体外化学分析仪的典型架构

生命科学与医疗仪器仪表包括各种不同的系统,比如体外化学分析仪、流式细胞分析仪、输液泵、透析设备、呼吸器、导管等设备。体外化学分析仪利用许多电化学和光学技术来分析血 液、尿液、脑脊髓液和其他生物学样本。其中使用最广泛的技术是光学测量,实例包括比色、吸收、光谱测定和荧光检测方法。可通过这些方式测量体液中的抗原、分子和蛋白质等化学物质。由于这些技术可实现快速的测量功能,灵敏度高,即使检测小剂量化学物质也能达到很高精度,因此广泛用于各级医院、诊所、防疫站以及计划生育服务机构。

 

体外化学分析仪是一种非常复杂的系统,包括光学引擎(由光源、检波器及其他光学元件组成)、样本移动/流控、自动控制和处理、电源管理、环境监测和控制(温度、压力、湿度)。为了提高效率,生化分析仪已经高度自动化。该技术自动实现样本加载、试管清洁、机械控制和数据处理。操作员只需插入待分析样本,选择程序并启动仪器即可。

 

体外化学分析仪可按照处理容量分为大型(每小时处理600以上的样本)、中型(每小时300-600样本)和小型(每小时300以下样本)。它们特点不同,可以分为实验室测试仪或护理点测试仪(POCT,部署在病人旁边以加快测试周转时间)。

体外化学分析仪的设计考虑和主要挑战

系统集成很复杂,因为体外化学分析仪包含多种不同的技术,例如分光光度计、电化学模块(ISE、PH)、流控和样本处理功能、自动控制以及数据处理系统。

  • 测量速度非常重要
  • 为降低成本和确保一致性,试剂容量控制很重要
  • 光学系统控制和精度是系统的关键要素

分光光度计

  • 光电二极管输入中的I/V转换器需要低偏置电流、高输入阻抗、低噪声、低失调运算放大器
  • 快速、高精度、同步采样ADC
  • 低噪声且稳定的电源
  • 低噪声且稳定的光源

温度控制对于试剂和化学反应极为重要

  • 酶对温度波动很敏感
  • 反应速率对温度非常敏感
  • 一般温度范围是体温,精度最高为±0.1°C
  • 有时集成加热/冷却设备以便平稳地控制温度

自动控制是提高执行效率所必需的

  • 精确的步进和位置控制
  • 用于在仪器内移动和转移样本的多轴电机运动控制
  • 精确的液位测量
  • 用于检测阻塞的压力检测
  • 精确快速的样本加载和清洁

数据处理和分类

  • 用于多通道数据处理的高速处理器
  • 用于加快复杂分析的DSP
  • 尽可能快地提供检查报告

体外化学分析仪整体解决方案

Excelpoint世健提供ADI各类放大器用于I/V转换、滤波器设计、信号调理 和ADC驱动,并提供ADI数据转换、信号处理和电源管理解决方案,使生化分析仪应用的产品质量和可靠性达到最佳程度。此外,Excelpoint世健还提供评估板、仿真工具和应用专业技术,为客户的设计和开发工作提供支持。

图1  ADI公司的体外化学分析仪主信号链
注:上述信号链代表体外化学分析仪系统。在具体设计中,模块的技术要求可能不同,但下表列出的产品代表了满足部分要求的ADI解决方案。

分子/聚合酶链反应

跨导放大器可变增益放大器多路复用器RMS检波器模数转换器
ADA4896-2/ADA4897-1/ ADA4627-1/ADA4637-1/ ADA4817AD8264/AD8331/ AD8332/ AD8334/AD8337 ADG1408/ADG1208/ ADG509F/ADG5408/ ADG5208/ ADGS1208/ADGS1209 AD8361/AD8362/AD8364 AD7760/AD7960/AD7606/ AD7626/AD9253-125

