Principi Coulter

L'inventor Wallace Coulter va patentar vàries aplicacions diferents del Principi Coulter. Image presa de la palesa d'Estats Units #2,656,508.

El terme principi Coulter fa referència a l'us d'un camp elèctric per a contar i dimensionar partícules que es troben en suspensió en un líquit conductor. La frase va ser falcada quan Wallace H. Coulter va obtindre la Palesa de EE. UU. # 2,656,508, baix el títul Mijos per a contar partícules suspeses en un decorregut. El principi Coulter té la seua principal aplicació en els Contadors Coulter®, que són instruments dissenyats per a realisar una tasca específica tal com el reconte de cèlules sanguínees. No obstant, existixen moltes atres implementacions pràctiques del principi Coulter. Vàries d'estes aplicacions han segut posades en pràctica, algunes en èxit comercial, i algunes exclusivament per a l'investigació acadèmica. Fins a la data, l'aplicació de major èxit comercial del principi Coulter és en hematologia, a on s'utilisa per a obtindre informació sobre les cèlules sanguínees de pacients. Si ben el principi de Coulter i els contadors Coulter han aparegut en mils d'artículs d'investigació durant les últimes cinc décades, la majoria de les persones desconeixen la seua existència a menos que hagen tingut una experiència personal en este tipo de contadors en un entorn de laboratori.

Descripció general del principi

Archiu:Particle Transit Channel.gif

Principi Coulter. L'aument transitori en l'Impedència a través del canal pel que circula una corrent elèctrica és proporcional al volum ocupat en cada instant de temps per la partícula que ho travessa. O en atres paraules, el volum de la partícula és proporcional a l'àrea baix la curva de R vs T.

El principi Coulter es recolza en el fet de que partícules movent-se en un camp elèctric causen disturbis mensurables en eixe camp. La magnitut d'estos disturbis són proporcionals al tamany de les partícules immerses en el camp. Coulter va identificar varis requeriments necessaris per a l'aplicació pràctica d'este fenomen. Primer, va considerar que les partícules deurien trobar-se suspeses en un líquit conductor. Segon, que el camp elèctric deuria trobar-se físicament restringit, de modo que el moviment de les partícules sumergides en el camp causaren canvis detectables en la corrent. I finalment, que les partícules devien trobar-se lo suficientment diluïdes com per a travessar una al mateix temps la regió de restricció física, prevenint d'esta manera un artefacte conegut com a coincidència.

En llínees generals el principi Coulter indica una partícula que és forçada a travessar un orifici, pel que circula una corrent elèctrica, produïx un canvi en l'impedència a través de l'orifici que és proporcional al volum de la partícula que està travessant eixe orifici. Este pols en l'impedència s'origina pel desplaçament de electrolito causat per la partícula, ya que en les solucions electrolítcas la càrrega és transportada pels ions dissolts, i estos troben un impediment a circular quan una partícula obstruïx parcialment l'obertura.

Implementacions típiques

Encara que el principi Coulter pot ser implementat en una varietat de dissenys, existixen dos que han resultat els més rellevants comercialment. Estes dos implementacions són conegudes com a format d'obertura i format de fluix de cèlules. La figura de dalt mostra vàries atres geometria que Coulter també va patentar.

Format d'obertura

Archiu:Coulter-counter hg.jpg

Contador Coulter de Coulter Electronics Ltd.

El format d'obertura és el que s'utilisa en la majoria dels contadors Coulter. En esta disposició, es practica un orifici de tamany definit (usualment en el ranc de 10-100 micrómetros de diàmetro) en un menut disc de safir. La làmina que conté el disc en l'obertura es coloca després obturando un orifici en un tubo de vidre que fa les voltes de segona cambra del contador. El producte d'este procés és comunament conegut com a tubo d'obertura. En la seua disposició final, el tubo d'obertura se sumergix en un atre recipient que conté la solució de partícules de modo que la làmina en l'orifici d'obertura queda completament sumergida en la solució i el tubo pot omplir-se de líquit. Els electrodos es coloquen dins i fòra del tubo d'obertura, lo que permet medir la corrent que circula a través de l'obertura. S'utilisa una bomba de buit per a crear un buit parcial en la boca del tubo d'obertura, lo que obliga al líquit a moure's des de la cambra exterior cap al tubo travessant l'orifici. Les senyes resultants s'arrepleguen gravant els polsos elèctrics generats quan les partícules travessen l'obertura.

Encara que la disposició bàsica del format d'obertura és consistent en tots els contadors Coulter, la cantitat i calitat de les senyes obtingudes varien en gran mida en funció del circuit de processament de senyal implementat. Per eixemple, els amplificadors de molt baix soroll i gran ranc dinàmic són capaços d'incrementar en gran medida la sensibilitat del sistema. De manera similar, els analisadors digitals d'altura de pols en amples de caixa variables proveïxen una resolució molt major que els seus homòlecs analògics. Ademés, en combinar un contador Coulter en un sistema computacional, és possible capturar moltes atres característiques del pols, mentres que els contadors analògics per lo general almagasenen molta menys informació sobre cada pols.

