集成式光學(xué)接收器如何滿足床旁檢測儀器的未來需求

簡介

體外診斷(IVD)系統(tǒng)依賴光學(xué)接收器技術(shù)來獲得高靈敏度的具體診斷結(jié)果，諸如ELISA和PCR等成熟技術(shù)即利用熒光光學(xué)接收鏈來執(zhí)行診斷檢測。同樣地，床旁檢測(PoC)也采用光學(xué)接收器作為強(qiáng)有力的工具來創(chuàng)建準(zhǔn)確、靈活、快速的系統(tǒng)以獲取結(jié)果。本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)光學(xué)PoC接收鏈時(shí)需考慮的關(guān)鍵因素，闡釋了集成式光學(xué)前端能滿足這些性能需求的原因及相應(yīng)的關(guān)鍵優(yōu)勢——助力構(gòu)建適應(yīng)未來需求的平臺(tái)。

熒光檢測診斷技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

基于熒光方法的IVD檢測使用特定波長的光激發(fā)含有熒光標(biāo)記的樣本，如圖1的綠色箭頭所示。如果樣本中包含目標(biāo)分析物，被熒光標(biāo)記的目標(biāo)分析物會(huì)發(fā)射低能量的光對激發(fā)做出反應(yīng)。例如，在圖1中，樣本中的熒光標(biāo)記發(fā)射紅光進(jìn)行響應(yīng)，這種發(fā)射光就是我們需要檢測的熒光信號(hào)，以確定樣本中是否包含目標(biāo)分析物及其含量。

圖1.IVD熒光檢測系統(tǒng)。

基于熒光方法的診斷檢測需要借助一個(gè)閾值去檢測熒光。如果接收的熒光信號(hào)低于閾值水平，則無法確定樣本中存在目標(biāo)分析物。系統(tǒng)中的電子器件和一些其他因素可能產(chǎn)生背景噪聲使得閾值增高。為降低閾值水平，同時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地獲得更出色的靈敏度而不犧牲選擇性，我們需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)光學(xué)檢測系統(tǒng)，確保信號(hào)鏈不會(huì)提高背景噪聲的水平。

典型的PoC熒光檢測系統(tǒng)

典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)采用發(fā)光二極管(LED)來生成激發(fā)光，采用光電二極管(PD)來檢測樣本發(fā)出的熒光。PD產(chǎn)生電流，該電流與熒光信號(hào)的光強(qiáng)成正比。與本底噪聲相比，PD的電流通常非常低，所以需要精心設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，在不犧牲選擇性的情況下實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測。圖2顯示了典型PoC熒光檢測系統(tǒng)的主要組成部分。跨阻放大器(TIA)將PD的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將該電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的熒光水平。

圖2.典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)。

PoC熒光檢測系統(tǒng)的性能需求

PoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實(shí)現(xiàn)最高的診斷靈敏度。這就要求PoC儀器能夠可靠識(shí)別非常低的PD電流，以響應(yīng)LED的激勵(lì)。例如，高靈敏度的系統(tǒng)必須能夠檢測皮安級(jí)PD電流，以響應(yīng)100 mA級(jí)的LED激勵(lì)電流。也就是說，該系統(tǒng)必須能夠檢測約140 dB光學(xué)衰減的PD電流。

要實(shí)現(xiàn)這些性能，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多種器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的因素。PD的模擬前端(AFE)設(shè)計(jì)尤為重要。因?yàn)榕c本底噪聲相比，PD的電流通常非常微弱，所以TIA必須具備高增益和低輸入偏置電流。除此之外，還需要考慮其他的一些重要參數(shù)，包括低TIA輸入失調(diào)電壓，以及PD和TIA之間的最小距離。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測的一個(gè)重要因素。熒光檢測必須與LED的激勵(lì)同步，因此系統(tǒng)需要采用控制器來確保這種同步。要在本底噪聲中識(shí)別出微弱的PD電流信號(hào)，系統(tǒng)通常需要計(jì)算多個(gè)熒光讀數(shù)的平均值，這種求均值的技術(shù)是控制器的一個(gè)重要功能。環(huán)境光和LED的漂移會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，若能利用控制器抑制環(huán)境光并抑制LED的漂移，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的整體優(yōu)勢。

集成式光學(xué)前端接收器的優(yōu)勢

PoC讀取器的信號(hào)鏈可以選擇兩種明顯不同的架構(gòu)：完全分立式解決方案（如圖2所示），或者使用集成式光學(xué)前端（如圖3所示）。

圖3.使用集成式光學(xué)前端的PoC檢測系統(tǒng)。

集成式解決方案的第一個(gè)明顯優(yōu)勢是有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。集成式解決方案可以在光學(xué)前端內(nèi)部實(shí)現(xiàn)熒光檢測和LED激勵(lì)的同步。采用集成式光學(xué)前端還能減少外圍器件，實(shí)現(xiàn)更緊湊的解決方案，從而在降低BOM和電源管理的復(fù)雜程度的同時(shí)減小設(shè)備的尺寸。另外非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是，集成式光學(xué)前端能夠通過固件配置參數(shù)，例如光電二極管、LED驅(qū)動(dòng)器和濾波器的參數(shù)，而分立式解決方案則無法提供這種可配置性，需要重新開發(fā)新硬件?？膳渲眯苑浅ｊP(guān)鍵，因?yàn)槲覀冃枰鶕?jù)變化隨時(shí)調(diào)整平臺(tái)，以改進(jìn)或者采用新的檢測方法。這是因?yàn)槟承┎≡w的新變異株以及一些新的疾病在不斷產(chǎn)生，所以構(gòu)建無需更改硬件就可以實(shí)現(xiàn)新的檢測方法的接收器平臺(tái)將會(huì)成為一大優(yōu)勢。

