【導讀】體外診斷(IVD)系統(tǒng)依賴光學接收器技術(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)即利用熒光光學接收鏈來執(zhí)行診斷檢測。同樣地，床旁檢測(PoC)也采用光學接收器作為強有力的工具來創(chuàng)建準確、靈活、快速的系統(tǒng)以獲取結(jié)果。本文詳細介紹了設計光學PoC接收鏈時需考慮的關(guān)鍵因素，闡釋了集成式光學前端能滿足這些性能需求的原因及相應的關(guān)鍵優(yōu)勢——助力構(gòu)建適應未來需求的平臺。
熒光檢測診斷技術(shù)的基礎知識
基于熒光方法的IVD檢測使用特定波長的光激發(fā)含有熒光標記的樣本，如圖1的綠色箭頭所示。如果樣本中包含目標分析物，被熒光標記的目標分析物會發(fā)射低能量的光對激發(fā)做出反應。例如，在圖1中，樣本中的熒光標記發(fā)射紅光進行響應，這種發(fā)射光就是我們需要檢測的熒光信號，以確定樣本中是否包含目標分析物及其含量。
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閾值去檢測熒光。如果接收的熒光信號低于閾值水平，則無法確定樣本中存在目標分析物。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，我們需要謹慎設計光學檢測系統(tǒng)，確保信號鏈不會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，該電流與熒光信號的光強成正比。與本底噪聲相比，PD的電流通常非常低，所以需要精心設計電子系統(tǒng)，在不犧牲選擇性的情況下實現(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的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將該電壓信號進行數(shù)字化處理，并轉(zhuǎn)換為相應的熒光水平。
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)的設計人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)最高的診斷靈敏度。這就要求PoC儀器能夠可靠識別非常低的PD電流，以響應LED的激勵。例如，高靈敏度的系統(tǒng)必須能夠檢測皮安級PD電流，以響應100 mA級的LED激勵電流。也就是說，該系統(tǒng)必須能夠檢測約140 dB光學衰減的PD電流。
要實現(xiàn)這些性能，設計時需綜合考慮多種器件級和系統(tǒng)級的因素。PD的模擬前端(AFE)設計尤為重要。因為與本底噪聲相比，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)設計也是實現(xiàn)高靈敏度檢測的一個重要因素。熒光檢測必須與LED的激勵同步，因此系統(tǒng)需要采用控制器來確保這種同步。要在本底噪聲中識別出微弱的PD電流信號，系統(tǒng)通常需要計算多個熒光讀數(shù)的平均值，這種求均值的技術(shù)是控制器的一個重要功能。環(huán)境光和LED的漂移會導致系統(tǒng)誤差，若能利用控制器抑制環(huán)境光并抑制LED的漂移，就能實現(xiàn)系統(tǒng)性能的整體優(yōu)勢。
集成式光學前端接收器的優(yōu)勢
PoC讀取器的信號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前端（如圖3所示）。
圖3.使用集成式光學前端的PoC檢測系統(tǒng)。
集成式解決方案的第一個明顯優(yōu)勢是有助于簡化系統(tǒng)設計。集成式解決方案可以在光學前端內(nèi)部實現(xiàn)熒光檢測和LED激勵的同步。采用集成式光學前端還能減少外圍器件，實現(xiàn)更緊湊的解決方案，從而在降低BOM和電源管理的復雜程度的同時減小設備的尺寸。另外非常關(guān)鍵的一點是，集成式光學前端能夠通過固件配置參數(shù)，例如光電二極管、LED驅(qū)動器和濾波器的參數(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。可配置性非常關(guān)鍵，因為我們需要根據(jù)變化隨時調(diào)整平臺，以改進或者采用新的檢測方法。這是因為某些病原體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現(xiàn)新的檢測方法的接收器平臺將會成為一大優(yōu)勢。
集成式光學前端具有明顯優(yōu)勢，但是，如何衡量低光度熒光應用中光學前端的性能并不簡單。單純考量集成式光學前端的信噪比(SNR)并不能揭示光學接收器的真實性能，這是由于光照水平通常很低，因此光學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標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AFE的數(shù)據(jù)手冊都未給出整個系統(tǒng)（包括PD）的暗電流噪聲，因此我們需要單獨測量該值。
