【導讀】流式細胞術(shù)被臨床醫生和診斷醫生廣泛用于分析細胞特性。他們用光學(xué)方法逐一評估每個(gè)細胞的蛋白質(zhì)含量、血液健康狀況、粒度和細胞大小等屬性。盡管系統靈敏度高，但流式細胞儀的設計人員一直面臨著(zhù)需要加速分析的壓力，這就要求采用新的方法設計流式細胞術(shù)及其相關(guān)電子元件。
本文將簡(jiǎn)要介紹流式細胞術(shù)系統的工作原理。然后介紹 Analog Devices 的 18 位 ADC 模塊 ADAQ23878，并展示如何利用該模塊來(lái)設計流式細胞儀的檢測和轉換階段。此外，本文還將介紹一個(gè)可用于評估流式細胞術(shù)前端設計的評估套件。希望通過(guò)本文，讀者能夠更好地了解流式細胞術(shù)的高效數據采集解決方案。
流式細胞術(shù)被臨床醫生和診斷醫生廣泛用于分析細胞特性。他們用光學(xué)方法逐一評估每個(gè)細胞的蛋白質(zhì)含量、血液健康狀況、粒度和細胞大小等屬性。盡管系統靈敏度高，但流式細胞儀的設計人員一直面臨著(zhù)需要加速分析的壓力，這就要求采用新的方法設計流式細胞術(shù)及其相關(guān)電子元件。
流式細胞儀對各個(gè)細胞進(jìn)行激光照射，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(xiàn)并將其轉換為數字信號，需要一個(gè)雪崩光電二極管 (APD) 和復雜的電子元件。要設計和實(shí)現這個(gè)過(guò)程的電路可能需要很長(cháng)時(shí)間，特別是考慮到流式細胞術(shù)數據采集系統需要高速、低噪音的設備來(lái)確保系統的準確性。
為了實(shí)現更快的流式細胞術(shù)分析并保證成本效益，設計人員可以通過(guò)由內部放大器驅動(dòng)器和模數轉換器 (ADC) 組成的數據采集解決方案解決速度和準確性問(wèn)題。
現代流式細胞術(shù)原理
現代流式細胞術(shù)是一個(gè)自動(dòng)化過(guò)程，可以分析細胞和表面分子，描述并定義異質(zhì)細胞群中的不同細胞類(lèi)型。不算準備時(shí)間（可能超過(guò)一個(gè)小時(shí)），該儀器能在不到一分鐘的時(shí)間里對 10000 個(gè)單細胞進(jìn)行三到六個(gè)特征評估。為了實(shí)現這一點(diǎn)，流式細胞術(shù)的單細胞制備步驟至關(guān)重要。樣品在鞘液中組織，以流體力學(xué)方式將細胞或顆粒聚焦到狹長(cháng)的單細胞列樣品流中，以進(jìn)行分析。在經(jīng)過(guò)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(shù)儀的示意圖，首先從頂部加入多細胞樣品。
圖 1：流式細胞儀示意圖，從鞘液聚焦到數據采集。（圖片來(lái)源：Wikipedia，由 Bonnie Baker 修改）
流式細胞儀包含六個(gè)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，以及用于數據收集和分析的計算機。流式細胞儀有液流或鞘液，這兩者會(huì )收窄，以將細胞排列成單列送過(guò)光束。激光每次捕獲一個(gè)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(guò)鏡子和過(guò)濾器進(jìn)行分類(lèi)，然后由 APD 進(jìn)行放大。接下來(lái)，在產(chǎn)生的光輸出擊中 APD 后對其進(jìn)行檢測、數字化和分析。對于檢測來(lái)說(shuō)，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(gè) APD (PD1) 和一個(gè)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。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
設計此放大器電路時(shí)，必須盡可能地擴大帶寬，因而必須盡量減少寄生電容。例如，寄生反饋電容 C 影響了圖 2 的電路穩定性和帶寬。無(wú)論選擇何種電阻器封裝，在放大器的反饋路徑中總會(huì )存在寄生電容。但是，0805 封裝端蓋間距較長(cháng)，寄生電容最低，是高速應用的首選。增加 R1 端蓋之間的距離并不是減少電容的唯一方法。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(xiàn)，來(lái)屏蔽產(chǎn)生寄生電容的電場(chǎng)路徑（圖 3）。
圖 3：在反饋電阻下增設接地線(xiàn)，可從反饋端分流電場(chǎng)，并將傾泄至地面。（圖片來(lái)源：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(xiàn)。此方法可讓寄生電容達到 0.028皮法拉 (pF)，TIA 帶寬達到 1/(2π*RF*CPARASITIC)，相當于 11.4 MHz。光信號會(huì )導向幾個(gè)帶有適當濾光片的雪崩二極管。APD、TIA 和 ADC 系統將這些信號轉換為其數字表示，并將數據發(fā)送到微處理器做進(jìn)一步分析。現代細胞儀通常配備多個(gè)激光器和 APD。目前的商用設備有 10 個(gè)激光器和 30 個(gè)雪崩光電二極管。增加激光和光電倍增管檢測器的數量，可以進(jìn)行多次抗體標記，從而通過(guò)表型標記精確識別目標細胞群。不過(guò)，分析速度還是取決于以下因素的微妙平衡：
流式細胞術(shù)聲波聚焦
雖然增加多個(gè)激光器和 APD 可以加速分析和識別，但在最好的情況下，最新的現代單細胞流式細胞術(shù)每分鐘可以收集多達一百萬(wàn)個(gè)細胞的數據。在許多應用中，如檢測血液中低至每毫升 100 個(gè)的循環(huán)腫瘤細胞時(shí)，這種處理遠遠不夠。在罕見(jiàn)細胞的臨床應用中，試驗經(jīng)常需要對數十億的細胞進(jìn)行分析，非常耗時(shí)。聲波聚焦過(guò)程是流體力學(xué)聚焦細胞制備過(guò)程的替代方案。在該過(guò)程中，將一種壓電材料（如鋯鈦酸鉛 (PZT)）附著(zhù)在玻璃毛細管上，使電脈沖轉換成機械振動(dòng)（圖 4a）。通過(guò)使用 PZT 在矩形流通池的共振頻率下振動(dòng)玻璃毛細管的側壁，系統會(huì )產(chǎn)生具有不同數量壓力節點(diǎn)的各種聲駐波。
