Vi skal i denne artikel se på, hvad man skal overveje, når man designer en optisk point-of-care receiver-kæde, og hvordan integrerede optiske front-ends ikke bare opfylder de nødvendige krav til ydelsen, men også giver fordele, hvis en virksomhed ønsker at skabe en platform for fremtidige instrumenter
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 7 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Wassim Bassalee, FAE, Aileen Cleary, marketing manager, Medical Instrumentation & Life Sciences Business Group, Rob Finnerty, systems applications engineer, Neil Quinn, systems applications engineer
Alle fra Analog Devices
Systemer til in-vitro diagnostik (IVD) bruger ofte optiske receivere til følsomme og specifikke resultater. Etablerede teknikker som ELISA og PCR anvender en fluorescerende optisk receiver-signalkæde til at udføre diagnoserne. PoC-markedet (Point-of-Care – eller behandlingspunkter) bruger derfor også de optiske receivere til systemer, der skal være præcise, fleksible og hurtige.
I en fluorescensbaseret IVD-test stimuleres en prøve med flourescerende labels med lys af en given bølgelængde, som det er vist med den grønne pil i figur 1. Hvis prøven/samplen indeholder relevant analytika, reagerer den flourescerende label på stimuli ved at udsende lys med et lavere energiniveau. I figur 1 reagerer de flourescerende labels ved at udsende rødt lys. Det udsendte lys er signalet, der skal detekteres for at afgøre tilstedeværelse og mængde af materiale/analytika i prøven.
En fluorescensbaseret diagnose vil have en tærskelværdi, der fortæller, hvad fluorescensen er i stand til at afrapportere. Et signal under dét niveau kan ikke med sikkerhed indikere tilstedeværelsen af analytika i prøven. Elektronikken i diagnosticeringsinstrumentet bidrager sammen med andre faktorer til baggrundsstøj, der tvinger tærsklen for en præcis måling opad. For at sænke denne tærskelværdi og dermed opnå en bedre følsomhed uden at sætte selektiviteten over styr er et omhyggeligt design af det optiske detektionssystem nødvendigt for at sikre, at den elektroniske receiver-signalkæde ikke bidrager til baggrundsstøjniveauet.
Et typisk PoC-diagnosticeringssystem med fluorescensdetektion bruger en lysdiode (LED) til at generere lysstimuli og en fotodiode (PD) til detektion af fluorescensen fra prøven. PD’en genererer en elektrisk strøm, der er proportional med intensiteten af det fluorescerende signal, som kan være ekstremt svagt. PD-strømmen er ofte også meget lille i forhold til støjgulvet, hvilket kræver et omhyggeligt design af elektronikken for at opnå tilstrækkelig følsomhed til detektionen uden tab af selektivitet. Figur 2 viser hovedkomponenterne i et typisk PoC-system til fluorescensdetektion. Signalet fra PD’en bliver konverteret til en spænding med en transimpedansforstærker (TIA). Spændingssignalet digitaliseres af en A/D-konverter og oversættes derefter til et tilsvarende fluorescensniveau.
Ydelseskrav til et fluorescensdetektions PoC-system
Designere af PoC-systemer vil gerne opnå den maksimale diagnostiske følsomhed uden tab af selektivitet. Målet er at opnå en god balance mellem den meget lille PD-strøm og den lysmængde, LED’en skal give. Et følsomt system skal kunne detektere PD-strømme ned til pikoampere for at kunne give et signal som følge af LED-stimuli fra en strøm på 100mA. Systemet skal med andre ord kunne detektere PD-fluorescens svarende til 140dB optisk dæmpning.
For at opnå en sådan ydelse er en kombination af elektronik og overvejelser omkring systemdesignet nødvendig. Designet af den analoge front-end (AFE’en) for PD’en er især af stor betydning. Da PD-strømmen ofte er meget svag i forhold til støjgulvet, skal TIA’en have en høj gain og en lav biasstrøm på input. Af andre vigtige parametre er en lav TIA offset-spænding samt den kortest mulige afstand mellem PD’en og TIA’en.
Systemdesignet er også meget vigtigt for at opnå detektion med en høj følsomhed. Fluorescensdetektion skal være synkron med LED-stimuli, og derfor er det nødvendigt med en controller, der sikrer synkroniseringen. Averaging (gennemsnit) af multiple fluorescensmålinger er ofte nødvendige for adskillelse af en svag PD-signalstrøm fra støjgulvet. Averaging er en vigtig funktion i systemcontrolleren. Lys fra omgivelser og afdrift i LED-lyset kan bidrage til systemfejl. En controller, der tillader afvisning af lys fra omgivelserne, og som tager hensyn til afdriften i LED’en, medvirker til en overordnet bedre systemydelse.
Fordele ved en integreret optisk front-end receiver
Når man designer en elektronisk receiver-signalkæde til en PoC-læser, er der to grundlæggende arkitekturer: En fuldt ud diskret løsning som vist i figur 2 eller én med brug af en integreret optisk front-end som vist i figur 3.
