Счетчик Коултера

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без источников могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Coulter counter» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Счетчик Коултера ^{[1] [2]} — это аппарат для подсчета и определения размеров частиц, взвешенных в электролитах . Счетчик Коултера — это коммерческий термин для метода, известного как резистивное импульсное зондирование или электрическое зонное зондирование. Аппарат основан на принципе Коултера, названном в честь его изобретателя Уоллеса Х. Коултера .

Типичный счетчик Коултера имеет один или несколько микроканалов , которые разделяют две камеры, содержащие растворы электролитов . Когда жидкость, содержащая частицы или клетки, проходит через микроканалы, каждая частица вызывает кратковременное изменение электрического сопротивления жидкости. Счетчик обнаруживает эти изменения электрического сопротивления.

Принцип Коултера гласит, что частицы, протянутые через отверстие, одновременно с электрическим током , производят изменение импеданса, пропорциональное объему частицы, проходящей через отверстие. Этот импульс импеданса возникает из-за смещения электролита, вызванного частицей.

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 определил несколько требований, необходимых для практического применения этого явления:

• Частицы должны быть взвешены в проводящей жидкости.
• Электрическое поле должно быть физически ограничено, чтобы движение частиц в поле вызывало заметные изменения тока.
• Частицы должны быть достаточно разбавлены, чтобы через физическое сужение могла проходить только одна за раз.

Если несколько частиц одновременно пройдут через сужение, их профили импеданса будут перекрываться, что приведет к артефакту, известному как совпадение. Аппарат не может отличить одну большую частицу от нескольких маленьких перекрывающихся частиц, что приводит к аномалиям в полученных данных.

На основе принципа Коултера было разработано множество экспериментальных устройств. Некоторые из этих устройств были коммерциализированы, наиболее известные из них — в медицинской промышленности, в частности в гематологии, для подсчета и определения размеров различных клеток, входящих в состав цельной крови. Все реализации принципа Коултера имеют компромиссы между чувствительностью, шумозащитой, совместимостью с растворителями, скоростью измерения, объемом образца, динамическим диапазоном и надежностью производства устройств.

Уоллес Х. Коултер открыл принцип Коултера в конце 1940-х годов, хотя патент был выдан только 20 октября 1953 года. Коултер находился под влиянием атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки , что побудило его улучшить и оптимизировать общий анализ крови для использования в крупномасштабном скрининге, что было бы необходимо в случае ядерной войны. ^[3] Частичное финансирование проекта осуществлялось за счет гранта, предоставленного Управлением военно-морских исследований . ^{[4] [5]}

Coulter получил патент США №  2,656,508, «Средство подсчета частиц, взвешенных в жидкости» . Этот счетчик Coulter — аналитический прибор, который использует принцип Coulter для определенной задачи, чаще всего для подсчета клеток. Наиболее коммерчески успешное применение принципа Coulter — в гематологии, где он используется для получения информации о клетках крови пациентов. Счетчики Coulter также могут использоваться при обработке и производстве краски, керамики, стекла, металлов и продуктов питания. Они также обычно используются для контроля качества.

Клетки, будучи плохо проводящими частицами, изменяют эффективное поперечное сечение проводящего микроканала. Если эти частицы менее проводящие, чем окружающая жидкая среда, электрическое сопротивление поперек канала увеличивается, в результате чего электрический ток, проходящий по каналу, кратковременно уменьшается. Контролируя такие импульсы в электрическом токе, можно подсчитать количество частиц для данного объема жидкости. Величина изменения электрического тока связана с размером частицы, что позволяет измерить распределение размеров частиц, которое можно соотнести с подвижностью, поверхностным зарядом и концентрацией частиц.

Количество и качество полученных данных сильно различаются в зависимости от схемы обработки сигнала в счетчике Коултера. Усилители с более низкими порогами шума и большим динамическим диапазоном могут повысить чувствительность системы, а цифровые анализаторы высоты импульса с переменной шириной ячеек обеспечивают гораздо более высокое разрешение данных по сравнению с аналоговыми анализаторами с фиксированными ячейками. Объединение счетчика Коултера с цифровым компьютером позволяет захватывать и анализировать множество характеристик электрических импульсов, в то время как аналоговые счетчики обычно хранят ограниченное количество информации о каждом импульсе.