集成式光學(xué)前端具有明顯優(yōu)勢，但是，如何衡量低光度熒光應(yīng)用中光學(xué)前端的性能并不簡單。單純考量集成式光學(xué)前端的信噪比(SNR)并不能揭示光學(xué)接收器的真實(shí)性能，這是由于光照水平通常很低，因此光學(xué)前端的絕對本底噪聲而非SNR才是關(guān)鍵參數(shù)。盡管1/f噪聲分量會(huì)限制均值方法對本底噪聲的改善程度，但我們還是可以基于熒光測量的時(shí)標(biāo)采用均值方法降低本底噪聲。因此，絕對暗電流噪聲特別是閃爍噪聲是主要的考量因素。許多集成式光學(xué)AFE的數(shù)據(jù)手冊都未給出整個(gè)系統(tǒng)（包括PD）的暗電流噪聲，因此我們需要單獨(dú)測量該值。

ADI公司的集成式光學(xué)前端

ADI的集成式光學(xué)前端（例如MAX86171）非常適合PoC熒光應(yīng)用，可以集成模擬信號(hào)鏈和數(shù)字控制器從而構(gòu)成光學(xué)接收器的單IC解決方案。MAX86171包含可調(diào)的光電二極管輸入、19位ADC、低噪聲LED驅(qū)動(dòng)器，以及FIFO緩沖串行接口。

圖4.MAX86171的功能框圖。

該AFE具有9個(gè)LED通道和4個(gè)PD通道，擁有足夠通道支持多種檢測方法并支持未來的檢測擴(kuò)展而無需進(jìn)行硬件升級(jí)。該器件可通過SPI或I2C進(jìn)行編程，允許對例如積分時(shí)間、均值范圍和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。FIFO支持在MCU的休眠模式下進(jìn)行測量，從而延長手持式PoC系統(tǒng)的電池壽命。

更重要的是，該器件具有高性能和低噪聲的特性，能夠助力構(gòu)建高靈敏度的檢測系統(tǒng)。借助均值功能和低1/f噪聲的特性，面積為7.5 mm2的光電二極管構(gòu)成的信號(hào)鏈的暗電流噪聲僅為11 pA rms，能夠可靠檢測1 pA至10 pA范圍內(nèi)的低光電二極管電流，尤其適用于低光度的熒光應(yīng)用。此外，該器件出色的PSRR和環(huán)境光抑制特性能夠減輕系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)電源和機(jī)械外殼的負(fù)擔(dān)。

圖5.采用MAX86171進(jìn)行低光度測量。

我們使用MAX86171驅(qū)動(dòng)LED通過多層中性密度(ND)光學(xué)濾波器再經(jīng)光電二極管接收以驗(yàn)證性能，如圖5所示。通過增大ND濾波器的密度，光學(xué)衰減可在40 dB (ND2)至140 dB (ND7)之間變化，由此模擬PCR或LAMP檢測過程中熒光含量減少的行為。當(dāng)衰減低于140 dB時(shí)，MAX86171能夠可靠檢測高于本底暗電流的光電二極管電流，并且分辨率好于10 pA。MAX86171之所以具有如此高的靈敏度，是因?yàn)楣怆姸O管連接至光學(xué)前端時(shí)的暗電流噪聲很低，僅為11 pA rms。

圖6.MAX86171的性能。

經(jīng)過測量得出，MAX86171的性能超出了PoC儀器的性能要求，充分適配各種生化目標(biāo)分析物的檢測。MAX86171的內(nèi)部寄存器支持通過固件設(shè)置，例如脈沖寬度、脈沖強(qiáng)度、增益和偏置。此外，MAX86171還支持采用濾波、均值和環(huán)境光抑制等選項(xiàng)來優(yōu)化光學(xué)檢測的性能。綜上，MAX86171是一種具有極高靈敏度的解決方案，可在不改動(dòng)硬件的情況下支持新的檢測方法。

結(jié)論

IVD系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)需要慎重考慮，確保在不犧牲選擇性的情況下實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測。適配各種生化目標(biāo)分析物的檢測系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是要保證能夠識(shí)別各種微弱的電子信號(hào)，只有這樣才能提供準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

PoC市場發(fā)展迅猛，接收器既要具備靈活性以適應(yīng)未來需求，還要能夠適應(yīng)不斷增加和不斷變化的檢測項(xiàng)目。ADI公司的集成式光學(xué)前端MAX86171不但能夠滿足這些嚴(yán)格的性能要求，還支持軟件配置，是降低電子接收器設(shè)計(jì)難度和適應(yīng)未來需求的良好解決方案。