Format de fluix de cèlules

Este tipo de format és el que més comunament s'ampra en els instruments hematológicos i en alguns tipos de citómetros de fluix, en este format els electrodos es troben units a cada u dels extrems del canal de fluix i el camp elèctric és aplicat a través del canal. Este format posseïx vàries ventages sobre el format d'obertura. Este apany permet un anàlisis de mostres continu, mentres que el format d'obertura servix únicament per a processaments d'una mostra al mateix temps. És més l'us d'un format de fluix de cèlules permet l'adició d'un mecanisme que facilite el fluix laminar dins del canal, la qual cosa permet mantindre a les partícules a ser medides circulant exactament pel centre del mateix (Este mecanisme és anomenat a voltes enfocament hidrodinàmic). L'utilisació de canals en fluix laminar prevé molts dels fenomens que alteren les medicions en un format d'obertura tal com el fenomen de coincidència, i ademés permet implementar vàries medicions simultànees, per eixemple en allumenar la partícula simultàneament en llum làser. Les majors desventages del format de fluix de cèlules és que resulta molt més costós de fabricar i típicament es troba llimitat a un únic tamany de canal, mentres que el format d'obertura oferix una varietat de tamanys d'orifici diferents.

Consideracions experimentals

Coincidència

Es poden produir polsos elèctrics anómals si la concentració de la mostra és tan alta que existix la possibilitat de que vàries partícules entren a l'obertura simultàneament. Esta situació es coneix com a coincidència. El problema sorgix de l'impossibilitat d'assegurar que un únic pols de gran tamany siga el resultat d'una única partícula gran o de múltiples partícules de menut tamany entrant a l'obertura simultàneament. Per a evitar esta situació per lo general es fa una dilució prèvia de les mostres.

Trayectòria de la partícula

La forma del pols elèctric generat varia en la trayectòria que seguix la partícula en travessar l'obertura. Es poden produir artefactes degut a que la densitat del camp elèctric no és uniforme a lo llarc del diàmetro de l'obertura. És per açò que la trayectòria de la partícula a través del camp elèctric impacta en la forma del pols elèctric generat. Esta variació és el resultat de la constricció física del camp i del fet de que la velocitat del líquit varia en funció de la seua localisació radial en l'obertura. En el format del fluix de cèlules, este efecte es minimisa ya que el fluix laminar assegura que cada partícula simple descriga casi el mateix camí a través del canal de fluix. L'els formats d'obertura, s'utilisen algoritmes de processament de senyal per a corregir els artefactes sorgits de la trayectòria de la partícula.

Partícules conductivas

Les partícules conductores són un problema teòric comú per a els qui consideren fer us del principi Coulter. Si ben este tema planteja interessants qüestions científiques, en la pràctica, rara volta afecta els resultats d'un experiment. Açò és per la diferència de conductivitat entre la majoria dels materials conductors i els ions dissolts en el líquit (usualment referit com a potencial de descàrrega) és tan gran que la majoria dels materials conductors actuen com si foren aïllants en ser medits en un contador Coulter. La tensió necessària per a trencar esta barrera de potencial es coneix com a voltage de ruptura. Per a aquells materials altament conductors que presenten un problema, el voltage utilisat durant un experiment de Coulter es deu reduir per baix del potencial de ruptura (açò pot ser determinat empíricamente).

Partícules porosas

El principi Coulter medix el volum d'un objecte, ya que el destorbament en el camp elèctric és proporcional al volum d'electròlit desplaçat de l'obertura. Açò dona lloc a una certa confusió entre aquells que estan acostumats a les medicions òptiques baix microscopi o per mig d'atres sistemes que només registren dos dimensions i els llímits d'un objecte. El principi Coulter, per un atre costat medix tres dimensions i el volum desplaçat per l'objecte, no els seus llímits aparents. Per a salvar estes diferències resulta molt útil pensar en esponges, inclús encara que una esponja humida pot semblar molt gran, desplaça significativament menys líquit que una rajola massiça de les mateixes dimensions.

Corrent contínua vs corrent alterna

En la majoria dels contadors Coulter utilisats en els laboratoris d'investigació i celulars s'utilisa corrent contínua. Les medicions baix corrent contínua són útils per a una gran varietat de partícules i permeten una adquisició i processament de senyes més simple. Les medicions baix corrent alterna a voltes s'utilisen en instruments d'hematologia clínica. Açò és per la naturalea particular de les membranes celulars; a baixes freqüències (per baix de 500 kHz), les medicions baix corrent alterna i contínua es comporten essencialment de la mateixa manera. A freqüències intermiges (500 kHz-6MHZ), la membrana plasmática de les cèlules es polarisa, lo que conduïx a una disminució de la capacitat dels sistemes de medició. No obstant, a altes freqüències (6-20 MHz), la membrana celular pert la seua polarisació, comportant-se en forma capacitiva, per lo que els impulsos elèctrics proporcionen informació sobre la citoplasma de la cèlula.