Jump to content

    
Sign in to follow this  
genseq

Секвенатор на FPGA

Recommended Posts

Шумовой ток кто-нибудь оценивал, в зависимости от емкости входа и полосы сигнала?

У меня на промокашке получилось (грубо, по порядку величины, мог и ошибиться, поэтому вывод не привожу):

Iш[pA]~10*sqrt(Cвх[pF]*F[kHz]^3).  

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 hours ago, iliusmaster said:

Начать нужно с 1-8 предусилителей, чтобы посмотреть характеристики сигналов со "штопанной" ячейки. 

+ 1/fA

 

3 hours ago, genseq said:

что 126 предусилителей на каждом канале - это и дорого

хоть и фраза вытянута из контекста, но даже если такие мысли имеются, то, ИМХО, забейте, статьи лучше пишите, жопу начальству лижите, или что угодно другое делайте, но не пытайтесь решать эту задачу, пока свой подход к решению задач не измените.

Share this post


Link to post
Share on other sites
22 минуты назад, iiv сказал:

... жопу начальству лижите, или что угодно другое делайте, но не пытайтесь решать эту задачу, пока свой подход к решению задач не измените.

Кстати, о подходе. Есть более конструктивные предложения?

Share this post


Link to post
Share on other sites
43 minutes ago, genseq said:

Кстати, о подходе. Есть более конструктивные предложения?

учиться и разбираться в том, что вам тут советовали, или не заниматься не своим делом. Никто вам готовое решение не напишет, но вам тут насоветовали реально уйму всего, и, если вы планируете действительно разрабатывать электронику, то вперед, не талдыча о 32-х канальном мультиплексоре начинать вникать что тут важно, что нет и почему. Мозгами своими пошевелить, в первую очередь, а не ждать готовое решение.

 

Вот когда вы сами сделаете несколько шагов дальше, пусть они будут не правильными, но вы их сделали САМИ, на свой страх и риск, оно не заработает, и вы не сможете сразу понять почему, но уже будет куча информации с вашей стороны, можно попытаться снова посоветоваться. Тут реально помогут. Мне всегда помогали, и за это я участникам этого форума реально очень благодарен. По-другому - никак.

 

Но стоимость компонент и одной платы даже одноканального тестера будет за пол штуки бакс, и, когда вам 126 штук жалко, а у вас даже понимания нет как и в каком направлении двигаться, то напрашивается вывод, что я написал выше.

 

Без обид.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Без обид. Дело не в жадности. Просто хочу найти предельно простой вариант. И желательно предельно дешёвый. Причём не для того, чтобы разбираться самому, а для того, чтобы предложить его специалистам. Сам я в детстве не продвинулся дальше трёхтранзисторного приёмника.

 

Пол штуки баксов не жалко выложить и из своего кармана. Не жалко и десятков тысяч баксов, но это уже не из своего кармана. Придётся искать инвесторов или затевать госпроект. Т.е. как Вы точно подметили, "лизать жопу". А я в этом не силён.

 

Кстати, о мультиплексорах. Нашёл парочку аналоговых переключателей на 256 каналов. Может, они сгодятся?

 

AD75019.pdf

Component - Analog Multiplexer (AMux) V1.80 Datasheet.pdf

Edited by genseq
опечатка

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 minutes ago, genseq said:

Пол штуки баксов не жалко выложить и из своего кармана. Не жалко и десятков тысяч баксов, но это уже не из своего кармана. Придётся искать инвесторов или затевать госпроект. Т.е. как Вы точно подметили, "лизать жопу". А я в этом не силён. 

но нужно не забывать, что человек, кто это будет планировать, будет обходиться вам примерно пол-года по 100 бакс в час. Вы конечно можете возразить, что можно взять студента за еду, или роту студентов. Но есть такая поговорка - девять только что беременных женщин не родят малыша за один месяц.

 

Нет, не сгодятся, почитайте внимательно эту ветку, там больше одного раза вам убедительно ответили почему.

Share this post


Link to post
Share on other sites
26 minutes ago, genseq said:

Просто хочу найти предельно простой вариант. И желательно предельно дешёвый.

Для этого надо более внятно сформулировать задачу для электронщиков, причем так, чтобы избежать любые намеки на способ решения (чтобы не направить по ложному пути). Не должно быть фраз типа "трансимпедансный усилитель", "мультиплексор", "ПАИС" и тп.

Что нужно измерять, электропроводность ячейки? Тогда следующие вопросы - какие воздействия можно прикладывать к ячейке. Какие параметры м/б у ячейки (проводимость, емкость), диапазон и скорость изменений. И тд и тп.

