[genseq 0]

Появившиеся недавно нанопоровые секвенаторы ДНК нацелены на геномное секвенирование, требующее максимальной производительности. Поэтому используют многоканальные (512 у MinION или 3000 у PromethION 24/48) усилители пикоамперных токов (ASIC).

https://habr.com/ru/post/455156/

Точность и частота считывания информации у обычных одноканальных усилителей, используемых биофизиками для изучения трансмембранных ионных каналов (Axopatch, EPC-10 и т.п.), намного выше. Поэтому было бы неплохо сделать "монопоровый" секвенатор, работающий на уже имеющихся у биофизиков усилителях. Есть надежда, что качество получаемых данных у него будет намного лучше, а производительности одной поры (~1 млн.п.о./час) вполне достаточно для решения многих задач таргетного секвенирования (генодиагностики инфекционных болезней, идентификации личности, HLA-типирования и т.п.).

Проблема в том, что к этим усилителям нужно подключать ячейки с массивами из 16 (или больше) электродов. Например, MECA16 от компании Ionera (16 электродов в формате 4х4, 10х20 мм): https://www.ionera.de/products.htm

Т.е. для получения монопорового секвенатора нужно подключать ячейки типа MECA16 к одноканальному усилителю через мультиплексор. Отсюда - вопрос: как сделать такой мультиплексор?

Задача не простая, поскольку мультиплексор не должен иметь даже пикоамперных утечек тока и заметно влиять на электрическую ёмкость подключаемых каналов.  

Буду признателен за любые вопросы, предложения и соображения.   

[genseq 0]

Кажется, существуют мультиплексоры с утечкой порядка 1 pA. Правда, она сильно зависит от температуры:

  http://www.ti.com/lit/ds/symlink/mux36s08.pdf

Может быть, есть другие варианты?

[Plain 167]

Уже же выяснили в предыдущей теме, что задача решается на заурядных деталях из ближайшего магазина.

[genseq 0]

В предыдущей теме я начинал с полной безграмотности. Тема называлась "Секвенатор на FPGA", хотя глупость этого названия сейчас понятна даже мне. Исходно интересовала возможность мультиплексирования аналоговых каналов с пикоамперными токами. Но там мне сразу указали на необходимость установки предусилителей не после, а перед мультиплексорами (из-за высоких токов утечки в последних), а также на элементарные отличия цифровых сигналов от аналоговых.

Я очень благодарен всем принявшим участие в том обсуждении. Многие советы были чрезвычайно полезны. Особую благодарность заслуживает, конечно, Leca - профессионал высшего класса, не пожалевший своего времени на возню с безграмотным новичком, ничего не понимающим в электронике. Много полезных советов давали и другие специалисты, за что я им очень благодарен. Что касается Plain, то он в той теме ограничился несколькими скептическими замечаниями. Надеюсь, в этой теме он проявит себя в качестве Гуру.

Затевая эту тему я узнал о существовании высокоимпедансного состояния. Кроме того, обнаружил в списках у Analog Devices аналоговые переключатели с токами утечки 1 pA. А вчера вечером на сайте Texas Instruments наткнулся на специальные мультиплексоры ("low-capacitance, low-leakage-current, precision, analog multiplexers") с токами утечки порядка 1 pA: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/mux36d04.pdf

Скорее всего, это только вершина айсберга. И прежде, чем делать ставку на эти мультиплексоры, хотелось бы проанализировать и другие варианты. Поэтому буду признателен за любые вопросы, предложения и соображения.  

 

 

 

[_pv 52]

а что именно там измеряется в этих 16ти ячейках?

и зачем именно одноканальный усилитель и мультиплексор, прямо в какой-нибудь ddc316 эту meca16 нельзя воткнуть?

[genseq 0]

Одним из вариантов в предыдущей теме было использование готовых многоканальных (32, 64, 128, 256 каналов) усилителей пикоамперных токов, предназначенных для компьютерной томографии:

http://www.ti.com/data-converters/integrated-special-function/medical-afes/computer-tomography-afes/products.html

https://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-ad-converters/current-to-digital.html

Правда, при 128 и 256 каналах они в Россию не поставляются (требуют подписания NDA), но с 32 или 64 каналами можно было бы поэкспериментировать. Но обсуждение их параметров с местными (нашими) специалистами показало, что такие чипы нацелены на использование с фотодиодами и вряд ли подойдут для нанопор. Тем не менее, будем пробовать, поскольку для простой проверки чипов они точно сгодятся.

