【導讀】流式細胞術被臨床醫生和診斷醫生廣泛用於分析細胞特性。他們用光學方法逐一評估每個細胞的蛋白質含量、血液健康狀況、liduhexibaodaxiaodengshuxing。jinguanxitonglingmindugao，danliushixibaoyideshejirenyuanyizhimianlinzhexuyaojiasufenxideyali，zhejiuyaoqiucaiyongxindefangfashejiliushixibaoshujiqixiangguandianziyuanjian。
本文將簡要介紹流式細胞術係統的工作原理。然後介紹 Analog Devices 的 18 位 ADC 模塊 ADAQ23878，並bing展zhan示shi如ru何he利li用yong該gai模mo塊kuai來lai設she計ji流liu式shi細xi胞bao儀yi的de檢jian測ce和he轉zhuan換huan階jie段duan。此ci外wai，本ben文wen還hai將jiang介jie紹shao一yi個ge可ke用yong於yu評ping估gu流liu式shi細xi胞bao術shu前qian端duan設she計ji的de評ping估gu套tao件jian。希xi望wang通tong過guo本ben文wen，讀du者zhe能neng夠gou更geng好hao地di了le解jie流liu式shi細xi胞bao術shu的de高gao效xiao數shu據ju采cai集ji解jie決jue方fang案an。
流式細胞術被臨床醫生和診斷醫生廣泛用於分析細胞特性。他們用光學方法逐一評估每個細胞的蛋白質含量、血液健康狀況、liduhexibaodaxiaodengshuxing。jinguanxitonglingmindugao，danliushixibaoyideshejirenyuanyizhimianlinzhexuyaojiasufenxideyali，zhejiuyaoqiucaiyongxindefangfashejiliushixibaoshujiqixiangguandianziyuanjian。
流式細胞儀對各個細胞進行激光照射，產生散射和熒光信號。為了快速、準確地捕捉所產生的光線並將其轉換為數字信號，需要一個雪崩光電二極管 (APD) 和複雜的電子元件。要設計和實現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據采集係統需要高速、低噪音的設備來確保係統的準確性。
為了實現更快的流式細胞術分析並保證成本效益，設計人員可以通過由內部放大器驅動器和模數轉換器 (ADC) 組成的數據采集解決方案解決速度和準確性問題。
現代流式細胞術原理
現代流式細胞術是一個自動化過程，可以分析細胞和表麵分子，描述並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鍾的時間裏對 10000 個單細胞進行三到六個特征評估。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)，流(liu)式(shi)細(xi)胞(bao)術(shu)的(de)單(dan)細(xi)胞(bao)製(zhi)備(bei)步(bu)驟(zhou)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。樣(yang)品(pin)在(zai)鞘(qiao)液(ye)中(zhong)組(zu)織(zhi)，以(yi)流(liu)體(ti)力(li)學(xue)方(fang)式(shi)將(jiang)細(xi)胞(bao)或(huo)顆(ke)粒(li)聚(ju)焦(jiao)到(dao)狹(xia)長(chang)的(de)單(dan)細(xi)胞(bao)列(lie)樣(yang)品(pin)流(liu)中(zhong)，以(yi)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。在(zai)經(jing)過(guo)這(zhe)種(zhong)轉(zhuan)換(huan)後(hou)，單(dan)細(xi)胞(bao)必(bi)須(xu)保(bao)持(chi)其(qi)自(zi)然(ran)的(de)生(sheng)物(wu)特(te)征(zheng)和(he)生(sheng)化(hua)成(cheng)分(fen)。圖 1 是流式細胞術儀的示意圖，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。（圖片來源：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，以及用於數據收集和分析的計算機。流式細胞儀有液流或鞘液，這兩者會收窄，以將細胞排列成單列送過光束。激光每次捕獲一個細胞，產生前向角散射光 (FSC) 信號和側向角散射光 (SSC) 信號。熒光通過鏡子和過濾器進行分類，然後由 APD 進行放大。接下來，在產生的光輸出擊中 APD 後對其進行檢測、數字化和分析。對於檢測來說，Analog Devices 的 LTC6268 500 兆赫 (MHz) 超低偏置電流、低電壓噪聲 FET 輸入運算放大器對於檢測所需的高速 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。（圖片來源：Bonnie Baker）
設計此放大器電路時，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。無論選擇何種電阻器封裝，在放大器的反饋路徑中總會存在寄生電容。但是，0805 封裝端蓋間距較長，寄生電容最低，是高速應用的首選。增加 R1 端蓋之間的距離並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，來屏蔽產生寄生電容的電場路徑（圖 3）。
圖 3：在反饋電阻下增設接地線，可從反饋端分流電場，並將傾泄至地麵。（圖片來源：Analog Devices）
在這種情況下，該方法具體涉及到在靠近 TIA 輸出端的電阻墊下麵和之間放置一條短的接地線。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)，相當於 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 係統將這些信號轉換為其數字表示，並將數據發送到微處理器做進一步分析。現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量，可以進行多次抗體標記，從而通過表型標記精確識別目標細胞群。
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
流式細胞術聲波聚焦
