Резистивный импульсный датчик

Резистивное измерение импульсов ( RPS ) — это общий некоммерческий термин, обозначающий хорошо развитую технологию, используемую для обнаружения и измерения размера отдельных частиц в жидкости. Впервые изобретен 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 зондирования электрических зон , что отражает его фундаментальную электрическую природу, что отличает его от других технологий определения размера частиц, таких как оптическое динамическое рассеяние света (DLS) и анализ отслеживания наночастиц (NTA). разработала международный стандарт для использования метода резистивного импульсного зондирования Международная организация по стандартизации . ^[2]

Строительство и эксплуатация

Основной принцип конструкции, лежащий в основе резистивного импульсного зондирования, показан на рис. 1. Отдельные частицы, взвешенные в проводящей жидкости, проходят по одной через сужение. Наиболее часто используемыми жидкостями являются вода, содержащая некоторое количество растворенных солей, достаточное для проведения электрического тока. уровень солености морской воды или широкий диапазон концентраций фосфатно-солевого буфера Для этой цели вполне достаточен с электропроводностью в диапазоне mS-S и концентрацией соли порядка 1 процента. Типичная водопроводная вода часто содержит достаточное количество растворенных минералов, чтобы обеспечить достаточную проводимость и 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 встречаются в электрохимических ячеек конструкциях . Смещение электродов с электрическим потенциалом порядка 1 вольта приведет к прохождению электрического тока через жидкость. При правильном проектировании электрическое сопротивление сужения будет преобладать в общем электрическом сопротивлении цепи. Частицы, которые проходят через сужение во время мониторинга электрического тока, вызывают затемнение этого тока, что приводит к увеличению падения напряжения между двумя электродами. Другими словами, частица вызывает изменение электрического сопротивления перетяжки. Изменение электрического сопротивления при прохождении частицы через перетяжку схематически показано на рис. 2.

Теория работы

Количественная связь между измеренным изменением электрического сопротивления и размером частицы, вызвавшей это изменение, была установлена Де Блуа и Бином в 1970 году. ^[3] Де Блуа и Бин пришли к очень простому результату: сопротивление меняется. $\Delta R$ пропорционален отношению объема частиц $V_{p}$ до эффективного объема $V_{c}$ сужения: $\Delta R=A{\frac {V_{p}}{V_{c}}}$ ,где $A$ – фактор, зависящий от детальной геометрии сужения и электропроводности рабочей жидкости.

Следовательно, контролируя электрическое сопротивление, на которое указывают изменения падения напряжения на сужении, можно подсчитывать частицы, поскольку каждое увеличение сопротивления указывает на прохождение частицы через сужение, и можно измерить размер этой частицы, поскольку величина изменения сопротивления во время прохождения частицы пропорциональна объему этой частицы. Поскольку обычно можно рассчитать объемный расход жидкости через сужение, управляемый извне, задав разницу давлений на сужении, затем можно рассчитать концентрацию частиц . При достаточно большом количестве переходных процессов частиц, чтобы обеспечить адекватную статистическую значимость концентрацию как функцию размера частиц, также известную как спектральная плотность концентрации , можно рассчитать , с единицами измерения объема жидкости на объем частицы.

Минимальный обнаруживаемый размер и динамический диапазон

Двумя важными факторами при оценке резистивного импульсного датчика (RPS) являются минимальный обнаруживаемый размер частиц и динамический диапазон прибора. Минимальный обнаруживаемый размер определяется объемом $V_{c}$ сужения, разности напряжений, приложенной к этому сужению, и шума усилителя первой ступени, используемого для обнаружения сигнала частиц. Другими словами, необходимо оценить минимальное соотношение сигнал/шум системы. Минимальный размер частицы можно определить как размер частицы, которая генерирует сигнал, величина которого равна шуму, интегрированному в той же полосе частот , что и генерируемый сигналом. Динамический диапазон прибора RPS устанавливается на верхнем конце диаметром сужения, поскольку это максимальный размер частиц, которые могут пройти через сужение. Вместо этого можно также выбрать несколько меньший максимум, возможно, установив его на уровне 70 процентов от этого максимального объема. В этом случае динамический диапазон равен отношению максимального размера частиц к минимально обнаруживаемому размеру. Это соотношение можно выразить либо как отношение максимального к минимальному объему частиц, либо как отношение максимального к минимальному диаметру частиц (куб первого метода).

Микрофлюидный резистивный импульсный зонд (MRPS)

Оригинальный счетчик Коултера изначально был разработан с использованием специальной технологии для изготовления небольших пор в объемах стекла, но стоимость и сложность изготовления этих элементов означают, что они становятся полупостоянной частью аналитического прибора RPS. Это также ограничивало ограничения минимального диаметра, которые можно было надежно изготовить, что затрудняло использование метода RPS для частиц менее 1 микрона диаметром .

Поэтому возник значительный интерес к применению технологий изготовления, разработанных для микрофлюидных схем, для измерения RPS. Этот перевод технологии RPS в микрофлюидную область позволяет создавать очень маленькие сужения, значительно ниже эффективного диаметра 1 микрона; следовательно, это расширяет минимальный обнаруживаемый размер частиц до субмикронного диапазона. Использование технологии микрофлюидики также позволяет использовать недорогие детали из литого пластика или эластомера для определения критического компонента сужения, которые также становятся одноразовыми. Использование одноразового элемента устраняет опасения по поводу перекрестного загрязнения проб, а также устраняет необходимость трудоемкой очистки инструмента RPS. Научные достижения, демонстрирующие эти возможности, были опубликованы в научной литературе, например, Касиановичем и др., ^[4] Салех и Зон, ^[5] и Фрайкин и др. ^[6] Вместе они иллюстрируют различные методы изготовления микрофлюидных или лабораторных версий счетчика Коултера.

Ссылки

^ WH Coulter, «Средство для подсчета частиц, взвешенных в жидкости», патент США № 2656508.
^ Международная организация по стандартизации ISO 13319:2007, https://www.iso.org/standard/42354.html.
^ Р.В. де Блуа и К.П. Бин, «Подсчет и определение размера субмикронных частиц с помощью метода резистивного импульса», Rev. Sci. Инструмент. 41, 909 (1970)
^ JJ Kasianowicz и др.. «Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала», P. Natl. акад. наук. США 93,13770–13773 (1996)
^ О. Салех и Л.Л. Сон, «Искусственная нанопора для молекулярного зондирования», Nano Lett. 3, 37–38 (2003)
^ Ж.-Л. Фрайкин, Т. Тисалу, К.М. Маккенни, Э. Руослахти и А.Н. Клеланд, «Высокопроизводительный анализатор наночастиц без меток», Nature Nanotechnology 6, 308-313 (2011).

[1] WH Coulter, «Средство для подсчета частиц, взвешенных в жидкости», патент США № 2656508.

[2] Международная организация по стандартизации ISO 13319:2007, https://www.iso.org/standard/42354.html.

[3] Р.В. де Блуа и К.П. Бин, «Подсчет и определение размера субмикронных частиц с помощью метода резистивного импульса», Rev. Sci. Инструмент. 41, 909 (1970)

[4] JJ Kasianowicz и др.. «Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала», P. Natl. акад. наук. США 93,13770–13773 (1996)

[5] О. Салех и Л.Л. Сон, «Искусственная нанопора для молекулярного зондирования», Nano Lett. 3, 37–38 (2003)

[6] Ж.-Л. Фрайкин, Т. Тисалу, К.М. Маккенни, Э. Руослахти и А.Н. Клеланд, «Высокопроизводительный анализатор наночастиц без меток», Nature Nanotechnology 6, 308-313 (2011).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]