整合式光學接收器滿足PoC檢測儀器的未來需求
作者 : ADI
本文詳細介紹設計光學PoC接收鏈時需考慮的關鍵因素，闡釋整合式光學前端能滿足這些性能需求的原因及相應的關鍵優勢...
體外診斷(IVD)系統依賴光學接收器技術獲得高靈敏度的具體診斷結果，諸如ELISA和PCR等成熟技術即利用螢光光學接收鏈執行診斷檢測。同樣的，定點照護(point-of-care；PoC)也採用光學接收器作為強有力的工具創建準確、彈性、快速的系統以獲取結果。
本文詳細介紹設計光學PoC接收鏈時需考慮的關鍵因素，闡釋整合式光學前端能滿足這些性能需求的原因及相應的關鍵優勢——其將助力建構因應未來需求的平台。
螢光檢測診斷技術的基礎知識
基於螢光方法的IVD檢測使用特定波長的光激發含有螢光標記的樣本，如圖1綠色箭頭所示。如果樣本中包含目標分析物，被螢光標記的目標分析物會發射低能量的光對激發做出反應。例如，在圖1中，樣本中的螢光標記發射紅光進行響應，此種發射光就是我們需要檢測的螢光訊號，以確定樣本中是否包含目標分析物及其含量。
圖1：IVD螢光檢測系統。
基於螢光方法的診斷檢測需要借助一個閾值以檢測螢光。如果接收的螢光訊號低於閾值水準，則無法確定樣本中存在目標分析物。系統中的電子元件和一些其他因素可能產生背景雜訊而使得閾值增高。為了降低閾值水準，同時持續穩定獲得更卓越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，確保訊號鏈不會提高背景雜訊的水準。
典型的PoC螢光檢測系統
典型的PoC診斷螢光檢測系統採用發光二極體(LED)產生激發光，並採用光電二極體(PD)檢測樣本發出的螢光。PD產生電流，該電流與螢光訊號的光強成正比。相較於雜訊基準，PD的電流通常非常低，所以需要精心設計電子系統，在不犧牲選擇性的情況下實現高靈敏度的檢測。圖2顯示了典型PoC螢光檢測系統的主要組成部份。跨阻放大器(TIA)將PD的電流訊號轉換為電壓訊號，類比數位轉換器(ADC)將該電壓訊號進行數位化處理，並轉換為相應的螢光水準。
圖2：典型的PoC診斷螢光檢測系統。
PoC螢光檢測系統的性能需求
PoC系統的設計人員需要儘量在不犧牲選擇性的情況下實現最高的診斷靈敏度。這就要求PoC儀器能夠可靠辨識非常低的PD電流，以響應LED的激勵。例如，高靈敏度的系統必須能夠檢測微微安培(pA) 的D電流，以響應100 mA級的LED激勵電流。也就是說，該系統必須能夠檢測約140dB光學衰減的PD電流。
為了實現這些性能，設計時需綜合考慮多種元件級和系統級因素。PD的類比前端(AFE)設計尤為重要。因為相較於雜訊基準，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，包括低TIA輸入失調電壓，以及PD和TIA之間的最小距離。
系統設計也是實現高靈敏度檢測的一個重要因素。螢光檢測必須與LED的激勵同步，因此系統需要採用控制器來確保此種同步。要在雜訊基準中識別出微弱的PD電流訊號，系統通常需要計算多個螢光讀數的平均值，此種求均值的技術是控制器的一個重要功能。環境光和LED的漂移會導致系統誤差，若能利用控制器抑制環境光並抑制LED的漂移，就能實現系統性能的整體優勢。
整合式光學前端接收器的優勢
PoC讀取器的訊號鏈可以選擇兩種明顯不同的架構：完全散散式解決方案(如圖2所示)，或者使用整合式光學前端(如圖3所示)。
圖3：使用整合式光學前端的PoC檢測系統。
整合式解決方案的第一個明顯優勢是有助於簡化系統設計。整合式解決方案可以在光學前端內部實現螢光檢測和LED激勵的同步。採用整合式光學前端還能減少週邊元件，實現更緊湊的解決方案，從而在降低BOM和電源管理的複雜程度的同時減小裝置的尺寸。