雖然增加多個激光器和 APD 可ke以yi加jia速su分fen析xi和he識shi別bie，但dan在zai最zui好hao的de情qing況kuang下xia，最zui新xin的de現xian代dai單dan細xi胞bao流liu式shi細xi胞bao術shu每mei分fen鍾zhong可ke以yi收shou集ji多duo達da一yi百bai萬wan個ge細xi胞bao的de數shu據ju。在zai許xu多duo應ying用yong中zhong，如ru檢jian測ce血xue液ye中zhong低di至zhi每mei毫hao升sheng 100 個的循環腫瘤細胞時，這種處理遠遠不夠。在罕見細胞的臨床應用中，試驗經常需要對數十億的細胞進行分析，非常耗時。聲波聚焦過程是流體力學聚焦細胞製備過程的替代方案。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，使電脈衝轉換成機械振動（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，係統會產生具有不同數量壓力節點的各種聲駐波。
圖 4：矩形玻璃毛細管製成的聲學流通池示意圖 (a)。定寬毛細管的前三個壓力節點的位置 (b)。（圖片來源：美國國家生物技術信息中心）
這些 PZT 頻率節點將流動的粒子排列成多條離散的流線（圖 4b）。聲(sheng)學(xue)流(liu)通(tong)池(chi)使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)聲(sheng)駐(zhu)波(bo)，通(tong)過(guo)產(chan)生(sheng)單(dan)次(ci)或(huo)多(duo)次(ci)諧(xie)波(bo)來(lai)調(tiao)諧(xie)為(wei)各(ge)種(zhong)波(bo)長(chang)。正(zheng)如(ru)簡(jian)單(dan)線(xian)性(xing)駐(zhu)波(bo)模(mo)型(xing)所(suo)預(yu)測(ce)的(de)那(na)樣(yang)，樣(yang)品(pin)中(zhong)的(de)細(xi)胞(bao)在(zai)流(liu)通(tong)池(chi)中(zhong)產(chan)生(sheng)單(dan)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)單(dan)細(xi)胞(bao)列(lie)。借助這種精確的細胞組織，鞘液隧道的寬度可以擴大，以加速流過激光束（圖 5）。
圖 5：對於流體力學樣品流（c.和 d.），隨著鞘液寬度增加，細胞樣品發生散射，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。（圖片來源：Thermo Fischer Scientific）
傳統的流體力學聚焦（圖 5c.）將單細胞排成列，準備進行激光掃描。雖然樣品流核心的漏鬥越寬，鞘液材料的速度就越快（圖 5d.），但這也會導致單細胞列發生分散，從而產生信號變化並影響數據質量。聲波聚焦（圖5a.）將生物細胞和其他顆粒緊密地排列在一起，即使隧道較寬也沒有問題。這種精確的細胞排列允許更高的采樣率，同時保持數據質量（圖 5b.）。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（圖 6）。
圖 6：基於流體流式細胞術（A、B、C）與聲波聚焦細胞術 (D) 對比的各種流式細胞術設備采樣時間比較。（圖片來源：Thermo Fischer Scientific）
在圖 6 中，A、B 和 C 的設備采用流體力學技術，而 D 則采用聲波聚焦流式細胞術方法。
聲波聚焦流式細胞術數據采集
聲波聚焦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。前麵提到的 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 進行數字化。
圖 7：ADAQ23878 ADC 將光電二極管 (PD1) 和 TIA 電路（左）的光信號數字化。（圖片來源：Bonnie Baker）
ADAQ23878 是一款 18 位、每秒 15 兆次采樣 (MSPS) 的精密高速係統級封裝 (SIP) 數據采集解決方案。它將設計人員所麵對的輸入驅動元器件選擇、優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係統的開發周期。
這種 SIP 的模塊化方法通過將多個通用信號處理和調節模塊與高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 組合在一個設備中，減少了終端係統的元器件數量。這些模塊包含一個低噪聲、全差分 ADC 激勵放大器和一個穩定的參考緩衝器。
ADAQ23878 還集成了關鍵的無源元器件，它們采用 Analog Devices 的iPassive 技術，可最大限度地減少與溫度有關的誤差源並優化性能。ADC 快速建立的驅動級有助於其確保快速數據采集。
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，是用於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。
圖 8：用於 ADAQ23878 的 EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板板載電路，配備用於控製和數據分析的關聯軟件，並且兼容 SDP-H1。（圖片來源：Analog Devices）
EVAL-ADAQ23878FMCZ 評估板需要一台運行 Windows 10 或更高版本的個人計算機、一個低噪聲的精密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 ADAQ23878 ACE 插件和 SPD-H1 驅動器。
suiranshiyongbiaozhundeliutilixuejujiaoliushixibaoshuzhuyijianzhashengwuxibaoyiqudechenggong，danyouyuxuyaojiakuaifenxisudu，renmenkaishizhuanergaiyongyishengbojujiaoliushiweizhudefangfa。yinci，ruoyaozhichigengxianjindeliushixibaoshu，dianziyuanjianyebixugaijin，tongshijinliangsuoxiaokongjian、節約成本並縮短開發時間。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，為先進的流式細胞術設備建立完整的數據采集係統，從而保證快速的數據采集。
(作者：Bonnie Baker，來源：DigiKey得捷）
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