Detección de pulso resistivo - Resistive pulse sensing
La detección de pulso resistivo (RPS) es el término genérico y no comercial que se le da a la tecnología bien desarrollada que se utiliza para detectar y medir el tamaño de partículas individuales en un fluido. Inventado por primera vez por Wallace H. Coulter en 1953, la técnica RPS es el principio básico detrás del Principio de Coulter , que es un término de marca registrada. La detección de pulso resistivo también se conoce como la técnica de detección de zona eléctrica , lo que refleja su naturaleza fundamentalmente eléctrica, que la distingue de otras tecnologías de tamaño de partículas como la dispersión de luz dinámica de base óptica (DLS) y el análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA). La Organización Internacional de Normalización ha desarrollado una norma internacional para el uso de la técnica de detección de pulsos resistivos .
Construcción y operación. El principio de diseño básico que subyace a la detección de pulsos resistivos se muestra en la Fig. 1. Las partículas individuales, suspendidas en un fluido conductor, fluyen una a la vez a través de una constricción. Los fluidos más comúnmente utilizados son el agua que contiene cierta cantidad de sales disueltas, suficiente para transportar una corriente eléctrica. Los niveles de salinidad del agua de mar o de una amplia gama de concentraciones de solución salina tamponada con fosfato son fácilmente suficientes para este propósito, con conductividad eléctrica en el rango mS-S y concentraciones de sal del orden del 1 por ciento. El agua del grifo típica a menudo contiene suficientes minerales disueltos para conducir suficientemente también para esta aplicación.
El contacto eléctrico se realiza con el fluido mediante electrodos metálicos, en el mejor de los casos utilizando platino u otros metales de bajo potencial de electrodo , como se encuentran en las construcciones de celdas electroquímicas . El sesgo de los electrodos con un potencial eléctrico del orden de 1 voltio hará que fluya una corriente eléctrica a través del fluido. Si se diseña correctamente, la resistencia eléctrica de la constricción dominará la resistencia eléctrica total del circuito. Las partículas que fluyen a través de la constricción mientras se monitorea la corriente eléctrica causarán un oscurecimiento de esa corriente, lo que resultará en un aumento en la caída de voltaje entre los dos electrodos. En otras palabras, la partícula provoca un cambio en la resistencia eléctrica de la constricción. El cambio en la resistencia eléctrica cuando una partícula pasa a través de una constricción se muestra esquemáticamente en la Fig.2.
Teoría de operación. La relación cuantitativa entre el cambio medido en la resistencia eléctrica y el tamaño de la partícula que causó ese cambio fue elaborada por De Blois y Bean en 1970. De Blois y Bean encontraron el resultado muy simple de que el cambio de resistencia es proporcional a la relación de volumen de partículas al volumen efectivo de la constricción:, donde es un factor que depende de la geometría detallada de la constricción y la conductividad eléctrica del fluido de trabajo.
Por lo tanto, al monitorear la resistencia eléctrica como lo indican los cambios en la caída de voltaje a través de la constricción, se pueden contar partículas, ya que cada aumento en la resistencia indica el paso de una partícula a través de la constricción, y se puede medir el tamaño de esa partícula, como el La magnitud del cambio de resistencia durante el paso de la partícula es proporcional al volumen de esa partícula. Como normalmente se puede calcular el caudal volumétrico de fluido a través de la constricción, controlado externamente estableciendo la diferencia de presión a través de la constricción, se puede calcular la concentración de partículas. Con un número suficientemente grande de partículas transitorias para proporcionar una significación estadística adecuada , se puede calcular la concentración en función del tamaño de partícula, también conocida como densidad espectral de concentración , con unidades de fluido por volumen por volumen de partícula.
Tamaño mínimo detectable y rango dinámico . Dos consideraciones importantes al evaluar un instrumento de detección de pulso resistivo (RPS) son el tamaño mínimo de partícula detectable y el rango dinámico del instrumento. El tamaño mínimo detectable está determinado por el volumen de la constricción, la diferencia de voltaje aplicada a través de esa constricción y el ruido del amplificador de primera etapa utilizado para detectar la señal de partículas. En otras palabras, se debe evaluar la relación señal-ruido mínima del sistema. El tamaño mínimo de partícula se puede definir como el tamaño de la partícula que genera una señal cuya magnitud es igual al ruido, integrado en el mismo ancho de banda de frecuencia que genera la señal. El rango dinámico de un instrumento RPS se establece en su extremo superior por el diámetro de la constricción, ya que es el tamaño máximo de partícula que puede atravesar la constricción. En su lugar, también se puede elegir un máximo algo menor, quizás configurándolo en el 70 por ciento de este volumen máximo. El rango dinámico es entonces igual a la relación entre el tamaño máximo de partícula y el tamaño mínimo detectable. Esta relación se puede citar como la relación entre el volumen máximo y el mínimo de partículas o como la relación entre el diámetro máximo y el mínimo de partículas (el cubo del primer método).
Detección de pulso resistivo microfluídico (MRPS)
El contador Coulter original se diseñó originalmente utilizando una tecnología especial para fabricar poros pequeños en volúmenes de vidrio, pero el costo y la complejidad de fabricar estos elementos significa que se convierten en una parte semipermanente del instrumento analítico RPS. Esto también limitó las constricciones de diámetro mínimo que podrían fabricarse de manera confiable, lo que dificulta el uso de la técnica RPS para partículas de menos de aproximadamente 1 micra de diámetro.
Por lo tanto, hubo un interés significativo en aplicar las técnicas de fabricación desarrolladas para circuitos de microfluidos a la detección de RPS. Esta traducción de la tecnología RPS al dominio microfluídico permite constricciones muy pequeñas, muy por debajo de los diámetros efectivos de 1 micra ; esto, por lo tanto, extiende el tamaño de partícula mínimo detectable al rango profundo de submicrones. El uso de la tecnología de microfluidos también permite el uso de piezas de elastómero o plástico fundido de bajo costo para definir el componente de constricción crítico, que también se vuelve desechable. El uso de un elemento desechable elimina las preocupaciones sobre la contaminación cruzada de la muestra y evita la necesidad de una limpieza lenta del instrumento RPS. Los avances científicos que demuestran estas capacidades se han publicado en la literatura científica, como Kasianowicz et al., Saleh y Sohn, y Fraikin et al.,. Estos juntos ilustran una variedad de métodos para fabricar versiones de microfluidos o de laboratorio en un chip de la tecnología de contador Coulter .