从流式细胞仪看高速高精度信号链如何改变医学技术

流式细胞仪被临床医生和诊断医生广泛用于分析细胞特征。通过一次测量一个细胞，以光学方式评估蛋白质水平、血液健康、粒度和细胞大小以及其他属性。尽管它们是高度敏感的系统，但流式细胞仪的设计人员一直承受着加快分析时间的压力，需要流式细胞仪及其相关电子设备的新方法。

细胞仪对单个细胞进行激光照射，以产生散射和荧光信号。要快速准确地捕获产生的光并将其转换为数字信号，需要雪崩光电二极管 (APD) 和复杂的电子设备。此过程的电路可能需要很长时间来设计和实施，特别是考虑到流式细胞数据采集系统需要高速、低噪声的设备来确保系统准确性。

为了经济高效地支持更快的流式细胞术分析，设计人员可以使用包含内部放大器驱动器和模数转换器 (ADC) 的数据采集解决方案来解决速度和准确性问题。

本文将简要介绍流式细胞仪系统的工作原理，以及ADI的 18 位 ADC 模块 ADAQ23878，并展示了如何使用它来设计流式细胞仪检测和转换，以及相关的评估套件。

现代流式细胞仪原理

现代流式细胞术是一种自动化过程，可分析细胞和表面分子、表征和定义异质细胞群中的不同细胞类型。该仪器可在不到一分钟的时间内对 10,000 个单细胞进行三到六次特征评估。

为此，流式细胞仪的单细胞制备步骤至关重要。样品的组织在鞘液中，利用流体动力学，将细胞或颗粒聚焦到狭窄的单细胞系样品流中进行分析。通过这种转化，单细胞必须保持其天然生物学特性和生化成分。

图 1：流式细胞仪示意图，从鞘管聚焦到数据采集。 （图片来源：维基百科，由 Bonnie Baker 修改）

流式细胞仪的六个主要组件是流式细胞、激光器、雪崩光电二极管 (APD)、跨阻抗放大器 (TIA)、ADC 和用于数据收集和分析的计算机。

流式细胞仪具有液体流或鞘液，通过变窄的管道，以使细胞顺序排列。激光一次捕获一个细胞，产生前向散射光 (FSC) 信号和侧向散射光 (SSC) 信号。使用镜子和滤光片对荧光进行分类，然后由 APD 放大。

下一步是检测、数字化和分析到达 APD 后产生的光输出。对于检测，ADI的 LTC6268 高达500MHz、超低偏置电流、低电压噪声 FET 输入运算放大器非常适合检测所需的高速 TIA。

图 2：TIA 电路使用 APD (PD1) 和低输入电流 FET 运算放大器将超低光电二极管电流转换为 IN1+ 的输出电压。

必须设计具有尽可能宽带宽的放大器电路，因此必须尽量减少寄生电容。例如，寄生反馈电容 C 会影响图 2 的电路稳定性和带宽。无论选择何种电阻器封装，放大器的反馈路径中总会存在寄生电容。0805的封装具有较长的端盖距离和最低的寄生电容，更适合高速应用。

增加 R1 端盖之间的距离并不是减小电容的唯一方法。降低板间电容的另一种方法是通过在电阻 R1 下方放置额外的接地走线来屏蔽产生寄生电容的 E 场路径（图 3）。

图 3：在反馈电阻下方添加接地走线可将电场E从反馈侧分流，并将其转至接地。 （图片来源：ADI）

在这种情况下，该方法具体涉及在 TIA 输出端附近的电阻焊盘下方和之间放置一条短接地线。该技术使寄生电容值为 0.028 皮法 (pF)，TIA 带宽为 1/(2π*Rf*Cparasitic)，也就是11.4 MHz。

光信号指向带有适当滤光器的几个雪崩二极管。APD、TIA 和 ADC 系统转换将这些信号转换为数字表示形式，并将数据发送到微处理器进行进一步分析。

现代仪器通常具有多个激光器和 APD。目前的商业仪器有十个激光器和三十个雪崩光电二极管。增加激光和光电倍增管检测器数量可以允许同时识别更多目标群体。

尽管如此，分析速度仍取决于以下方面的良好平衡：

流体鞘速度

流体动力学聚焦过程形成单细胞系的能力

隧道直径

保持细胞完整性的能力

电子技术

流式细胞仪声聚焦

添加多个激光器和 APD 可以加速分析和识别，最新的现代单细胞流式细胞术方法最多可以每分钟收集多达一百万个单个细胞的数据。在许多应用中，例如检测血液中存在的循环肿瘤细胞水平低至每毫升 100 个细胞。目前，在稀有细胞临床应用中，测试通常需要对数十亿个细胞进行耗时的分析，这显然是不够的。