26 minutes ago, iiv said:

можно взять студента за еду

Не только можно, но и надо. Любой другой вариант в РФ просто означает кормежку толстой прослойки ничего не делающих посредников.

Edited by Leka

Share this post


Link to post
Share on other sites
28 minutes ago, Leka said:

Что нужно измерять, электропроводность ячейки? Тогда следующие вопросы - какие воздействия можно прикладывать к ячейке. Какие параметры м/б у ячейки (проводимость, емкость), диапазон и скорость изменений. И тд и тп. 

ИМХО, ТС не сможет сейчас ответить на эти вопросы, так как никогда сам это не измерял и не имеет доступа туда, где это измеряли. Из рабочих вариантов есть только один - попробовать самому набить шишки взяв за модель самую простую ячейку и сворганить навесным самый простой вариант измерителя на один канал. Как я понимаю, ТС по каким-то причинам не хочет идти этим способом, но не против кого-то припахать, кто ему сделает такую электронику под ключ за еду или за пиво, навешав лапши, что де это супер просто, хотя по сути тот, кто будет делать должен будет вначале сам измерить параметры этой ячейки, а потом сам должен будет подобрать соответствующую элементную базу и сделать рабочую систему.

Share this post


Link to post
Share on other sites
42 минуты назад, Leka сказал:

Не только можно, но и надо. Любой другой вариант в РФ просто означает кормежку толстой прослойки ничего не делающих посредников.

 

Это неправильная, безумная, вера в студентов приведет к тому, что проект будет завален. Единственный шанс привлечь студента - это вариант с опытным наставником. 

Так-как никто параметров этой ячейки окромя разработчиков не знает, то топикстартеру для начала нужно добыть саму ячейку, причем еще не "штопанную". После чего провести эксперимент по измерению тока ячейки при подаче разного поляризующего напряжения в отсутствие реагентов и в присутствие реагентов. Это можно сделать на любой более-менее приличной установке для проведения экспериментов с БЛМ. Такие установки есть во многих научных организациях нашей страны. Даже в ИТЭБ РАН, где я когда-то работал, их было несколько, разной степени совершенности. Эти установки вполне себе позволяют измерять токи величиной в 10-ки фемтоампер при поляризующем напряжении в диапазоне -2,5....2,5В. 

Таким образом задача топик стартера вырождается не в задачу сооружения девайса, а в задачу нахождения оригинальной целой ячейки и ребят с наличиствующей установкой БЛМ. С ребятами можно договориться за пиво на промер  ячейки. 

После того, как определятся базовые параметры измерительной установки, можно подстроить параметры и  в ячейке провести реакцию с точно известной молекулой ДНК, для определения величин сигналов, все на той же установке БЛМ за другую порцию пива. 

Вот и весь бизнес план для начала.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 minutes ago, iliusmaster said:

Так-как никто параметров этой ячейки окромя разработчиков не знает, то топикстартеру для начала нужно добыть саму ячейку, причем еще не "штопанную". После чего провести эксперимент по измерению тока ячейки при подаче разного поляризующего напряжения в отсутствие реагентов и в присутствие реагентов. Это можно сделать на любой более-менее приличной установке для проведения экспериментов с БЛМ. Такие установки есть во многих научных организациях нашей страны. Даже в ИТЭБ РАН, где я когда-то работал, их было несколько, разной степени совершенности. Эти установки вполне себе позволяют измерять токи величиной в 10-ки фемтоампер при поляризующем напряжении в диапазоне -2,5....2,5В. 

Таким образом задача топик стартера вырождается не в задачу сооружения девайса, а в задачу нахождения оригинальной целой ячейки и ребят с наличиствующей установкой БЛМ. С ребятами можно договориться за пиво на промер  ячейки. 

После того, как определятся базовые параметры измерительной установки, можно подстроить параметры и  в ячейке провести реакцию с точно известной молекулой ДНК, для определения величин сигналов, все на той же установке БЛМ за другую порцию пива.

полностью подписываюсь под Вашим мнением, и, в своем проекте примерно также поступал в начале пути (вернее сидел с полным доступом на аппаратуре моих современных конкурентов) а потом брал БУ аппаратуру и на ней тренировался как на кошках, а потом сам делал пробную, и только после начал планировать что делать. К сожалению, даже до этой стадии у меня потратилось худо-бедно около 10 лет.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Зачем вообще нужно много каналов (в т.ч. и буржуям с их 126 каналами).? Если через одну нанопору протягивается цепочка одной ДНК (в статье из первого поста есть картинка), а через другие 125 пор что тогда тянем? Тоже какие-то ДНК? Но нам ведь нужны данные только одной цепочки... Или это просто 126-кратное дублирование для повышения точности?