ADI公司的集成式光學前端
ADI的集成式光學前端（例如MAX86171）非常適合PoC熒光應用，可以集成模擬信號鏈和數(shù)字控制器從而構(gòu)成光學接收器的單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)動器，以及FIFO緩沖串行接口。
圖4.MAX86171的功能框圖。
該AFE具有9個LED通道和4個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展而無需進行硬件升級。該器件可通過SPI或I2C進行編程，允許對例如積分時間、均值范圍和動態(tài)范圍等參數(shù)進行微調(diào)。FIFO支持在MCU的休眠模式下進行測量，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)工程師設計電源和機械外殼的負擔。
圖5.采用MAX86171進行低光度測量。
我們使用MAX86171驅(qū)動LED通過多層中性密度(ND)光學濾波器再經(jīng)光電二極管接收以驗證性能，如圖5所示。通過增大ND濾波器的密度，光學衰減可在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。當衰減低于140 dB時，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，是因為光電二極管連接至光學前端時的暗電流噪聲很低，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分析物的檢測。MAX86171的內(nèi)部寄存器支持通過固件設置，例如脈沖寬度、脈沖強度、增益和偏置。此外，MAX86171還支持采用濾波、均值和環(huán)境光抑制等選項來優(yōu)化光學檢測的性能。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)的電路設計需要慎重考慮，確保在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)高靈敏度的檢測。適配各種生化目標分析物的檢測系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是要保證能夠識別各種微弱的電子信號，只有這樣才能提供準確的診斷結(jié)果。
PoC市場發(fā)展迅猛，接收器既要具備靈活性以適應未來需求，還要能夠適應不斷增加和不斷變化的檢測項目。ADI公司的集成式光學前端MAX86171不但能夠滿足這些嚴格的性能要求，還支持軟件配置，是降低電子接收器設計難度和適應未來需求的良好解決方案。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Wassim Bassalee于2004年加入ADI公司，先后擔任系統(tǒng)軟件工程師、應用工程師和系統(tǒng)工程師職位。作為現(xiàn)場應用工程師，Wassim運用自身豐富的系統(tǒng)專業(yè)知識來推動支持客戶創(chuàng)新。Wassim擁有東北大學的電氣工程碩士學位和麻省理工大學的系統(tǒng)設計與管理碩士學位。
Aileen Cleary是ADI公司醫(yī)療儀器和生命科學事業(yè)部市場經(jīng)理。她專注于參與以客戶為中心的合作推動業(yè)務發(fā)展和創(chuàng)新。Aileen擁有超過17年的半導體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗，在能源和醫(yī)療健康市場領(lǐng)域中擔任過多種技術(shù)和業(yè)務職位。Aileen擁有蘇格蘭愛丁堡大學的電子和電氣工程碩士學位。
Robert Finnerty是數(shù)字醫(yī)療健康事業(yè)部的一名系統(tǒng)應用工程師，工作地點位于愛爾蘭利默里克。Robert于2012年加入ADI的精密轉(zhuǎn)換器團隊，主要負責精密信號鏈的測量。他擁有愛爾蘭國立高威大學(NUIG)的電子與電氣工程學士學位。
Neil Quinn是ADI公司醫(yī)療儀器和生命科學事業(yè)部的系統(tǒng)應用工程師。Neil于2013年獲得愛爾蘭國立梅努斯大學的電子工程學士學位，于2021年獲得嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)畢業(yè)證書。他擁有光學和阻抗測量儀器、工業(yè)和高速通信接口以及ADI iCoupler?數(shù)字隔離技術(shù)等方面的經(jīng)驗。
作者：
Wassim Bassalee，現(xiàn)場應用工程師
Aileen Cleary，醫(yī)療儀器和生命科學事業(yè)部市場經(jīng)理
Rob Finnerty，系統(tǒng)應用工程師
Neil Quinn，系統(tǒng)應用工程師
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