Jump to content

    
Sign in to follow this  
genseq

Мультиплексорный нанопоровый (монопоровый) секвенатор

Recommended Posts

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.   

Share this post


Link to post
Share on other sites

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?

Share this post


Link to post
Share on other sites

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.  

 

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

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?

Share this post


Link to post
Share on other sites

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
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!)?

Share this post


Link to post
Share on other sites
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?

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
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:

image.png.a571464bd7326529f31d8988600f4a4b.png

 

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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".

 

   

Share this post


Link to post
Share on other sites
5 часов назад, _pv сказал:

а что именно там измеряется

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

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