分光光度测量

跨导放大器滤波器多路复用器数模转换器模数转换器光学光驱动器
AD549/ADA4530-1/ ADA4350/AD8605/ AD8606/AD8608/ AD8609/AD8661/ AD8662/AD8664/ ADA4627-1/ ADA4637-1/ADA4817AD8625/AD8626/ ADA4051-1/ ADA4051-2/ ADA4528-1/ ADA4528-2/ ADA4638-1/ ADA4627-1/ ADA4092-4/ ADA4610-2ADG1408/ADG1208/ ADG509F/ADG5408/ ADG5208/ADGS1208/ ADGS1209AD5693R /AD5686R/ AD5780 /AD9122/ LTC2620 AD7960/AD7606/ AD4003/AD4007/ AD4020/LT238xADPD103 /ADPD105 / ADPD107 /ADPD1080/ ADPD2210 /ADPD2211/ ADPD2212 /ADPD2214 ADP8866/ADP8140/ LT3476

ISE/PH电位测量与电流测量

ASSP放大器DDS数模转换器模数转换器模拟前端基准电压源
ADuCM350 /AD5933 AD8625/AD8626 / AD549/AD8613 /AD8617/ ADA4665-2/ AD8592 AD9837 /AD9833/ AD9102 AD5422/AD5755-1/ LTC2620AD7960/AD7606/ AD4003/AD4007 AD4020/LTC238xADAS3022/ADAS3023ADR45xx /ADR35xx/ LTC665x /LT1461

流控

CDC仪表放大器模数转换器
AD7745/AD7747/AD7142/AD7147AD8422/AD8426/AD8290ADAQ7988/AD4003/AD4007/ AD7190/AD7191/AD7192/AD7193

温度测量和控制

数字温度传感器热电偶放大器信号调理与滤波模数转换器TEC控制
ADT7320/ADT7420AD590/AD8494AD8625/AD8626/ AD8541/AD8542/AD8544 AD8505/AD8506 AD8613/AD8617/AD8619 ADA4505-1/ADA4505-2/ ADA4505-4AD7091R/AD7656-1/AD7682/ AD7988-1/AD7684/AD7176-2ADN8831

电源管理

电源模块开关稳压器线性稳压器电源监控器
LTM4622A/LTM4631/LTM4643LT8609S/LTC7149/LTC3853/ADP505xADM7151/LT3090/ LT308x/LT196x/LT176xADM6339/ADM13307/ LTC2914

