低的光电二极管电流转换成 IN1+ 的输出电压。（图片来源：Bonnie Baker）

设计此放大器电路时，必须尽可能地扩大带宽，因而必须尽量减少寄生电容。例如，寄生反馈电容 C 影响了图 2 的电路稳定性和带宽。无论选择何种电阻器封装，在放大器的反馈路径中总会存在寄生电容。但是，0805 封装端盖间距较长，寄生电容最低，是高速应用的首选。

增加 R1 端盖之间的距离并不是减少电容的唯一方法。另一种减少板对板电容的方法是在电阻 R1 下增设一条接地线，来屏蔽产生寄生电容的电场路径（图 3）。

图 3：在反馈电阻下增设接地线，可从反馈端分流电场，并将倾泄至地面。（图片来源：Analog Devices）

在这种情况下，该方法具体涉及到在靠近 TIA 输出端的电阻垫下面和之间放置一条短的接地线。此方法可让寄生电容达到 0.028 皮法拉 (pF)，TIA 带宽达到 1/(2π*RF*CPARASITIC)，相当于 11.4 MHz。

光信号会导向几个带有适当滤光片的雪崩二极管。APD、TIA 和 ADC 系统将这些信号转换为其数字表示，并将数据发送到微处理器做进一步分析。

现代细胞仪通常配备多个激光器和 APD。目前的商用设备有 10 个激光器和 30 个雪崩光电二极管。增加激光和光电倍增管检测器的数量，可以进行多次抗体标记，从而通过表型标记精确识别目标细胞群。

不过，分析速度还是取决于以下因素的微妙平衡：

· 鞘液流速
· 流体力学聚焦过程形成单细胞列的能力
· 隧道直径
· 保持细胞完整性的能力
· 电子元件

流式细胞术声波聚焦

虽然增加多个激光器和 APD 可以加速分析和识别，但在最好的情况下，最新的现代单细胞流式细胞术每分钟可以收集多达一百万个细胞的数据。在许多应用中，如检测血液中低至每毫升 100 个的循环肿瘤细胞时，这种处理远远不够。在罕见细胞的临床应用中，试验经常需要对数十亿的细胞进行分析，非常耗时。

声波聚焦过程是流体力学聚焦细胞制备过程的替代方案。在该过程中，将一种压电材料（如锆钛酸铅 (PZT)）附着在玻璃毛细管上，使电脉冲转换成机械振动（图 4a）。通过使用 PZT 在矩形流通池的共振频率下振动玻璃毛细管的侧壁，系统会产生具有不同数量压力节点的各种声驻波。

图 4：矩形玻璃毛细管制成的声学流通池示意图 (a)。定宽毛细管的前三个压力节点的位置 (b)。（图片来源：美国国家生物技术信息中心）

这些 PZT 频率节点将流动的粒子排列成多条离散的流线（图 4b）。声学流通池使用线性声驻波，通过产生单次或多次谐波来调谐为各种波长。正如简单线性驻波模型所预测的那样，样品中的细胞在流通池中产生单个或多个单细胞列。

借助这种精确的细胞组织，鞘液隧道的宽度可以扩大，以加速流过激光束（图 5）。

图 5：对于流体力学样品流（c.和 d.），随着鞘液宽度增加，细胞样品发生散射，使光学测量过程变得困难。无论鞘液宽度如何，声波聚焦的样品流（a.和 b.）都保持单列细胞。（图片来源：Thermo Fischer Scientific）

传统的流体力学聚焦（图 5c.）将单细胞排成列，准备进行激光扫描。虽然样品流核心的漏斗越宽，鞘液材料的速度就越快（图 5d.），但这也会导致单细胞列发生分散，从而产生信号变化并影响数据质量。

声波聚焦（图 5a.）将生物细胞和其他颗粒紧密地排列在一起，即使隧道较宽也没有问题。这种精确的细胞排列允许更高的采样率，同时保持数据质量（图 5b.）。

在实践中，流式细胞术声波聚焦可使细胞采样频率提高约 20 倍（图 6）。

图 6：基于流体流式细胞术（A、B、C）与声波聚焦细胞术 (D) 对比的各种流式细胞术设备采样时间比较。（图片来源：Thermo Fischer Scientific）

在图 6 中，A、B 和 C 的设备采用流体力学技术，而 D 则采用声波聚焦流式细胞术方法。

声波聚焦流式细胞术数据采集

声波聚焦流式细胞术设备的电子元件设计需要高速光敏电子元件，以适应血液细胞和鞘液通过较大直径喷嘴的速度。前面提到的 600 MHz 高速 LTC6268 与专门的 0805 电阻封装布局相结合，使光感应速率高达 11.4 MHz（图 7 左）。LTC6268 的输出被送入 Analog Devices ADAQ23878 ADC 进行数字化。

图 7：ADAQ23878 ADC 将光电二极管 (PD1) 和 TIA 电路（左）的光信号数字化。（图片来源：Bonnie Baker）

ADAQ23878 是一款 18 位、每秒 15 兆次采样 (MSPS) 的精密高速系统级封装 (SIP) 数据采集解决方案。它将设计人员所面对的输入驱动元器件选择、优化和布局等设计挑战转移至设备，从而极大地缩短了精密测量系统的开发周期。

这种 SIP 的模块化方法通过将多个通用信号处理和调节模块与高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 组合在一个设备中，减少了终端系统的元器件数量。这些模块包含一个低噪声、全差分 ADC 激励放大器和一个稳定的参考缓冲器。

ADAQ23878 还集成了关键的无源元器件，它们采用 Analog Devices 的 iPassive 技术，可最大限度地减少与温度有关的误差源并优化性能。ADC 快速建立的驱动级有助于其确保快速数据采集。

评估 ADAQ23878 μModule

为了评估 ADAQ23878，Analog Devices 提供了 EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板（图 8）。该评估板可展示 ADAQ23878 μModule 的性能，是用于评估流式细胞术前端设计和其他各种应用的一款多功能工具。

图 8：用于 ADAQ23878 的 EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板板载电路，配备用于控制和数据分析的关联软件，并且兼容 SDP-H1。（图片来源：Analog Devices）

EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板需要一台运行 Windows 10 或更高版本的个人计算机、一个低噪声的精密信号源以及一个适合 18 位测试的带通滤波器。该评估板需要 ADAQ23878ACE 插件和 SPD-H1 驱动器。

结语

虽然使用标准的流体力学聚焦流式细胞术逐一检查生物细胞已取得成功，但由于需要加快分析速度，人们开始转而改用以声波聚焦流式为主的方法。但是，若要支持更先进的流式细胞术，电子元件也必须改进，同时尽量缩小空间、节约成本并缩短开发时间。

如本文所述，LTC6268 高速运算放大器可与 ADAQ233878 精密、高速、μModule 数据采集解决方案相结合，为先进的流式细胞术设备建立完整的数据采集系统。