Share this post


Link to post
Share on other sites
8 часов назад, controller_m30 сказал:

Зачем вообще нужно много каналов (в т.ч. и буржуям с их 126 каналами).? Если через одну нанопору протягивается цепочка одной ДНК (в статье из первого поста есть картинка), а через другие 125 пор что тогда тянем? Тоже какие-то ДНК? Но нам ведь нужны данные только одной цепочки... Или это просто 126-кратное дублирование для повышения точности?

При формировании БЛМ можно заполнить мембранами все (или почти все) лунки ячейки. Но при встраивании в них нанопор работоспособых лунок (с одной порой) будет не больше четверти. Правда, игры с изменением полярности мембран позволили разработчикам повысить их выход, но на это пока лучше не надеяться. И ориентироваться на соотношение рабочих и бракованных лунок 1:10 (10%). Работать (считывать информацию с ДНК) из них могут до 50% пор, но и на это лучше не надеяться. Тем более, что это зависит и от характера концов ДНК, и от их концентрации. Например, в пришиваемые к концам нитей ДНК Y-образные адапторы вводят молекулы холестерина, которые цепляются за мембрану и повышают эффективность попадания концов ДНК в пору, а концентрацию концов увеличивают фрагментацией ДНК. Оба варианта усложняют технологию, а последний повышает общую производительность секвенирования, но сильно снижает длину ридов. И это при том, что главным преимуществом данной технологи является возможность получения очень длинных ридов (рекорд превышает 2 млн.п.о.). Так что количество лунок на входе монопорового секвенатора должно быть избыточным. Может быть, не 126:1, а 64:1. На первых можно ориентироваться даже на 16:1, но никак не меньше. 

 

На пору (на лунку с серебряным электродом на дне) подаётся напряжение 100 mV, но нужно иметь возможность его оптимизировать, регулировать и инвертировать. Одна пора (без ДНК) пропускает примерно 50 pA, но нужно отслеживать и двойные (и тройные) встраивания пор в БЛМ, поэтому диапазон измерений должен быть шире (0...200 pA). У простейших усилителей типа Pico-2 ( http://www.tecella.com/ ), предназначенных для изучения ионных каналов, есть два переключаемых диапазона - 2 и 20 nA. Так что для работы с ними не обойтись без предусилителей. Более профессиональные приборы имеют диапазон измерений порядка 200 pA, но они все одноканальные. Было бы неплохо использовать их для секвенирования, но, как говорят все местные специалисты, это невозможно. Исходный сигнал слишком слаб, чтобы пропускать его через мультиплексор. А жаль, поскольку такие усилители у наших биофизиков имеются в достаточных количествах (и в ИТЭБ, и в ИБК). Но в одноканальном варианте они совершенно бесполезны.

 

Если ориентироваться не на секвенирование, а на отработку регенерации ячеек (что позволяет на пару порядков уменьшить стоимость нанопорового секвенирования), то чувствительность прибора может быть ниже. И измеряться не фемто- , а пикоамперами. Тем более, что в этом случае можно суммировать и усреднять не десятки, а тысячи значений, выдаваемых 24-разрядной АЦП. При этом точность считывания одиночных значений может изменяться десятками пикоампер. Или я опять что-то напутал?  

Edited by genseq
опечатка

Share this post


Link to post
Share on other sites

Вот с этого надо было этот пост и начинать.

 

В общем вам уже очень много раз рассказывали как делать, и в статье, что выше вы сами прилагали тоже более-менее дельно написано. Резюмируя:

 

1. усилитель на канал с 10ГОм на обратной связи на адекватном типе подложки (можно и на обычной сделать, если плату в решето порезать и правильным лаком залить),

2. вместо мультиплексоров я бы взял что-то типа аналогового фронтенда на несколько каналов, то есть сразу 24 битный АЦП, типа mcp3913 со встроенным усилителем. Их выходы в параллель на какой-нибудь жирный кортекс, с поддержкой USB. Так как этот оцифровщик имеет до 32 раз усиление и 24 бита, то, ИМХО, можно иметь хороший динамический диапазон. На этом кортексе предобработка, отброс не нужных сигналов. На выход - если считать 10кСемплов в секунду с канала по 24 бита, и 126 каналов мы имеем трафик около 30МБит/с, и кортекс фильтрует не нужное, оставляя примерно с мегабайт в секунду и посылает по USB на комп, или сохраняет на рядом разведенную SDкарточку.