处理器/隔离接口/背光驱动器/音频编解码器/RF收发器/容性和阻性触摸屏

处理器隔离接口背光驱动器音频编解码器RF收发器容性和阻性触摸屏
ADuCM350/ADuCM360/ ADuCM3029 /ADuCM3027/ ADuCM4050/ ADSP-BF512F/ ADSP-BF527C ADM2682E /ADM2484E/ ADM2491E ADD5203 /ADD5205/ ADD5211 ADAU1772/ADAU1781/ ADAU1761ADF7241/ADF7242/ ADF7023/ADF7024AD7873/AD7877/ AD7147A
器件描述优势
光学
ADPD108020位,配合灵活的发光二极管(LED)驱动器工作;灵活的 采样频率范围:0.122 Hz至2700 Hz低功耗多功能光度测量前端具有环境光抑制性能,无需光电二极 管滤光器
ADPD105光度测量前端;集成14位ADC和20位突发脉冲累加器,支持每个 采样周期20位,配合灵活的发光二极管(LED)驱动器工作;灵活的 采样频率范围:0.122 Hz至3820 Hz低功耗多功能光度测量前端具有环境光抑制性能,无需光电二 极管滤光器
ADPD2210超低噪声、低功耗电流放大器;本底噪声:80 fA/√Hz (典型值), 电流增益:24极低功耗提供较小光电二极管的系统灵敏度
ADPD2214集成绿色带通滤波器的低噪声、高灵敏度光学传感器;超低噪 底:90 fA/√Hz (典型值);SNR近散粒噪声极限;带宽:75 kHz (典型值)极低功耗,超高检测率光电检测器
ASSP
ADuCM350ADuCM350是一款完整的、纽扣电池供电的、高精密片上计量仪, 适合便携式设备应用,例如护理点诊断和用于监护生命体征的 穿戴式设备;ADuCM350针对高精密电位测量、电流、电压和阻 抗测量功能而设计16位精密、低功耗片上计量仪,内置Cortex® -M3和连接能力
AD5933AD5933是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案,片上集成频 率发生器与12位、1 MSPS ADC;频率发生器允许用已知的信号来 激励外部复阻抗;外部阻抗的响应信号由片上ADC进行采样,然 后由片上DSP进行DFT处理可编程输出峰峰值激励电压、阻抗测量、内部温度传感器、 相位测量
跨导放大器
AD549超低输入偏置电流运算放大器;输入偏置电流:60 fA(最大值), 失调电压:500 µV(最大值),失调电压漂移:15 µV/°C(典型值), 输入电压噪声:4 µV p-p(典型值,0.1 Hz至10 Hz)超低输入偏置电流;超低电流和电压噪声
ADA4530-1飞安级输入偏置电流静电计放大器;输入偏置电流:±20 fA(最大 值),失调电压:50 µV,失调电压漂移:±0.13 µV/°C(最大值),输 入电压噪声:14 nV/√Hz(10 kHz)超低输入偏置电流超低电流和电压噪声;超低失调电压和漂移
ADA4817低噪声、1 GHz FastFETTM运算放大器;−3 dB带宽(G = 1, RL = 100 Ω):1050 MHz;低失真:−90 dBc(10 MHz);输入偏置 电流:2 pA(典型值),输入电压噪声:4 nV/√Hz(100 kHz时), 输入电流噪声:2.5 fA/√Hz(100 kHz时)适用于低输入电容、低噪声和低失调电压的宽带I/V转换
ADA4897/ ADA4896低宽带噪声:1 nV/√Hz,2.8 pA/√Hz;低1/f噪声:2.4 nV/√Hz (10 Hz时),80 mA输出电流,轨到轨输出适用于低输入电容的宽带I/V转换
模拟前端
ADA4350FET输入AFE集成了FET输入放大器、开关网络和ADC驱动器; 输入偏置电流:±0.25 pA,输入电压噪声:5 nV/√Hz(典型值, 100 kHz、±5 V时),关断漏电流:±0.5 pA(典型值)适用于I/V转换,适用于化学分析仪
滤波器
AD8625AD862x是一款精密JFET输入放大器;它具有真正的单电源供电、 低功耗和轨到轨输出等特性;当容性负载大于500 pF时,输出仍 能保持稳定;电源电流低于630 µA/amplifier精密、低功耗、单电源、JFET放大器
ADA4627-1ADA4627-1/ADA4637-1是宽带宽精密放大器,具有低噪声和非常低 的失调、漂移、偏置电流特性,采用±5 V至±15 V双电源供电36 V、19 MHz、低噪声、低偏置电流、JFET运算放大器
驱动放大器
