Войти
Принцип Coulter - кратковременное падение тока пропорционально объему частиц 
Наконечник счетчика Коултера в буферном растворе, подсчет клеток в растворе. A Счетчик Коултера представляет собой устройство для подсчета и определения размера частиц, взвешенных в электролитах. Он используется для клеток, бактерий, прокариотических клеток и вирусных частиц. Принцип Коултера и основанный на нем счетчик Коултера - это коммерческий термин для метода, известного как резистивное импульсное считывание или определение электрической зоны.
Типичный счетчик Коултера имеет один или несколько микроканалов, которые разделяют две камеры, содержащие растворы электролита. Когда содержащие жидкость частицы или клетки протягиваются через каждый микроканал, каждая частица вызывает кратковременное изменение электрического сопротивления жидкости. Счетчик обнаруживает эти изменения электрического сопротивления.
Принцип Коултера утверждает, что частицы, проталкиваемые через отверстие, одновременно с электрическим током, производят изменение импеданса, которое пропорционально объему частицы, проходящей через отверстие. Этот импульс импеданса возникает из-за смещения электролита, вызванного частицей. Принцип Коултера был назван в честь его изобретателя Уоллеса Х. Коултера. Этот принцип нашел коммерческий успех в медицинской промышленности, особенно в гематологии, где его можно применять для подсчета и определения размера различных клеток, составляющих цельную кровь.
Клетки, будучи плохо проводящими частицами, изменяют эффективное поперечное сечение проводящего микроканала. Если эти частицы менее электропроводны, чем окружающая жидкая среда, электрическое сопротивление в канале увеличивается, в результате чего электрический ток, проходящий через канал, на короткое время уменьшается. Контролируя такие импульсы электрического тока, можно подсчитать количество частиц для данного объема жидкости. Величина изменения электрического тока связана с размером частицы, что позволяет измерить распределение частиц по размерам, которое может быть коррелировано с подвижностью, поверхностным зарядом и концентрацией частиц.
Счетчик Коултера - жизненно важный компонент сегодняшней больничной лаборатории. Его основная функция - быстрый и точный анализ общих анализов крови (часто называемых общим анализом крови). Общий анализ крови используется для определения количества или пропорции белых и красных кровяных телец в организме. Раньше эта процедура включала подготовку мазка периферической крови и ручной подсчет каждого типа клеток под микроскопом, процесс, который обычно занимал полчаса.
Счетчики Coulter находят широкое применение в различных областях, включая краску, керамику, стекло, расплавленные металлы и производство продуктов питания. Они также обычно используются для контроля качества.
Счетчик Коултера сыграл важную роль в разработке первого в мире сортировщика клеток и был задействован в первые дни разработки проточной цитометрии. Даже сегодня некоторые проточные цитометры используют принцип Коултера для получения высокоточной информации о размере и количестве клеток.
Многие исследователи разработали множество устройств, основанных на принципе Коултера, и создали рецензируемые публикации, содержащие данные с этих устройств. Некоторые из этих устройств также поступили в продажу. Все реализации принципа Коултера обеспечивают компромисс между чувствительностью, защитой от шума, совместимостью с растворителями, скоростью измерения, объемом пробы, динамическим диапазоном и надежностью изготовления устройства.
Компания Coulter запатентовала несколько различных реализаций принципа Coulter. Изображение взято из патента США № 2 656 508. Уоллес Х. Колтер открыл принцип Коултера в конце 1940-х годов, хотя патент не был выдан до 20 октября 1953 года. На Коултера повлияло действие атомные бомбы сброшены на Хиросиму и Нагасаки. Эти события побудили Коултера упростить и улучшить анализ клеток крови, чтобы можно было быстро обследовать большие группы населения, что было бы необходимо в случае ядерной войны. Частичное финансирование проекта было получено за счет гранта от Управления военно-морских исследований..
Коултеру был выдан патент США № 2 656 508 «Средство для подсчета частиц, взвешенных в жидкости». Принцип Коултера чаще всего используется в счетчике Коултера, который представляет собой аналитический прибор, предназначенный для конкретной задачи, такой как подсчет клеток. Однако существует множество других способов реализовать принцип Коултера. Некоторые из них были предприняты, некоторые с коммерческим успехом, а некоторые - чисто для академических исследований. На сегодняшний день наиболее коммерчески успешное применение принципа Коултера - это гематология, где он используется для получения информации о клетках крови пациентов.