 

Наверное можно предобработку сделать на лету и на выход отстукивать только 2 бита на один ДНКшный сегмент, тогда выходной трафик будет порядка 5КБайт/с, но что-то мне подсказывает, что без тяжелой вычислительной обработки на все 126 каналов это не реально и даже embedded linux в реальном времени тут не справится, или будет справляться, но с большим числом ошибок - я бы только на эту математику минимум человеко-год работы заложил практикующего спеца в вычислительной математике (я сам занимаюсь вычислительной математикой и очень хорошо могу оценить сложность этой задачи).

 

В общем делов - не много, но делая для себя с отладкой при работе full-time, я, ИМХО, и за пол-года могу не уложиться (без вычислительной части), и это при том что я в Германии нахожусь и имею неограниченный санкциями доступ к компонентам, а работая не для себя люди имеют свойство работать менее эффективно, особенно если у них нет ежедневного опыта работы с такого рода задачами. Так что делайте выводы сами.

Edited by iiv
добавил и уточнил

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, genseq сказал:

 

Понятно, спасибо!

1. А почему нужно подавать именно 100 мВ? Если подавать например 10 В (в 100 раз больше), то и протекающий ток тоже будет в 100 раз больше: вместо 50 pА - 5 nA. Это уже проще и дешевле усилить. Или исследуемый материал как-то разрушается от большего чем 0.1 В напряжения?

 

2. Что заставляет цепочку ДНК "лезть" в нанопору? Разность давлений на сторонах пластинки? Или разность напряжения (те самые 0.1 В)? Или какая-то более сложная электро-био-физика?

 

3. Что означают колебания тока 0..200 pA при протягивании цепочки ДНК через нанопору? В участке ДНК, под действием электричества, происходит какая-то хим-реакция, приводящая к увеличению потребления тока? А эта реакция идёт какое-то ограниченное время, и участок становится непригодным для дальнейшего исследования? Если так, то каждый исследуемый участок должен показывать какой-то сложный график потребления тока в процессе реакции, и этот график нужно отслеживать многими считываниями АЦП (сотни или тысячи семплов на каждый участок, проходящий через нанопору) .

Или с участком ДНК ничего не происходит, а просто меряется его сопротивление? Тогда оно наверное имеет линейную характеристику, и достаточно 3-5 считываний сигнала на каждый участок.

 

4. Каждый участок ДНК, находящийся в нанопоре, сколько может иметь разновидностей: 10, 100, 1000? (Это чтобы понимать, какое разрешение АЦП требуется для различения содержимого цепочки ДНК).

Например, достаточно ли регистрировать ток 0 pA и 50 pA - т.е. типа логическая 0, и логическая 1. (ну ещё >50 для аварийной ситуации с несколькими цепочками в одной нанопоре).

Или каждое значение тока 0, 1, 2, 3...49, 50 pA является информативным?

Edited by controller_m30

Share this post


Link to post
Share on other sites
8 minutes ago, controller_m30 said:

Или с участком ДНК ничего не происходит, а просто меряется его сопротивление? Тогда оно наверное имеет линейную характеристику, и достаточно 3-5 считываний сигнала на каждый участок.

семплировать надо раз 10 а то и больше, чтоб учесть нестабильность скорости проползания ДНК. В ДНК - только 4 разных комбинации, но думаю, что есть случаи зажовывания и старта-стопа, это тоже надо охватывать. Однозначно там будет сильное скалирование сопротивления от кучи факторов, типа одно и то же основание в начале и в конце считывания могут на порядок по сопротивлению отличаться. То есть пока не имеешь доступ к данным с массовой эксплуатации, ИМХО, надо под 30 раз на сегмент считывать хотя бы, и чтоб потом было что выбросить. Я бы семплировал в 30-100 раз больше, а потом аппроксимировал чем-то подходящим типа кусочно-полиномиальных конечных элементов на существенно меньшей, возможно даже неравномерной сетке (шум выкинуть, но сигнал не потерять), и только это далее использовал для обработки.

 

То есть, ИМХО, пока у вас не будет доступа к огромной куче данных с очень высокой частотой семплирования, вы реально не сможете отловить всех нюансов этого эксперимента. А так, да, со всех 126 ячеек на выходе не больше 5кбайт/с, можно даже с ардуины по компорту такой трафик отстукивать, но только не потянет эту математику ни ардуина, не, ИМХО, даже M7 кортекс.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this