Den første klare fordel ved en integreret løsning er det forenklede systemdesign. Udfordringen i synkronisering af detektionen af fluorescensen og LED-stimuli bliver alene håndteret internt af den optiske front-end. En integreret optisk front-end giver også en mere kompakt løsning med færre komponenter. Det minimerer BOM’en og supply chain-kompleksiteten og giver desuden et mindre produkt. Den mest udtalte fordel i en integreret optisk front-end er muligheden for at justere nøgleparametre som fotodiode-, LED-driver- og signalfiltreringskonfigurationen via firmware. Muligheden for programmering er ikke til stede i den diskrete løsning uden udvikling af ny hardware. Denne mulighed for konfiguration er kritisk, hvis man over tid skal tilpasse en platform til at fungere under nye eller modificerede betingelser. I takt med at nye varianter – og sygdomme – bliver tilføjet instrumenternes testmenuer, giver det mening at modificere receiver-platformen til at kunne håndtere nye tilstande uden behov for hardwaremodifikationer, hvilket også er en klar fordel.
Integrerede optiske front-ends har klare fordele, når man skal bestemme ydelsen i en optisk front-end i fluorescensapplikationer med lave lysniveauer, hvilket bestemt ikke er nogen triviel opgave. Sammenligning af signal-/støjforhold (SNR) mellem integrerede optiske front-ends giver ikke det sande billede af ydelsen i real-life applikationer for den optiske receiver. Da lysniveauerne typisk er meget lave, er det absolutte støjgulv for den optiske front-end en kritisk størrelse – og mere end SNR-tallet. Med den tidsskala, som er forbundet med fluorescerende målinger, kan averaging bruges til at reducere støjgulvet, om end 1/f-støjkomponenten giver en praktisk grænse for de forbedringer, man kan opnå med averaging. Derfor er støjen for absolut mørke – især flicker-støj – den dominerende faktor. Støjen for absolut mørke for hele systemet inklusive PD’en er sjældent karakteriseret i databladene for optiske AFE’er og skal derfor måles separat.
Integrerede front-ends fra Analog Devices
ADIs integrerede optiske front-ends som MAX86171 er ideelle til PoC-fluorescensapplikationer. Integrationen af den analoge signalkæde sammen med den digitale controller gør en single-IC løsning til implementering af en optisk receiver mulig. MAX86171 indeholder signaltilpassede fotodiode-inputs, en 19-bit integreret A/D-konverter, low-noise LED-drivere samt serielle interfaces med FIFO-buffere.
Med sine ni LED-kanaler og fire PD-kanaler supporterer AFE’en multifunktionstest med nok kanaler til fremtidige udvidelser uden behov for hardware-opgraderinger. Programmering over SPI eller I2C gør fintuning af parametrene mulige til en given testtilstand i forhold til parametre som integrationstid, averaging og dynamikområde. En FIFO gør controlleren i stand til at forblive i sleep-mode, mens målingerne bliver udført, hvilket forlænger batterilevetiden i håndholdte PoC-systemer.
Det vigtigste er, at den høje ydelse og det lave støjgulv i komponenten er god nok til at give et særdeles følsomt detektionssystem. Averaging og lav 1/f-støj giver en støjstrøm i mørke på kun 11pArms for hele den optiske signalkæde for et fotodiodeareal på 7,5mm2. Det giver en pålidelig detektion af lave fotodiodestrømme i området mellem 1pA og 10pA, hvilket er typisk for low-yield fluorescensapplikationer. Desuden gør en fremragende PSRR og afvisning af omgivelseslys livet lettere for designeren i forhold til udvikling af strømforsyning og mekanisk kapsling.
Til validering af ydelsen i MAX86171 blev lyset fra en LED styret af MAX86171 sendt gennem forskellige niveauer af neutral densitet (ND) optiske filtre og opsamlet af en fotodiode som vist i figur 5. Ved at øge densiteten af ND-filtrene har det været muligt at variere den optiske dæmpning fra 40dB (ND2) til 140dB (ND7) som simulering af en reduktion af fluorescens i et PCR- eller LAMP-baseret detektionssystem. Ved op til 140dB’s dæmpning kan MAX86171 pålideligt detektere en fotodiodestrøm på <10pA over absolut mørke-tærsklen. Den høje følsomhed skyldes den lave mørkestrøm på 11pArms, målt med fotodioden forbundet til den optiske front-end.
Den ydelse er langt bedre end de typiske krav til et PoC-instrument og udnytter det fulde potentiale i en biosensor eller den aktuelle kemi. De interne registre i MAX86171 gør firmware-programmering af parametre som pulsbredde, pulsintensitet, fotodiode-gain og -bias mulig. Signalfiltrering, averaging og afvisning af lys fra omgivelserne kan også vælges for optimering af den optiske detektion. Samlet giver det en løsning med maksimal fleksibilitet til at udføre nye opgaver uden behov for ændringer af hardwaren i designet.
Design af et kredsløb i et IVD-system kræver tydeligvis mange overvejelser for at opnå den ønskede følsomhed uden tab af selektivitet, og identifikation af de svage signaler er nødvendig for at udnytte en biosensors eller kemiens fulde potentiale, så man opnår en korrekt og nøjagtig diagnostik. Den integrerede MAX86171 optiske front-end fra ADI lever op til de strenge krav og giver desuden den meget praktiske softwareprogrammérbarhed, så det elektroniske receiver-design bliver fremtidssikret og relativt hurtigt at få på markedet.
Billedtekster:
Figur 1: System til detektering af IVD-fluorescens.
Figur 2: Typisk PoC-diagnosesystem til fluorescensdetektion.
Figur 3: PoC-detektionssystem med brug af en integreret optisk front-end.
Figur 4: Blokdiagram for MAX86171.
Figur 5: Målinger ved lavt lys med MAX86171.
Figur 6: MAX86171’s ydelsesresultater.