圖 4：矩形玻璃毛細管制成的聲學(xué)流通池示意圖 (a)。定寬毛細管的前三個(gè)壓力節點(diǎn)的位置 (b)。（圖片來(lái)源：美國國家生物技術(shù)信息中心）
這些 PZT 頻率節點(diǎn)將流動(dòng)的粒子排列成多條離散的流線(xiàn)（圖 4b）。聲學(xué)流通池使用線(xiàn)性聲駐波，通過(guò)產(chǎn)生單次或多次諧波來(lái)調諧為各種波長(cháng)。正如簡(jiǎn)單線(xiàn)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(gè)或多個(gè)單細胞列。借助這種精確的細胞組織，鞘液隧道的寬度可以擴大，以加速流過(guò)激光束（圖 5）。
圖 5：對于流體力學(xué)樣品流（c.和 d.），隨著(zhù)鞘液寬度增加，細胞樣品發(fā)生散射，使光學(xué)測量過(guò)程變得困難。無(wú)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。（圖片來(lái)源：Thermo Fischer Scientific）
傳統的流體力學(xué)聚焦（圖 5c.）將單細胞排成列，準備進(jìn)行激光掃描。雖然樣品流核心的漏斗越寬，鞘液材料的速度就越快（圖 5d.），但這也會(huì )導致單細胞列發(fā)生分散，從而產(chǎn)生信號變化并影響數據質(zhì)量。聲波聚焦（圖5a.）將生物細胞和其他顆粒緊密地排列在一起，即使隧道較寬也沒(méi)有問(wèn)題。這種精確的細胞排列允許更高的采樣率，同時(shí)保持數據質(zhì)量（圖 5b.）。在實(shí)踐中，流式細胞術(shù)聲波聚焦可使細胞采樣頻率提高約 20 倍（圖 6）。
圖 6：基于流體流式細胞術(shù)（A、B、C）與聲波聚焦細胞術(shù) (D) 對比的各種流式細胞術(shù)設備采樣時(shí)間比較。（圖片來(lái)源：Thermo Fischer Scientific）
在圖 6 中，A、B 和 C 的設備采用流體力學(xué)技術(shù)，而 D 則采用聲波聚焦流式細胞術(shù)方法。
聲波聚焦流式細胞術(shù)數據采集
聲波聚焦流式細胞術(shù)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(guò)較大直徑噴嘴的速度。前面提到的 600 MHz 高速 LTC6268 與專(zhuān)門(mén)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 進(jìn)行數字化。
圖 7：ADAQ23878 ADC 將光電二極管 (PD1) 和 TIA 電路（左）的光信號數字化。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
ADAQ23878 是一款 18 位、每秒 15 兆次采樣 (MSPS) 的精密高速系統級封裝 (SIP) 數據采集解決方案。它將設計人員所面對的輸入驅動(dòng)元器件選擇、優(yōu)化和布局等設計挑戰轉移至設備，從而極大地縮短了精密測量系統的開(kāi)發(fā)周期。
這種 SIP 的模塊化方法通過(guò)將多個(gè)通用信號處理和調節模塊與高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 組合在一個(gè)設備中，減少了終端系統的元器件數量。這些模塊包含一個(gè)低噪聲、全差分 ADC 激勵放大器和一個(gè)穩定的參考緩沖器。
ADAQ23878 還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元器件，它們采用 Analog Devices 的iPassive 技術(shù)，可最大限度地減少與溫度有關(guān)的誤差源并優(yōu)化性能。ADC 快速建立的驅動(dòng)級有助于其確?？焖贁祿杉?。
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 μModule 的性能，是用于評估流式細胞術(shù)前端設計和其他各種應用的一款多功能工具。
圖 8：用于 ADAQ23878 的 EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板板載電路，配備用于控制和數據分析的關(guān)聯(lián)軟件，并且兼容 SDP-H1。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板需要一臺運行 Windows 10 或更高版本的個(gè)人計算機、一個(gè)低噪聲的精密信號源以及一個(gè)適合 18位測試的帶通濾波器。該評估板需要 ADAQ23878 ACE 插件和 SPD-H1 驅動(dòng)器。
雖然使用標準的流體力學(xué)聚焦流式細胞術(shù)逐一檢查生物細胞已取得成功，但由于需要加快分析速度，人們開(kāi)始轉而改用以聲波聚焦流式為主的方法。因此，若要支持更先進(jìn)的流式細胞術(shù)，電子元件也必須改進(jìn)，同時(shí)盡量縮小空間、節約成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。如本文所述，LTC6268 高速運算放大器可與 ADAQ233878 精密、高速、μModule 數據采集解決方案相結合，為先進(jìn)的流式細胞術(shù)設備建立完整的數據采集系統，從而保證快速的數據采集。
(作者：Bonnie Baker，來(lái)源：DigiKey得捷）
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