Резистивное считывание импульсов - Resistive pulse sensing

Резистивное определение импульсов (RPS) это общий некоммерческий термин, используемый для хорошо разработанной технологии, используемой для обнаружения и измерения размера отдельных частиц в жидкости. Впервые изобретен Уоллес Х. Коултер в 1953 г.,^[1] техника RPS является основным принципом Принцип Коултера, который является товарным знаком. Резистивное определение импульсов также известно как электрическая зона метод, отражающий его фундаментально электрическую природу, которая отличает его от других технологий определения размера частиц, таких как оптически динамическое рассеяние света (DLS) и анализ отслеживания наночастиц (НТА). Международный стандарт был разработан для использования метода резистивного измерения импульсов. Международная организация по стандартизации.^[2]

Рис. 1. Схематическая диаграмма резистивного импульсного считывания, при котором частицы, взвешенные в слабопроводящей жидкости, проходят через наноконстрикцию и электрически воспринимаются электродами, расположенными по обе стороны от наноконстрикции.

Рис. 2. Линейный чертеж данных временной схемы резистивного импульсного считывания. Одиночная частица, проходящая через сужение, вызывает мгновенное изменение электрического сопротивления, пропорциональное объему частицы.

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 морская вода или широкого диапазона концентраций фосфатно-солевой буфер легко достаточно для этой цели, с электрическая проводимость в диапазоне mS-S и концентрации соли порядка 1 процента. Типичный водопроводная вода часто содержит достаточно растворенных минералов, чтобы обеспечить достаточную проводимость для этого применения.

Электрический контакт с жидкостью осуществляется с помощью металлических электродов, в лучшем случае - с помощью платина или другой низкий электродный потенциал металлы, которые содержатся в электрохимическая ячейка конструкции. Смещение электродов электрический потенциал порядка 1 вольт вызовет электрический ток течь через жидкость. При правильном проектировании электрическое сопротивление сужения будет преобладать в общем электрическое сопротивление схемы. Частицы, которые протекают через сужение, пока контролируется электрический ток, вызовут затемнение этого тока, что приведет к увеличению падение напряжения между двумя электродами. Другими словами, частица вызывает изменение электрическое сопротивление сужения. Изменение электрического сопротивления при прохождении частицы через сужение схематически показано на рис.2.

Теория Операции. Количественное соотношение между измеренным изменением электрического сопротивления и размером частицы, вызвавшей это изменение, было установлено Де Блуа и Бином в 1970 году.^[3]. Де Блуа и Бин обнаружили очень простой результат: изменение сопротивления ${ displaystyle Delta R}$ пропорционален отношению объема частицы ${ displaystyle V_ {p}}$ к эффективному объему ${ displaystyle V_ {c}}$ сужения: ${ displaystyle Delta R = A { frac {V_ {p}} {V_ {c}}}}$,где ${ displaystyle A}$ - фактор, который зависит от детальной геометрии сужения и электрическая проводимость рабочей жидкости.

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, путем установки давление разницу поперек сужения, затем можно рассчитать концентрация частиц. При достаточно большом количестве переходных процессов частиц для обеспечения адекватного Статистическая значимость, концентрация как функция размера частиц, также известная как спектральная плотность концентрации, в единицах объема жидкости на объемную частицу.

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. В минимальный обнаруживаемый размер определяется объемом ${ displaystyle V_ {c}}$ сужения, разности напряжений, приложенных к этому сужению, и шум усилителя первой ступени, используемого для регистрации сигнала частиц. Другими словами, нужно оценить минимум Сигнал к шуму системы. Минимальный размер частицы можно определить как размер частицы, которая генерирует сигнал, величина которого равна шуму, интегрированный по тому же полоса частот как генерируется сигналом. В динамический диапазон инструмента RPS устанавливается на его верхнем конце диаметром сужения, так как это частицы максимального размера, которые могут пройти 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 отношение 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)

Оригинал Счетчик сошников изначально был разработан с использованием специальной технологии для изготовления небольших пор в объемах стекла, но стоимость и сложность изготовления этих элементов означает, что они становятся полупостоянной частью аналитического инструмента RPS. Это также ограничивало сужения минимального диаметра, которые могли быть надежно изготовлены, что затрудняло использование метода RPS для частиц ниже примерно 1 микрон в диаметре.

Поэтому проявился значительный интерес к применению методов изготовления, разработанных для микрофлюидный цепей на измерение RPS. Этот перевод 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 технологии микрофлюидики также позволяет использовать недорогой литой пластик или эластомер детали для определения критического компонента сужения, которые также становятся одноразовыми. 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] Салех и Сон,^[5] и Fraikin et al.,.^[6] Вместе они иллюстрируют различные методы изготовления микрофлюидных или лаборатория на кристалле версии Счетчик сошников технологии.

использованная литература