AD8592双通道运算放大器,具有±250 mA输出电流和省电关断模式带 宽:3 MHz,低偏置电流:5 pA(典型值)低功耗,低输入偏置电流 高输出电流
多路复用器
ADGS1208SPI接口,低CON和QINJ,±15 V/+12 V,1.8 V逻辑控制,8:1多路复 用;电荷注入:小于1 pC(整个信号范围内),1 pF关断电容超低导通电容(CON)和极低电荷注入(QINJ)
ADG509FADG508F和ADG509F均为CMOS模拟多路复用器;ADG508F内置8个 单通道,ADG509F内置4个差分通道;这些多路复用器均提供故 障保护8通道/4通道模拟多路复用器,具有故障保护功能
数模转换器
AD5693RAD5693R/AD5692R/AD5691R/AD5693均属于nanoDAC+® 系列,分别 是低功耗、单通道、16/14/12位缓冲电压输出DAC小型、16位nanoDAC+,±2(16位)LSB INL和2 ppm/°C基准电压源
AD5686RAD5686R nanoDAC+是一款四通道、16位、轨到轨、电压输出 DAC;该器件内置2.5 V、2 ppm/°C内部基准电压源(默认使能)和增 益选择引脚,满量程输出为2.5 V(增益 = 1)或5 V(增益 = 2)四通道、16位nanoDAC+,内置2 ppm/°C片内基准电压源和SPI 接口
LTC2620LTC2600/LTC2610/LTC2620分别是八通道16/14/12位、2.5 V至5.5 V、 轨到轨电压输出DAC低功耗,高速轨到轨输出驱动,超低串扰
模数转换器
AD402020位、1.8 MSPS、精密SAR差分ADC;SNR:100.5 dB(典型值, 1 kHz),THD:−123 dB(典型值,1 kHz)低噪声、低功耗、高速度、信噪比极佳
LTC2387-1818位15 MSPS SAR ADC,95.7 dB SNR(典型值,fIN = 1 MHz) 102 dB SFDR (typ) at fin = 1 MHz 102 dB SFDR(典型值,fIN = 1 MHz)低噪声、高速度
AD7960AD7960是一款18位、5 MSPS SAR ADC;提供无与伦比的噪声性能 和线性度;集成内部转换时钟和内部基准电压缓冲18位、5 MSPS、PULSAR®差分ADC
AD4003AD4003/AD4007均为低噪声、低功耗、高速18位、2 MSPS/1 MSPS SAR ADC;SNR:100.5 dB(典型值,1 kHz),THD:−123 dB(典型 值,1 kHz)低功耗、高信噪比、低失真
AD7176-2AD7176-2是一款快速建立、高精度、高分辨率、多路复用、24位 Σ-Δ型ADC,适用于低带宽输入信号,具有介于5 SPS和250 kSPS 之间的完全灵活的ODR(输出数据速率)24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC,建立时间20 µs
处理器
ADuCM3029集成电源管理和256 kB嵌入式闪存的超低功耗ARM® Cortex-M3 MCU 一个提供时钟、复位功能的模拟子系统和ADC子系统一款集成电源管理的超低功耗微控制器系统,可用于处理、 控制和连接
ADuCM360ADuCM360是完全集成的3.9 kSPS、24位数据采集系统,在单芯片 上集成双核高性能多通道Σ-Δ型模数转换器(ADC)、32位 ARM Cortex-M3处理器和Flash® /EE存储器低功耗精密模拟微控制器,ARM Cortex-M3,集成双通道 Σ-Δ型ADC
ADSP-BF512FADSP-BF512F是Blackfin® 处理器系列的低成本入门级处理器;在性 能、外设集成和价格三者之间达到最佳平衡,适用于便携式测 试设备、嵌入式调制解调器、生物识别、消费音频等多数成本 敏感型应用一款性能与成本取得最佳平衡的数字信号处理器,搭载丰富的 外设,如ADC、PWM、CAN、SPI等
光驱动器
ADP8866ADP8866结合了可编程背光LED电荷泵驱动器和自动闪烁功能; 9个LED驱动器可以独立编程,电流最高可达25 mA;电流水平、 渐变时间和闪烁速率可以一次编程并在一个环路上自主执行电荷泵驱动9通道LED驱动器,带自动LED光照效果
ADP8140ADP8140可提供最多4个LED驱动器的高电流控制能力;每个驱动 器的最大吸电流能力为500 mA;采用一个外部电阻可针对全部4 个驱动器对灌电流进行设置具有自适应功率控制功能的4通道高电流LED驱动器
LT3476高电流四通道输出LED驱动器;VIN范围:2.8 V至16 V,调光比高达 5000:1,频率调整引脚:200 kHz至2 MHz,高效率转换 = 高达96%开路LED保护,高效率转换
