Resistiv pulsavkänning

Resistiv pulsavkänning (RPS) är den generiska, icke-kommersiella termen som ges för den välutvecklade tekniken som används för att detektera och mäta storleken på enskilda partiklar i vätska. RPS-tekniken , som först uppfanns av Wallace H. Coulter 1953, är den grundläggande principen bakom Coulter-principen , som är en varumärkesterm. Resistiv pulsavkänning är också känd som den elektriska zonavkänningstekniken , vilket återspeglar dess i grunden elektriska natur, vilket skiljer den från andra partikelstorlekstekniker såsom optiskt baserad dynamisk ljusspridning (DLS) och nanopartikelspårningsanalys (NTA). En internationell standard har utvecklats för användning av den resistiva pulsavkänningstekniken av International Organization for Standardization .

Fig. 1. Schematiskt diagram för resistiv pulsavkänning, där partiklar, suspenderade i en svagt ledande vätska, strömmar genom en nanokonstriktion och avkänns elektriskt av elektroder placerade på vardera sidan av nanokonstriktionen.

Fig. 2. Linjeritning av resistiva pulsavkännande tidsbaserade schematiska data. En enda partikel som passerar genom en förträngning orsakar en momentan förändring i det elektriska motståndet, proportionell mot partikelvolymen.

Konstruktion och drift. Den grundläggande designprincipen för resistiv pulsavkänning visas i fig. 1. Individuella partiklar, suspenderade i en ledande vätska, strömmar en i taget genom en förträngning. De vanligaste vätskorna är vatten som innehåller en viss mängd lösta salter, tillräckligt för att bära en elektrisk ström. Salinitetsnivåerna i havsvatten eller för ett brett spektrum av koncentrationer av fosfatbuffrad saltlösning är lätt tillräckliga för detta ändamål, med elektrisk ledningsförmåga i mS-S-intervallet och saltkoncentrationer av storleksordningen 1 procent. Vanligt kranvatten innehåller ofta tillräckligt med lösta mineraler för att leda tillräckligt även för denna applikation.

Elektrisk kontakt görs med vätskan med hjälp av metallelektroder, i bästa fall med platina eller andra metaller med låg elektrodpotential , som finns i elektrokemiska cellkonstruktioner . Förspänning av elektroderna med en elektrisk potential av storleksordningen 1 volt kommer att orsaka att en elektrisk ström flyter genom vätskan. Om den är korrekt utformad kommer det elektriska motståndet hos förträngningen att dominera i kretsens totala elektriska resistans . Partiklar som strömmar genom förträngningen medan den elektriska strömmen övervakas kommer att orsaka en mörkläggning av den strömmen, vilket resulterar i en ökning av spänningsfallet mellan de två elektroderna. Med andra ord orsakar partikeln en förändring i det elektriska motståndet för förträngningen. Förändringen i det elektriska motståndet när en partikel passerar genom en förträngning visas schematiskt i fig. 2.

Operationsteori. Det kvantitativa sambandet mellan den uppmätta förändringen i elektriskt motstånd och storleken på partikeln som orsakade den förändringen utarbetades av De Blois och Bean 1970. De Blois och Bean fann det mycket enkla resultatet att resistansförändringen Δ R { $\ Delta R}$ är proportionell mot förhållandet mellan partikelvolymen $V_{p}$ och den effektiva volymen $V_{c}$ för förträngningen: $\Delta R=A{\frac {V_{p}}{V_{c}}}$ , där $A$ är en faktor som beror på förträngningens detaljerade geometri och arbetsvätskans elektriska ledningsförmåga .

Därför, genom att övervaka det elektriska motståndet som indikeras av förändringar i spänningsfallet över förträngningen, kan man räkna partiklar, eftersom varje ökning av motståndet indikerar passage av en partikel genom förträngningen, och man kan mäta storleken på den partikeln, eftersom storleken på motståndsändringen under partikelpassagen är proportionell mot den partikelns volym. Eftersom man vanligtvis kan beräkna den volymetriska flödeshastigheten för vätska genom förträngningen, styrd externt genom att ställa in tryckskillnaden över förträngningen, kan man sedan beräkna koncentrationen av partiklar. Med ett tillräckligt stort antal partikeltransienter för att ge adekvat statistisk signifikans kan koncentrationen som en funktion av partikelstorleken, även känd som koncentrationens spektraldensitet , med enheter per volym vätska per volym partikel, beräknas.

Minsta detekterbara storlek och dynamiskt omfång . Två viktiga överväganden vid utvärdering av ett resistivt pulsavkänningsinstrument (RPS) är den minsta detekterbara partikelstorleken och instrumentets dynamiska omfång. Den minsta detekterbara storleken bestäms av volymen ${\displaystyle V_{c}} för förträngningen$ spänningsskillnaden som appliceras över denna förträngning och bruset från förstastegsförstärkaren som används för att detektera partikelsignalen. Med andra ord måste man utvärdera systemets minsta signal-brusförhållande . Minsta partikelstorlek kan definieras som storleken på partikeln som genererar en signal vars storlek är lika med bruset, integrerad över samma frekvensbandbredd som genereras av signalen. Det dynamiska området för ett RPS-instrument ställs in i dess övre ände av förträngningens diameter, eftersom det är den maximala storleken på partikeln som kan passera genom förträngningen. Man kan också istället välja ett något mindre maximum, kanske sätta det till 70 procent av denna maxvolym. Det dynamiska området är då lika med förhållandet mellan den maximala partikelstorleken och den minsta detekterbara storleken. Detta förhållande kan anges antingen som förhållandet mellan maximal och minimal partikelvolym, eller som förhållandet mellan maximal och minimal partikeldiameter (kuben för den första metoden).

Microfluidic Resistive Pulse Sensing (MRPS)

Den ursprungliga Coulter-disken designades ursprungligen med en speciell teknologi för att tillverka små porer i glasvolymer, men kostnaden och komplexiteten för att tillverka dessa element gör att de blir en semipermanent del av det analytiska RPS-instrumentet. Detta begränsade också de minsta diameterförträngningarna som kunde tillverkas tillförlitligt, vilket gör RPS-tekniken utmanande att använda för partiklar under ungefär 1 mikron i diameter.

Det fanns därför ett betydande intresse för att tillämpa tillverkningsteknikerna som utvecklats för mikrofluidiska kretsar för RPS-avkänning. Denna översättning av RPS-teknik till den mikrofluidiska domänen möjliggör mycket små förträngningar, långt under effektiva diametrar på 1 mikron ; detta utökar därför den minsta detekterbara partikelstorleken till det djupa submikronområdet. Användning av mikrofluidikteknik tillåter också användningen av billiga gjutna plast- eller elastomerdelar för att definiera den kritiska sammandragningskomponenten, som också blir engångsbruk. Användningen av ett engångselement eliminerar farhågor om provkorskontaminering samt eliminerar behovet av tidskrävande rengöring av RPS-instrumentet. Vetenskapliga framsteg som visar dessa förmågor har publicerats i den vetenskapliga litteraturen, såsom av Kasianowicz et al., Saleh och Sohn och Fraikin et al.,. Dessa tillsammans illustrerar en mängd olika metoder för att tillverka mikrofluidiska eller labb-på-ett-chip- versioner av Coulter-räknetekniken .