По мере того, как детекторы электрического тока становились все более чувствительными и менее дорогими, счетчик Коултера стал обычным лабораторным прибором для быстрого и точного анализа общего анализа крови (ОАК). ОАК используется для определения количества или соотношения 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.

Счетчик Культера сыграл важную роль в разработке первого сортировщика клеток и был задействован в раннем развитии проточной цитометрии . Некоторые проточные цитометры продолжают использовать принцип Культера для предоставления информации о размере и количестве клеток.

Хотя счетчик Коултера может быть сконструирован различными способами, существуют две основные конфигурации, которые стали наиболее коммерчески значимыми: формат апертуры и формат проточной ячейки.

Формат апертуры является наиболее используемой конфигурацией в коммерческих счетчиках Коултера и подходит для тестирования образцов для контроля качества. В этой установке небольшая апертура (отверстие) определенного размера создается в материале, таком как диск из драгоценных камней (изготовленный из того же материала, что и подшипники из драгоценных камней в часах). ^[4] Затем этот диск встраивается в стенку стеклянной трубки, которая затем называется апертурной трубкой. Апертурная трубка помещается в проводящую жидкость таким образом, чтобы апертура была полностью погружена, а насос в верхней части трубки всасывает жидкость через апертуру. Электрический ток пропускается через электроды по обе стороны апертурной трубки; поскольку стекло является электрическим изолятором, весь этот ток протекает через апертуру. После записи исходных данных образец для анализа медленно добавляется в проводящую жидкость и всасывается через апертуру. Изменения проводимости, возникающие при прохождении частиц образца через апертуру, регистрируются как электрические импульсы и анализируются для определения характеристик частиц и образца в целом.

Формат проточной ячейки чаще всего применяется в гематологических приборах и некоторых проточных цитометрах. В этом формате электроды встраиваются в оба конца проточного канала, а электрическое поле прикладывается поперек канала. Такое расположение позволяет проводить непрерывный анализ образцов и может сочетаться с другими приборами (при оснащении потоком оболочки для удержания частиц в центре проточного канала). Это может позволить выполнять дополнительные измерения одновременно, например, зондирование частицы лазером. Основными недостатками формата проточной ячейки являются то, что он намного дороже в производстве и, как правило, фиксирован на одной ширине канала, тогда как формат апертуры предлагает широкий спектр размеров апертуры.

Микрофлюидные подходы были использованы для применения принципа Коултера к обнаружению частиц в лаборатории на чипе . Эти методы позволяют изготавливать гораздо меньшие поры (отверстия), чем можно легко получить с использованием формата апертуры. Эти подходы, известные под общим названием микрофлюидное резистивное импульсное зондирование, позволили расширить принцип Коултера до глубокого субмикронного диапазона , что позволяет, например, напрямую обнаруживать вирусные частицы в жидкости. ^{[6] [7] [8]}

При создании методики испытаний с использованием счетчиков Коултера необходимо учитывать ряд общих соображений.

Аномальные электрические импульсы могут быть получены, если несколько частиц одновременно попадают в апертуру. Эта ситуация известна как совпадение . Это происходит, потому что нет способа гарантировать, что один большой импульс является результатом одной большой частицы или нескольких маленьких частиц, попавших в апертуру одновременно. Чтобы предотвратить эту ситуацию, образцы должны быть достаточно разбавлены.

Форма генерируемого электрического импульса меняется в зависимости от пути частицы через апертуру. Артефакты сигнала могут возникать, если плотность электрического поля меняется по диаметру апертуры. Это отклонение является результатом как физического ограничения электрического поля, так и того факта, что скорость жидкости меняется в зависимости от радиального расположения в апертуре. В формате проточной ячейки этот эффект минимизируется, поскольку поток оболочки гарантирует, что каждая частица проходит почти идентичный путь через проточную ячейку. В формате апертуры алгоритмы обработки сигнала могут использоваться для коррекции артефактов, возникающих из-за пути частицы.