Первый коммерческий счетчик Коултера Принцип Коултера основан на том факте, что частицы, движущиеся в электрическом поле, вызывают измеримые возмущения в этом поле. Величины этих возмущений пропорциональны размеру частиц в поле. Коултер выделил несколько требований, необходимых для практического применения этого явления. Сначала частицы следует суспендировать в проводящей жидкости. Затем электрическое поле должно быть физически ограничено, чтобы движение частиц в поле вызывало заметные изменения тока. Наконец, частицы должны быть достаточно разбавленными, чтобы через физическое сужение проходила только одна частица, предотвращая артефакт, известный как совпадение.
Хотя принцип Коултера может быть реализован в различных конструкциях, есть два, которые стали наиболее коммерчески актуальными. К ним относятся формат апертуры и формат проточной кюветы. На рисунке выше показаны несколько других геометрических форм, запатентованных Coulter.
Формат апертуры используется в большинстве коммерческих счетчиков Coulter. В этой установке отверстие определенного размера создается в ювелирном диске (сделанном из того же материала, что и подшипники для драгоценных камней в часах) с использованием специальных производственных процессов. Полученное отверстие затем внедряется в стенку стеклянной трубки, создавая то, что обычно называют трубкой с отверстием. Во время использования апертурная трубка помещается в жидкость, так что драгоценный диск полностью погружается, и трубка может заполняться жидкостью. Электроды расположены как внутри, так и снаружи апертурной трубки, что позволяет току проходить через апертуру. Насос используется для создания вакуума в верхней части трубки, который втягивает жидкость через отверстие. Затем образцы для анализа медленно добавляются к проводящей жидкости, окружающей апертурную трубку. В начале эксперимента включается электрическое поле, и насос начинает втягивать разбавленную суспензию через отверстие. Полученные данные собираются путем регистрации электрических импульсов, генерируемых при прохождении частиц через апертуру.
Хотя базовая физическая настройка формата апертуры одинакова для каждого счетчика Коултера, количество и качество данных сильно различаются в зависимости от реализованной схемы обработки сигналов. Например, усилители с более низкими порогами шума и большим динамическим диапазоном могут повысить чувствительность системы. Аналогичным образом, цифровые анализаторы амплитуды импульсов с переменной шириной ячейки обеспечивают данные с гораздо более высоким разрешением по сравнению с аналоговыми анализаторами с фиксированной шириной ячейки. Кроме того, объединение счетчика Коултера с цифровым компьютером позволяет регистрировать многие характеристики электрических импульсов, в то время как аналоговые счетчики обычно хранят гораздо более ограниченный объем информации о каждом импульсе.
Формат проточной кюветы чаще всего используется в гематологических инструментах, а иногда и в проточных цитометрах. В этом формате электроды встроены в оба конца канала потока, и электрическое поле прикладывается через канал. Этот формат имеет несколько преимуществ по сравнению с форматом диафрагмы. Такая компоновка позволяет проводить непрерывный анализ образца, тогда как формат апертуры является однократным. Кроме того, использование проточной кюветы позволяет добавлять поток оболочки, который удерживает частицы в центре в середине проточного канала. Это позволяет выполнять измерения одновременно, например, зондировать объект лазером. Основные недостатки формата проточной кюветы состоят в том, что он намного дороже в производстве и обычно устанавливается на ширину одного канала, тогда как формат апертуры предлагает широкий выбор размеров апертуры.
Принцип Коултера был применен к подходам «лаборатория на кристалле» к обнаружению частиц с использованием микрофлюидических подходов, которые позволяют Необходимо изготовить поры гораздо меньшего размера, чем можно легко получить, используя объемные методы, используемые для изготовления традиционных счетчиков Коултера. Эти подходы, известные под общим названием, позволили расширить принцип Коултера на глубокий диапазон микрон, что позволило, например, непосредственно обнаруживать вирусные частицы в жидкости. Салех и Сон, и Фраикин и др.,
Аномальные электрические импульсы могут генерироваться, если концентрация образца настолько высока, что несколько частиц попадают в диафрагмы одновременно. Эта ситуация известна как совпадение. Это происходит потому, что невозможно гарантировать, что один большой импульс является результатом одновременного попадания одной большой частицы или нескольких мелких частиц в отверстие. Во избежание этой ситуации образцы должны быть достаточно разбавленными.
Форма генерируемого электрического импульса изменяется в зависимости от пути частицы через апертуру. Плечи и другие артефакты могут возникать из-за того, что плотность электрического поля варьируется по диаметру апертуры. Эта дисперсия является результатом как физического ограничения электрического поля, так и того факта, что скорость жидкости изменяется в зависимости от радиального положения в отверстии. В формате проточной ячейки этот эффект сводится к минимуму, поскольку поток в оболочке гарантирует, что каждая частица проходит почти идентичный путь через проточную ячейку. В формате апертуры алгоритмы обработки сигналов могут использоваться для коррекции артефактов, возникающих из-за траектории частицы.