Лабораторные усилители рассчитаны на работу с фемтоамперными токами и, как минимум на порядок, превосходят такие чипы как по чувствительности, так и по частоте сэмплирования. Поэтому вариант с мультиплексорным подключением к ним готовых ячеек типа MECA16 выглядит очень привлекательно. Может получиться дёшево и "сердито". Тем более, что такие усилители у нас уже имеются. А при отсутствии их можно и собрать (см. аттач).

MS_OpenPicoAmp_2019.pdf

[alexunder 4]

46 minutes ago, genseq said:

Но обсуждение их параметров с местными (нашими) специалистами показало, что такие чипы нацелены на использование с фотодиодами и вряд ли подойдут для нанопор.

В связи с чем пришли к такому выводу?

По поводу мультиплексирования. Ребята из забугорных компаний не зря делают массив независимых каналов с МШУ вместо одного канала с мультиплексированием по входу. Вероятно, они уже наступали на эти грабли. Усиление N сигналов, а затем мультиплексирование N->M это стандартный подход, например в сенсорах изображения.

P.S. Вам бы хорошего системного инженера нанять, чтоб "по полочкам" все разложил.

P.P.S. Если не секрет, в какой организации трудитесь и есть ли у Вас какие публикации по данной теме (не хабр!)?

[_pv 52]

2 hours ago, genseq said:

Правда, при 128 и 256 каналах они в Россию не поставляются (требуют подписания NDA), но с 32 или 64 каналами можно было бы поэкспериментировать.

Но обсуждение их параметров с местными (нашими) специалистами показало, что такие чипы нацелены на использование с фотодиодами и вряд ли подойдут для нанопор. Тем не менее, будем пробовать, поскольку для простой проверки чипов они точно сгодятся.

Лабораторные усилители рассчитаны на работу с фемтоамперными токами и, как минимум на порядок, превосходят такие чипы как по чувствительности, так и по частоте сэмплирования. Поэтому вариант с мультиплексорным подключением к ним готовых ячеек типа MECA16 выглядит очень привлекательно. Может получиться дёшево и "сердито". Тем более, что такие усилители у нас уже имеются. А при отсутствии их можно и собрать (см. аттач).

MS_OpenPicoAmp_2019.pdf

не скажете чем отличается вход, представленный в усилителе MS_OpenPicoAmp_2019.pdf от того что есть у того же DDC316, и зачем вам 128 и 256 каналов если входов всего 16?

вы бы хоть с какие-нибудь параметры указали чего сделать-то хотите: шумы, дрейфы, разрешение, скорость?

 

[alexunder 4]

2 hours ago, genseq said:

А при отсутствии их можно и собрать (см. аттач).

MS_OpenPicoAmp_2019.pdf

Open pico amp - какое громкое название. Вот на такой платке они разместили ОУ трансимпедансного усилителя с 1ГОм резистором (предлагается использовать резистор в т.ч. SMD исполнения!) в цепи обратной связи:

 

Плохо, что ребята-биофизики не читают статьи из других областей. Задача измерения малых токов с помощью трансимпедансного усилителя решалась во времена массового стремления поизмерять подпороговые характеристики МДП-транзисторов. И тогда схемотехника выкладывалась без всяких там Creative Commons License.

26 minutes ago, _pv said:

вы бы хоть с какие-нибудь параметры указали чего сделать-то хотите: шумы, дрейфы, разрешение, скорость?

+1

[iiv 16]

2 hours ago, alexunder said:

Open pico amp - какое громкое название. Вот на такой платке они разместили ОУ трансимпедансного усилителя с 1ГОм резистором (предлагается использовать резистор в т.ч. SMD исполнения!) в цепи обратной связи:

не, ну 1812 с прорезью в плате можно, а без - недавно сам учавствовал в споре со знакомым, он таки проспорил, утверждая, что можно, хотя мы и метоксипропанолом в ультразвуке с подогревом мыли и дважды вакуумом тянули - все равно без толку, под пузом этого сопротивления пару гигаом таки набежало.