流体动力学聚焦细胞制备过程的替代方法是声聚焦过程。在这里，压电材料，如锆钛酸铅 (PZT)，连接到毛细玻璃管上，以将电脉冲转换为机械振动（图 4a）。通过使用 PZT 的共振频率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学驻波。

图 4：使用矩形玻璃毛细管 (a) 制成的声学流通池示意图。固定宽度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个离散的流线（图 4b）。声学流通池使用线性、驻声波通过创建单个或多个谐波调谐到各种波长。正如简单线性驻波模型所预测的，样品中的细胞在流动室内产生单个或多个单细胞系。

通过这种精确的细胞组织，流动鞘管的宽度可以加宽，以允许更快的流速通过（图 5）。

图 5：随着流体动力学样品流（c. 和 d.）随着鞘宽度的增加，细胞样品分散，使得光学测量过程变得困难。无论鞘宽如何，声学聚焦的样品流（a. 和 b.）都保持线性。 （图片来源：赛默飞世尔科技）

传统的流体动力学聚焦（图 5c.）排列单细胞系以准备激光扫描。虽然样品流芯的更宽漏斗允许更高的鞘材料速度（图 5d.），但它也会导致单细胞组织的扩散，产生信号变化和数据质量受损。

声学聚焦（图 5a.）将生物细胞和其他粒子紧密对齐，即使通道更宽。这种精确的单元对齐允许更高的采样率，同时保持数据质量（图 5b.）。

在实践中，流式细胞仪声聚焦将细胞采样频率提高了约 20 倍（图 6）。

图 6：基于流体流式细胞仪（A、B、C）与声聚焦细胞仪（D）的各种流式细胞仪设备的采样时间比较。 （图片来源：赛默飞世尔科技）

在图 6 中，A、B 和 C 中的设备使用流体动力学技术，而 D 使用声聚焦流式细胞仪流动方法。

声聚焦流式细胞仪数据采集

声聚焦流式细胞仪设备的电子设备设计需要高速光敏电子设备，以适应血细胞和鞘液通过较大直径喷嘴。前面提到的 600 MHz 高速 LTC6268 与专门的 0805 电阻器封装布局相结合，使光学检测速率高达 11.4 MHz（图 7，左）。 LTC6268 的输出被馈送到 ADI 的 ADAQ23878 ADC 以进行模数转换。

图 7：ADAQ23878 ADC 将来自光电二极管 (PD1) 和 TIA 电路（左）的光信号数字化。 （图片来源：邦妮贝克）

ADAQ23878 是一款 18 位、15 兆样本/s (MSPS) 的精密高速系统级封装 (SIP) 数据采集解决方案。它通过高集成，解决了输入驱动器组件选择、优化和布局的设计困扰，大大缩短了精密测量系统的开发周期。

SIP 的模块化方法通过在单个器件中结合多个通用信号处理和调节模块以及高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 来减少终端系统组件数量。这些模块包括一个低噪声、全差分 ADC 驱动放大器和一个稳定的基准缓冲器。

ADAQ23878 还集成了关键的无源组件，这些组件使用 ADI 公司的 iPassive 技术来最大限度地减少与温度相关的误差源并优化性能。ADC 的快速稳定驱动有助于确保快速采集数据。

评估 ADAQ23878 µModule

为了评估 ADAQ23878，ADI 公司提供了 EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板（图 8）。该板展示了 ADAQ23878 μModule 的性能，是一款用于评估流式细胞仪前端设计和各种其他应用的多功能工具。

图 8：用于 ADAQ23878 的 EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板板载电源电路，随附用于控制和数据分析的相关软件，并且与 SDP-H1 兼容。 （图片来源：ADI）

EVAL-ADAQ23878FMCZ 评估板需要运行 Windows 10 或更高版本的个人计算机，以及低噪声、精密信号源和适合 18 位测试的带通滤波器。评估板需要 ADAQ23878 ACE 插件和 SPD-H1 驱动器。

结论

使用标准流体动力学聚焦流式细胞仪技术检查生物细胞已经成功，但由于需要更快的分析，业界已经转向基于声学聚焦流方法的技术。然而，支持更先进流式细胞仪的电子设备也必须改进，同时最大限度地减少空间、成本和开发时间。

如文中所示，LTC6268 高速运算放大器和 ADAQ233878 精密、高速、μModule 数据采集解决方案可以结合起来，为先进的流式细胞仪设备创建完整的数据采集系统。