Проводящие частицы - обычная проблема для людей, рассматривающих принцип Коултера. Хотя эта тема поднимает интересные научные вопросы, на практике она редко влияет на результаты эксперимента. Это связано с тем, что разница проводимости между большинством проводящих материалов и ионов в жидкости (называемая потенциалом разряда) настолько велика, что большинство проводящих материалов действуют как изоляторы в счетчике Коултера. Напряжение, необходимое для преодоления этого потенциального барьера, называется напряжением пробоя. Для тех материалов с высокой проводимостью, которые представляют проблему, напряжение, используемое во время эксперимента Коултера, должно быть уменьшено до уровня ниже потенциала пробоя (который можно определить эмпирически).
По принципу Коултера измеряется объем объекта, так как возмущение электрического поля пропорционально объему электролита, вытесненного из отверстия. Это приводит к некоторой путанице среди тех, кто привык к оптическим измерениям с помощью микроскопов или других систем, которые просматривают только два измерения, а также показывают границы объекта. С другой стороны, принцип Коултера измеряет три измерения и объем, перемещаемый объектом. Полезнее всего думать о губках; Даже если влажная губка может показаться очень большой, она вытеснит значительно меньше жидкости, чем полнотелый кирпич тех же размеров.
Счетчик Коултера, изобретенный Уоллесом Коултером, применяет постоянный ток (DC) для подсчета частиц (клеток) и производит электрические импульсы амплитуды, зависящие от размера ячеек. Ячейки можно смоделировать как электрические изоляторы, окруженные проводящей жидкостью, которые блокируют часть электрического пути, тем самым увеличивая измеренное сопротивление на мгновение. Это наиболее распространенная измерительная система, использующая принцип Коултера.
Последующие изобретения позволили расширить информацию, полученную с помощью переменного тока (AC), чтобы исследовать комплексный электрический импеданс клетки, а не только их размер. Затем клетка может быть приблизительно смоделирована как изолирующая клеточная мембрана, окружающая цитоплазму клетки, которая является проводящей. Тонкость клеточной мембраны создает электрическую емкость между цитоплазмой и электролитом, окружающим клетку. Затем можно измерить электрический импеданс на той или иной частоте переменного тока. На низких частотах (значительно ниже 1 МГц ) импеданс аналогичен сопротивлению постоянному току. Однако более высокие частоты в диапазоне МГц позволяют исследовать толщину клеточной мембраны (которая определяет ее емкость). Однако на гораздо более высоких частотах (значительно выше 10 МГц) импеданс емкости мембраны падает до точки, где больший вклад в измеряемый импеданс вносит сама цитоплазма (мембрана по существу «закорочена»). Таким образом, используя разные частоты, устройство становится больше, чем счетчиком ячеек, а также чувствительным к внутренней структуре и составу ячеек.
Счетчик Coulter, производимый Coulter Electronics Ltd., Англия (1960-е) Наиболее успешным и важным применением принципа Coulter является определение характеристик человека. кровяные клетки. Этот метод использовался для диагностики множества заболеваний и является стандартным методом для определения количества эритроцитов (эритроцитов) и лейкоцитов (лейкоцитов), а также ряда других общих параметров. В сочетании с другими технологиями, такими как флуоресцентная маркировка и светорассеяние, принцип Коултера может помочь в создании подробного профиля клеток крови пациента.
В дополнение к клиническому подсчету клеток крови (диаметр клеток обычно составляет 6–10 микрометров), принцип Коултера зарекомендовал себя как самый надежный лабораторный метод для подсчета большого количества клеток крови. различные клетки, начиная от бактерий (<1 micrometre in size), fat cells (about 400 micrometres), plant cell aggregates (>1200 мкм) и стволовых клеток эмбриоидных тел (около 900 мкм).
Принцип Коултера оказался полезным для приложений, выходящих далеко за рамки клеточных исследований. Тот факт, что он индивидуально измеряет частицы, не зависит от каких-либо оптических свойств, чрезвычайно чувствителен и хорошо воспроизводится, привлекает внимание к широкому спектру полей. Следовательно, принцип Коултера был адаптирован к наномасштабу для создания известных методов определения характеристик наночастиц, а также одно коммерческое предприятие, которое продает метод, называемый им настраиваемым резистивным датчиком импульса, или TRPS. TRPS позволяет проводить высокоточный анализ разнообразного набора наночастиц, включая функционализированные наночастицы для доставки лекарств, вирусоподобные частицы (VLP), липосомы, экзосомы, полимерные наночастицы и микропузырьки.
Счетчик Коултера Модель ZK .
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с счетчиками Коултера. |