[genseq 0]

2 часа назад, alexunder сказал:

Если не секрет, в какой организации трудитесь и есть ли у Вас какие публикации по данной теме

От народа секретов не имею. Тружусь в ИТЭБ РАН. По образованию - биохимик, хотя занимался в основном молекулярной генетикой. В электронике ничего не понимаю. Извините, что лезу не в своё дело, но больше некому. 

1 час назад, alexunder сказал:

Плохо, что ребята-биофизики не читают статьи из других областей.

Наши биофизики разработкой подобной электроники не занимаются. Этим занимаются только некоторые забугорные фирмы.

2 часа назад, alexunder сказал:

По поводу мультиплексирования. Ребята из забугорных компаний не зря делают массив независимых каналов с МШУ вместо одного канала с мультиплексированием по входу. Вероятно, они уже наступали на эти грабли. 

Это мы уже проходили. Вы совершенно правы, но немного отстали от жизни. Сейчас возможность мультиплексирования каналов с пикоамперными токами не вызывает сомнений. Во-первых, мультиплексор на 16 каналов, предназначенный для подключения одноканальных усилителей, имеется у Orbit 16 (https://www.nanion.de/en/products/orbit-16.html). Во-вторых, сейчас мультиплексоры с утечками в пределах 1 pA вполне доступны:

https://eicom.ru/product/MUX36S08IPWR/

http://triema.su/shop/products/search?title=MUX36S08IPW

1 час назад, _pv сказал:

не скажете чем отличается вход, представленный в усилителе MS_OpenPicoAmp_2019.pdf от того что есть у того же DDC316, и зачем вам 128 и 256 каналов если входов всего 16?

В первом случае схема основана на трансимпедансном усилителе (TIA). Во втором - на интеграторе зарядов, протекающих через фотодиоды. Первый вариант отличается низкой чувствительностью к ёмкости сенсора (и прилегающих к нему элементов) при частоте до 100 kSPS, и позволяет регистрировать даже фемтоамперные токи. Второй вариант очень чувствителен к ёмкости мембраны, и работает в диапазоне сотен пикоампер при частоте не выше 6,7 kSPS. Для повышения чувствительности зарядовых интеграторов нужно снижать частоту сэмплирования, но она и так уже маловата.

Производительность секвенатора определяется количеством каналов, и её не бывает слишком много. Поэтому ориентация на 16-канальные ячейки типа MECA16 - это вынужденная мера. Лучше использовать ячейки для Flongle (126 каналов). Но MECA16 можно купить на законных основаниях в компании Ionera, а удастся ли разжиться ячейками для Flongle - это ещё большой вопрос.

2 часа назад, _pv сказал:

вы бы хоть с какие-нибудь параметры указали чего сделать-то хотите: шумы, дрейфы, разрешение, скорость?

В шумах не разбираюсь, но боюсь, что придётся. С дрейфом - такая же фигня.

Ёмкость бислойной мембраны зависит от её диаметра и обычно составляет несколько десятков pF. Напряжение на мембране - 100 mV. При токе выше 300 mV идёт пробой. Иногда пробивают и 150 mV. Ниже 100 mV тоже давать ни к чему, поскольку ток будет меньше, а он и так невелик. У открытой нанопоры (CsgG) он обычно равен 50 pA. При прохождении через пору однонитевой ДНК величина тока снижается на 10...40 pA. Скорость считывания токов должна быть не ниже 5 kSPS, но этот показатель чем больше, тем лучше. От него зависит точность сигналов, получаемых после сглаживания ершистой (зашумлённой) "пикоамперограммы".

 

   

[Plain 167]

5 часов назад, _pv сказал:

а что именно там измеряется

Измеряется переменный ток, но автору нужен усилитель постоянного, с сопутствующими тому достижениями народного хозяйства.