Проводящие частицы являются распространенной проблемой, но редко влияют на результаты эксперимента. Это связано с тем, что разница в проводимости между большинством проводящих материалов и ионами в жидкости (называемая потенциалом разряда) настолько велика, что большинство проводящих материалов действуют как изоляторы в счетчике Коултера. Напряжение, необходимое для разрушения этого потенциального барьера, называется напряжением пробоя. Для тех высокопроводящих материалов, которые представляют проблему, напряжение, используемое во время эксперимента Коултера, можно уменьшить ниже потенциала пробоя (который можно определить эмпирически).

Принцип Коултера измеряет объем объекта, поскольку 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 видят только два измерения и также показывают границы объекта. Принцип Коултера, с другой стороны, измеряет три измерения и объем, вытесненный объектом.

Счетчик Культера, изобретенный Уоллесом Культером, использует постоянный ток (DC) для подсчета частиц (клеток) и производит электрические импульсы амплитуды, зависящей от размера клеток. Клетки можно смоделировать как электрические изоляторы, окруженные проводящей жидкостью, которая блокирует часть электрического пути, тем самым мгновенно увеличивая измеряемое сопротивление . Это наиболее распространенная измерительная система, использующая принцип Культера.

Последующие разработки смогли расширить информацию, полученную с помощью переменного тока (AC), чтобы исследовать комплексное электрическое сопротивление клеток, а не просто подсчитывать их количество. ^[9] Затем клетку можно приблизительно смоделировать как изолирующую клеточную мембрану, окружающую цитоплазму клетки , которая является проводящей. Тонкость клеточной мембраны создает электрическую емкость между цитоплазмой и электролитом, окружающим клетку. Затем электрическое сопротивление можно измерить на разных частотах переменного тока. На низких частотах (значительно ниже 1  МГц ) сопротивление аналогично сопротивлению постоянного тока. Однако более высокие частоты в диапазоне МГц можно использовать для исследования толщины клеточной мембраны (которая определяет ее емкость). На гораздо более высоких частотах (значительно выше 10 МГц) сопротивление емкости мембраны падает до точки, где больший вклад в измеряемое сопротивление вносит сама цитоплазма (мембрана по сути « закорочена »). Таким образом, используя разные частоты, аппарат может стать чувствительным к внутренней структуре и составу клеток.

Наиболее успешное и важное применение счетчика Коултера — характеристика клеток крови человека. Эта техника использовалась для диагностики различных заболеваний и является стандартным методом получения количества эритроцитов (RBC) и лейкоцитов (WBC), а также нескольких других общих параметров. В сочетании с другими технологиями, такими как флуоресцентное мечение и рассеяние света, принцип Коултера может помочь создать подробный профиль клеток крови пациента.

Помимо клинического подсчета клеток крови (диаметр клеток обычно составляет 6–10 микрометров), счетчик Коултера зарекомендовал себя как наиболее надежный лабораторный метод подсчета самых разных клеток, начиная от бактерий (размером <1 микрометра), жировых клеток (около 400 микрометров), эмбриональных телец стволовых клеток (около 900 микрометров) и агрегатов растительных клеток (>1200 микрометров).

Счетчики Coulter использовались в самых разных областях благодаря своей способности индивидуально измерять частицы, независимо от оптических свойств, чувствительности и надежности. Этот принцип был адаптирован к наномасштабу для создания методов характеризации наночастиц, известных как микрофлюидное резистивное импульсное зондирование, а также одного коммерческого предприятия, которое продает технологию, которую оно называет настраиваемым резистивным импульсным зондированием (TRPS). TRPS обеспечивает высокоточный анализ разнообразного набора наночастиц, включая функционализированные наночастицы для доставки лекарств , вирусоподобные частицы (VLP), липосомы , экзосомы , полимерные наночастицы и микропузырьки .

• Гемоцитометр
• Проточная цитометрия
• Гематологический анализатор

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Счетчики Коултера» .

• https://web.archive.org/web/20080424022037/http://web.mit.edu/invent/iow/coulter.html
• US 2656508 Средства для подсчета частиц, взвешенных в жидкости , 20 октября 1953 г., Уоллес Х. Коултер 
• «Динамически изменяемые размеры апертур нанометрового масштаба для молекулярного зондирования»; Стивен Дж. Соуэрби, Мюррей Ф. Брум, Джордж Б. Петерсен; Датчики и приводы B: Химический том 123, выпуск 1 (2007), страницы 325–330