Резистивное импульсное зондирование (RPS) - это общий некоммерческий термин, используемый для хорошо разработанной технологии, используемой для обнаружения и измерения размера отдельных частиц в жидкости. Впервые изобретенный Уоллесом Х. Коултером в 1953 году [1] метод RPS является основным принципом, лежащим в основе принципа Коултера , который является товарным знаком. Резистивное импульсное зондирование также известно как метод измерения электрической зоны , что отражает его фундаментальную электрическую природу, которая отличает его от других технологий определения размера частиц, таких как оптическое динамическое рассеяние света (DLS) и анализ отслеживания наночастиц.(НТА). Международный стандарт был разработан для использования резистивного импульса зондирования техники по Международной организации по стандартизации . [2]
Строительство и эксплуатация. Основной принцип конструкции, лежащий в основе резистивного измерения импульсов, показан на рис. 1. Отдельные частицы, взвешенные в проводящей жидкости, протекают по одной через сужение. Чаще всего используются воды, содержащие некоторое количество растворенных солей, достаточное для протекания электрического тока. Уровни солености морской воды или широкий диапазон концентраций забуференного фосфатом физиологического раствора вполне достаточны для этой цели, с электропроводностью в диапазоне mS-S и концентрациями солей порядка 1 процента. Обычная водопроводная вода часто содержит достаточно растворенных минералов, чтобы обеспечить достаточное количество воды для этого применения.
Электрический контакт с жидкостью осуществляется с помощью металлических электродов, в лучшем случае с использованием платины или других металлов с низким электродным потенциалом , которые используются в конструкциях электрохимических ячеек . Смещение электродов с электрическим потенциалом порядка 1 вольт вызовет электрический ток, протекающий через жидкость. При правильной конструкции электрическое сопротивление сужения будет преобладать в общем электрическом сопротивлении цепи. Частицы, которые протекают через сужение при отслеживании электрического тока, вызовут затемнение этого тока, что приведет к увеличению падения напряжения между двумя электродами. Другими словами, частица вызывает изменение электрического сопротивления сужения. Изменение электрического сопротивления при прохождении частицы через сужение схематично показано на рис.2.
Теория Операции. Количественное соотношение между измеренным изменением электрического сопротивления и размером частицы, вызвавшей это изменение, было разработано Де Блуа и Бином в 1970 году. [3] Де Блуа и Бин обнаружили очень простой результат: изменение сопротивления пропорционален отношению объема частицы к эффективному объему сужения: , где является фактором, который зависит от детальной геометрии сужения и электропроводности рабочего тела.
Следовательно, отслеживая электрическое сопротивление, на которое указывают изменения в падении напряжения на сужении, можно подсчитывать частицы, поскольку каждое увеличение сопротивления указывает на прохождение частицы через сужение, и можно измерить размер этой частицы как величина изменения сопротивления во время прохождения частицы пропорциональна ее объему. Поскольку обычно можно рассчитать объемный расход жидкости через сужение, управляемый извне, установив разность давлений на сужении, можно затем рассчитать концентрацию частиц. При достаточно большом количестве переходных процессов частиц, чтобы обеспечить адекватную статистическую значимость , можно рассчитать концентрацию как функцию размера частицы, также известную как спектральная плотность концентрации , с единицами измерения объема жидкости на объем частицы.
Минимальный обнаруживаемый размер и динамический диапазон . При оценке прибора с резистивным импульсным датчиком (RPS) необходимо учитывать два важных момента: минимальный размер обнаруживаемых частиц и динамический диапазон прибора. Минимальный регистрируемый размер определяется объемомсужения, разности напряжений, приложенных к этому сужению, и шума усилителя первого каскада, используемого для обнаружения сигнала частицы. Другими словами, необходимо оценить минимальное отношение сигнал / шум системы. Минимальный размер частицы может быть определен как размер частицы, которая генерирует сигнал, величина которого равна шуму, интегрированному по той же полосе частот, что и генерируемый сигналом. Динамический диапазон из RPS инструмента установлен на его верхнем конце по диаметру сужением, поскольку это максимальный размер частиц , который может проходить через сужение. Вместо этого можно выбрать несколько меньший максимум, возможно, установив его на 70 процентов от этой максимальной громкости. Тогда динамический диапазон равен отношению максимального размера частиц к минимальному обнаруживаемому размеру. Это соотношение может быть указано либо как отношение максимального объема частиц к минимальному, либо как отношение максимального диаметра частицы к минимальному (куб из первого метода).
Микрожидкостное резистивное импульсное зондирование (MRPS)
Первоначально счетчик Coulter был разработан с использованием специальной технологии для изготовления небольших пор в стеклянных объемах, но стоимость и сложность изготовления этих элементов означает, что они становятся полупостоянной частью аналитического прибора RPS. Это также ограничивало сужения минимального диаметра, которые можно было надежно изготовить, что затрудняло использование метода RPS для частиц диаметром менее 1 микрона .
Поэтому возник значительный интерес к применению методов изготовления, разработанных для микрожидкостных цепей, для измерения RPS. Такой перенос технологии RPS в микрофлюидную область позволяет получить очень маленькие сужения, значительно ниже эффективных диаметров 1 микрон ; таким образом, минимальный размер обнаруживаемых частиц увеличивается до субмикронного диапазона. Использование микрофлюидической технологии также позволяет использовать недорогие литые пластмассовые или эластомерные детали для определения критического компонента сужения, который также становится одноразовым. Использование одноразового элемента устраняет опасения по поводу перекрестного загрязнения образцов, а также устраняет необходимость в длительной очистке прибора RPS. Научные достижения, демонстрирующие эти возможности, были опубликованы в научной литературе, например, Kasianowicz et al., [4] Saleh and Sohn, [5] и Fraikin et al.,. [6] Вместе они иллюстрируют различные методы изготовления микрожидкостных или « лаборатория-на-кристалле» версий счетной технологии Коултера .
Рекомендации
- ^ WH Coulter, "Средства для подсчета частиц, взвешенных в жидкости", Патент США 2 656 508
- ^ Международная организация по стандартизации ISO 13319: 2007, https://www.iso.org/standard/42354.html
- ^ RW de Blois и CP Bean, "Подсчет и определение размеров субмикронных частиц методом резистивных импульсов", Rev. Sci. Instrum. 41, 909 (1970)
- ^ JJ Kasianowicz и др .. "Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала", P. Natl. Акад. Sci. США 93,13770–13773 (1996)
- ^ О. Салех и Л. Л. Сон, "Искусственные нанопоры для молекулярного зондирования", Nano Lett. 3, 37–38 (2003)
- ^ J.-L. Fraikin, T. Teesalu, CM McKenney, E. Ruoslahti и AN Cleland, «Высокопроизводительный анализатор наночастиц без этикеток», Nature Nanotechnology 6, 308-313 (2011)