[_pv 52]

27 minutes ago, genseq said:

В первом случае схема основана на трансимпедансном усилителе (TIA). Во втором - на интеграторе зарядов, протекающих через фотодиоды. Первый вариант отличается низкой чувствительностью к ёмкости сенсора (и прилегающих к нему элементов) при частоте до 100 kSPS, и позволяет регистрировать даже фемтоамперные токи. Второй вариант очень чувствителен к ёмкости мембраны, и работает в диапазоне сотен пикоампер при частоте не выше 6,7 kSPS. Для повышения чувствительности зарядовых интеграторов нужно снижать частоту сэмплирования, но она и так уже маловата.   

у усилителя из статьи 100пА шума при 100кГц полосы на 100пФ датчике. (Fig. 3)

у DDC316 при 100пФ на датчике - 10LSB шума от 3 пКл диапазона, то есть 0.45фКл, что при 10 мкс интегрирования или тех же 100кГц даст 45пА шума.

что-то как-то незаметно разницы особенно в "низкой чувствительности к ёмкости сенсора".

41 minutes ago, genseq said:

Это мы уже проходили. Вы совершенно правы, но немного отстали от жизни. Сейчас возможность мультиплексирования каналов с пикоамперными токами не вызывает сомнений. Во-первых, мультиплексор на 16 каналов, предназначенный для подключения одноканальных усилителей, имеется у Orbit 16 (https://www.nanion.de/en/products/orbit-16.html). Во-вторых, сейчас мультиплексоры с утечками в пределах 1 pA вполне доступны: 

мультиплексируя вход в любом случае где-то после мультиплексора во столько же раз и даже больше вырастет требуемая полоса для усиления/оцифровки N каналов переключающихся последовательно, и соответственно в лучшем случае в корень из N раз вырастут шумы.

 

Quote

В электронике ничего не понимаю.

но от жизни отстали почему-то AD и TI, которые вместо быстрого усилителя/АЦП и доступных мультиплексоров зачем-то лепят параллельно 128-256 небыстрых усилителей/АЦП.

[Tanya 4]

45 минут назад, _pv сказал:

мультиплексируя вход в любом случае где-то после мультиплексора во столько же раз и даже больше вырастет требуемая полоса для усиления/оцифровки N каналов переключающихся последовательно, и соответственно в лучшем случае в корень из N раз вырастут шумы.

 

но от жизни отстали почему-то AD и TI, которые вместо быстрого усилителя/АЦП и доступных мультиплексоров зачем-то лепят параллельно 128-256 небыстрых усилителей/АЦП.

Я немного иначе объясню. Что мы хотим измерить? Ток маленький такой сразу во многих местах. Фактически, число электронов в единицу времени измерения.

Поэтому параллельное интегрирование (накопление) будет эффективнее, так как в каждом канале у нас будет в N (число каналов) больше электронов измеряться, чем при последовательном (с коммутатором) измерении.

[alexunder 4]

2 hours ago, genseq said:

В электронике ничего не понимаю. Извините, что лезу не в своё дело, но больше некому.   

Все в порядке.

2 hours ago, genseq said:

Это мы уже проходили. Вы совершенно правы, но немного отстали от жизни. Сейчас возможность мультиплексирования каналов с пикоамперными токами не вызывает сомнений.

Возможность, конечно, есть, но на начальном этапе (первой версии системы) лучше избегать мультиплексирования низкоуровневых сигналов. Ведь помимо токов утечки есть другие параметры и процессы, негативно влияющие на и без того слабый и зашумленный сигнал. Например, мультиплексор будет самим фактом переключения будет вносить искажения или шум.

 

2 hours ago, genseq said:

Производительность секвенатора определяется количеством каналов, и её не бывает слишком много. Поэтому ориентация на 16-канальные ячейки типа MECA16 - это вынужденная мера. Лучше использовать ячейки для Flongle (126 каналов). Но MECA16 можно купить на законных основаниях в компании Ionera, а удастся ли разжиться ячейками для Flongle - это ещё большой вопрос.  

Тогда с лучше начать с 16-канального устройства и добиться повторяемости результатов в такой системе.

 

Вы так и не ответили, почему пришли к выводу, что готовые многоканальные чипы не подойдут

Quote

Но обсуждение их параметров с местными (нашими) специалистами показало, что такие чипы нацелены на использование с фотодиодами и вряд ли подойдут для нанопор.

формально Ваша ячейка такой же источник тока, как и фотодиод.