另外，非常關鍵的一點是，整合式光學前端能夠透過韌體配置參數，例如光電二極體、LED驅動器和濾波器的參數，而離散式解決方案則無法提供此種可配置性，需要重新開發新硬體。可配置性非常關鍵，因為我們需要根據變化隨時調整平台，以改進或者採用新的檢測方法。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生，所以建構無需更改硬體就可實現新檢測方法的接收器平台將會成為一大優勢。
圖4：MAX86171的功能方塊圖。
整合式光學前端具有明顯優勢，但是，如何衡量低光度螢光應用中光學前端的性能並不簡單。單純考量整合式光學前端的訊號雜訊(SNR)並不能揭示光學接收器的真實性能，這是由於光照水準通常很低，因此光學前端的絕對雜訊基準而非SNR才是關鍵參數。
儘管1/f雜訊分量會限制均值方法對雜訊基準的改善程度，但我們還是可以基於螢光測量的時標採用均值方法降低雜訊基準。因此，絕對暗電流雜訊，特別是閃爍雜訊是主要的考量因素。許多整合式光學AFE的產品手冊都未提供整個系統(包括PD)的暗電流雜訊，因此我們需要單獨測量該值。
ADI整合式光學前端
ADI整合式光學前端(如 MAX86171 )非常適合PoC螢光應用，可以整合類比訊號鏈和數位控制器從而構成光學接收器的單IC解決方案。MAX86171包含可調的光電二極體輸入、19位元ADC、低雜訊LED驅動器，以及FIFO緩衝序列介面。
該AFE具有9個LED通道和4個PD通道，擁有足夠通道支援多種檢測方法並支援未來的檢測擴展而無需進行硬體升級。該元件可透過SPI或I2C進行程式設計，允許對例如積分時間、均值範圍和動態範圍等參數進行微調。FIFO支援在MCU的休眠模式下進行測量，從而延長掌上型PoC系統的電池壽命。
更重要的是，該元件具有高性能和低雜訊的特性，能夠助力建構高靈敏度的檢測系統。借助均值功能和低1/f雜訊的特性，面積為7.5 mm2的光電二極體構成的訊號鏈的暗電流雜訊僅為11pA rms，能夠可靠檢測1pA至1 pA範圍內的低光電二極體電流，尤其適用於低光度的螢光應用。此外，該元件卓越的PSRR和環境光抑制特性能夠減輕系統工程師設計電源和機械外殼的負擔。
圖5：採用MAX86171進行低光度測量。
可以使用MAX86171驅動LED透過多層中性密度(ND)光學濾波器再經光電二極體接收以驗證性能，如圖5所示。透過增大ND濾波器的密度，光學衰減可在40dB (ND2)至140dB (ND7)之間變化，由此模擬PCR或LAMP檢測過程中螢光含量減少的行為。當衰減低於140dB時，MAX86171能夠可靠檢測高於本底暗電流的光電二極體電流，並且解析度好於10pA。MAX86171之所以具有如此高的靈敏度，是因為光電二極體連接至光學前端時的暗電流雜訊很低，僅為11pA rms。
圖6：MAX86171的性能。
經過測量得出，MAX86171的性能超出了PoC儀器的性能要求，而能充分適應各種生化目標分析物的檢測。MAX86171的內部暫存器支援透過韌體設定，例如脈衝寬度、脈衝強度、增益和偏置。此外，MAX86171並支援採用濾波、均值和環境光抑制等選項來最佳化光學檢測的性能。綜上所述，MAX86171為一種具有極高靈敏度的解決方案，可在不改動硬體的情況下支援新的檢測方法。
結論
IVD系統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高靈敏度的檢測。適配各種生化目標分析物的檢測系統最為關鍵的是要保證能夠辨識各種微弱的電子訊號，只有如此才能提供準確的診斷結果。
PoC市場發展迅猛，接收器既要具備彈性以因應未來需求，還要能夠適應不斷增加和不斷變化的檢測項目。例如ADI整合式光學前端MAX86171，不但能夠滿足這些嚴格的性能要求，並支援軟體配置，是降低電子接收器設計難度和適應未來需求的理想解決方案。
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