Los sistemas modernos de citometría de flujo requieren cada vez más velocidades de eventos más rápidas, superiores a 20 000 eventos por segundo, y anchos de pulso significativamente más estrechos (a nivel de microsegundos) para mejorar la resolución del tamaño celular, detectar señales de fluorescencia más débiles y permitir el análisis multiparamétrico con más de 32 canales. Estos anchos de pulso más pequeños imponen mayores exigencias a la frecuencia de muestreo del ADC, el ancho de banda del TIA, el rendimiento frente al ruido y la densidad de canales dentro del sistema de adquisición.
Un artículo titulado Flow Cytometer Electronics describe los retos de la citometría de flujo.[1] En primer lugar, los pulsos llegan de forma aleatoria, por lo que para medir la altura del pico de un pulso de 3 μs con una precisión superior al 0,1 %, es necesario muestrear la envolvente del pulso 120 veces en esos 3 μs, lo que implica una frecuencia de muestreo del ADC de 40 MSPS. El segundo reto es que las células brillantes pueden ser 10 000 veces más brillantes que las células más oscuras, lo que exige un rango dinámico de al menos cuatro décadas de bits sin ruido. En el pasado, los citómetros contaban con una gran variedad de componentes electrónicos de acondicionamiento de señales analógicas, como integradores y detectores de picos, para compensar el hecho de que en aquel momento no se disponía de ADC adecuados para digitalizar directamente estos pulsos.
En resumen, el reto al que se enfrentan los diseñadores de sistemas es lograr un mayor rendimiento y una mejor diferenciación de los tipos de células. Técnicamente, esto requiere adquirir pulsos de detector estrechos con mayor precisión a medida que aumentan las tasas de eventos en los citómetros de flujo de próxima generación.
A medida que los citómetros de flujo avanzan hacia un mayor rendimiento y más parámetros de fluorescencia, la electrónica debe detectar pulsos de corriente extremadamente estrechos, manteniendo al mismo tiempo una alta precisión, un bajo ruido 1/f y una alta linealidad en ventanas de integración extendidas. Para hacer frente a estos retos de aplicación, las especificaciones de los componentes se vuelven más exigentes:
Frecuencias de muestreo del ADC aumentadas de 15 MSPS a 40 MSPS
Resolución del ADC >18 bits, idealmente 20 bits, para garantizar suficientes bits libres de ruido
Se requiere un TIA de mayor ancho de banda para evitar la atenuación de los pulsos estrechos
INL más ajustado para evitar la superposición de pulsos o el difuminado
Bajo ruido de parpadeo[2] para la estabilidad de la integración a largo plazo
Densidad de canales muy alta con bajo consumo y baja diafonía entre canales
Solución de citometría de flujo de Analog Devices
La solución de citometría de flujo de ADI incluye:
ADA4898-1 Frontal TIA
ADA4945-1 Amplificador totalmente diferencial (FDA)
AD4080 ADC SAR monocanal (20 bits, 40 MSPS, ±4 ppm INL)
LTC6655 Referencia de tensión de bajo ruido (3 voltios)
Figura 1: Cadena de señal de citometría de flujo rápida y de precisión
Esta solución ofrece un amplio ancho de banda TIA, ganancia estable de bajo ruido y filtrado de entrada, así como un digitalizador capaz de muestrear con precisión pulsos estrechos a nivel de microsegundos sin distorsión.
Además, proporciona mejoras inmediatas en el rendimiento:
Flexibilidad para obtener más muestras por pulso (40 MSPS), lo que permite un cálculo más preciso del tamaño celular, o el uso de sobremuestreo 8× para mejorar la relación señal-ruido (SNR) del sistema (89,7 dB), lo que permite la detección de canales de fluorescencia más débiles
Un INL típico de ±4 ppm (±8 ppm máx.) mejora la separación entre pulsos adyacentes
Menor consumo de energía y menor huella en la placa de circuito impreso, lo que permite placas densas con más de 100 canales
Mayor margen de integración para futuras ampliaciones a múltiples longitudes de onda
La solución de citometría de flujo de ejemplo se creó en la herramienta Signal Chain Designer de ADI. Esta herramienta permite la construcción mediante arrastrar y soltar de soluciones completas de la cadena de señal de adquisición y cuenta con capacidades de análisis que pueden utilizarse para evaluar las ventajas relativas del ruido y la relación señal-ruido (SNR), el consumo de energía, la precisión de CC, la respuesta en frecuencia y el tamaño de la solución. La herramienta también permite exportar la solución a LTspice, donde se pueden ejecutar simulaciones más detalladas en el dominio del tiempo y de la frecuencia. Echa un vistazo a la solución de la cadena de señal en Signal Chain Designer: Cadena de señal de citometría de flujo.