数字温度传感器
ADT7420数字I 2 C温度传感器,精度为±0.25°C,工作范围为−20°C至 105°C,16位分辨率(0.0078°C),ADT7320为SPI接口版本无需校准,过温/欠温中断
CDC
AD7745AD7745/AD7746均为高分辨率、Σ-Δ型电容数字转换器(CDC);要 测量的电容可直接连接到器件输入端;该芯片还具有高分辨率 (24位无失码、最高21位有效分辨率)、高线性度(±0.01%)和高精度 (±4 fF工厂校准)等固有特性24位、单通道电容数字转换器
隔离接口
ADM2682E16 Mbps、5 kV rms信号和电源隔离RS-485收发器,提供±15 kV ESD 保护适于医疗仪器仪表的5 kV隔离应用
音频编解码器
ADAU1781SigmaDSP® 低噪声立体声音频编解码器;可编程SigmaDSP内核, 用于音频处理、24位立体声音频ADC和DAC、400 mW扬声器 放大器低噪声DAC和ADC支持8 kHz至96 kHz的采样速率
RF收发器
ADF7241低功耗IEEE 802.15.4零中频2.4 GHz收发器;低功耗IEEE 802.15.4 零中频2.4 GHz收发器高集成度、低功耗、高性能
基准电压源
ADR4540ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550器件均为高 精度、低功耗、低噪声基准电压源,最大初始误差为±0.02%, 最大温度系数(TCVOUT):2 ppm/°C高精度、低功率、低噪声
LTC6655低漂移精密基准电压源;低噪声:0.25ppm p-p(0.1 Hz至10 Hz);低 漂移:2 ppm/°C(最大值),高精度:±0.025%(最大值)高精度、低漂移、低噪声
电源模块
LTM4622A超薄型双通道2 A或单通道4 A降压型dc至dc μModule® 稳压器;输 入电压范围:3.6 V至20 V,输出电压为1.5 V至12 V小型超薄、宽输入范围、快速瞬态响应、稳定
LTM4631超薄型双通道10 A或单通道20 A dc至dc μModule稳压器;输入电 压范围:4.5 V至15 V,输出电压范围:0.6 V至1.8 V高输出电流、小尺寸、稳定
LTM4643超薄型四通道μModule稳压器,提供可配置3 A输出阵列,输入电 压范围:4 V至20 V,输出电压为0.6 V至3.3 V小尺寸、稳定、高效率
开关稳压器
LT8609S42 V、2 A/3 A峰值同步降压稳压器,2.5 μA 静态电流,输入电压 范围:3.0 V至42 V,1 A电流、12 VIN至5 VOUT时 效率>93%,输出纹 波量<10 mV p-p在任何PCB上的EMI/EMC辐射超低,低噪声、高效率
LTC3853三路输出多相同步降压型控制器;高效率:高达92%,VIN范 围:4.5 V至24 V低噪声、高效率
LTC714960 V、4 A同步降压稳压器,用于反相输出;VIN范围:3.4 V至 60 V,VOUT范围:0 V至–28 V,采用12 VIN和–5 VOUT时效率达92%低噪声、高效率、负输出
线性稳压器
LT3083可调3 A单电阻低压差稳压器;输入电压范围:1.2 V至23 V,低压 差:310 mV,输出电压可调至0 V,低输出噪声:40 μV rms(10 Hz 至100 kHz)低压差,低噪声
LT3090集成可编程限流的–36 V、600 mA负线性稳压器;低压差: 300 mV,低输出噪声:18 μV rms(10 Hz至100 kHz),输入电压范 围:–1.5 V至–36 V,轨到轨输出电压范围:0 V至–32 V低噪声,低压差,轨到轨负输出
LT1963A1.5 A低噪声快速瞬态响应LDO稳压器;电压差:340 mV,低噪 声:40 μV rms(10 Hz至100 kHz),可调输出范围:1.21 V至20 V低噪声、低电压差
电源监控器
ADM6339四电压微处理器监控电路可监控:–5.0 V、+1.8 V、+2.5 V、+3.0 V、 +3.3 V和+5.0 V电源电压;提供±5%和±10%两种容差水平。该器 件还提供一至三个可调电压阈值选项:+1.23 V、+0.62 V和−0.5 V四电压微处理器监控电路
LTC2914四路UV/OV正/负电压监控器,可调UV和OV跳变值,保证阈值精 度:±1.5%,输入毛刺抑制,可监控多达两个负电压四路可调电压监控电路

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