Detección de pulsos resistivos

La detección de pulsos resistivos ( RPS ) es el término genérico, 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. Inventada por primera vez por Wallace H. Coulter en 1953, ^[1] la técnica RPS es el principio básico detrás del Principio de Coulter , que es un término de marca registrada. La detección de pulsos resistivos también se conoce como la técnica de detección de zonas eléctricas , lo que refleja su naturaleza fundamentalmente eléctrica, que la distingue de otras tecnologías de dimensionamiento de partículas, como la dispersión de luz dinámica (DLS) basada en la óptica 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 . ^[2]

El principio de diseño básico que subyace a la detección de pulsos resistivos se muestra en la figura 1. Las partículas individuales, suspendidas en un fluido conductor, fluyen de una en una a través de una constricción. Los fluidos más comúnmente utilizados son 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 una conductividad eléctrica en el rango mS-S y concentraciones de sal del orden del 1 por ciento. El agua corriente típica a menudo contiene suficientes minerales disueltos para conducir adecuadamente también para esta aplicación.

El contacto eléctrico con el fluido se realiza mediante electrodos metálicos, en el mejor de los casos utilizando platino u otros metales de bajo potencial de electrodo , como los que se encuentran en las construcciones de celdas electroquímicas . La polarización 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 en 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 dará como resultado un aumento en la caída de voltaje entre los dos electrodos. En otras palabras, la partícula causa 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.

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. ^[3] De Blois y Bean encontraron el resultado muy simple de que el cambio de resistencia es proporcional a la relación entre el volumen de la partícula y el volumen efectivo de la constricción: , donde es un factor que depende de la geometría detallada de la constricción y de la conductividad eléctrica del fluido de trabajo.${\displaystyle \Delta R}$$Estilo de visualización V_{p}$$Estilo de visualización Vc$${\displaystyle \Delta R=A{\frac {V_{p}}{V_{c}}}}$${\estilo de visualización A}$

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, ya que la magnitud del cambio de resistencia durante el paso de la partícula es proporcional al volumen de esa partícula. Como generalmente se puede calcular el caudal volumétrico del 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 transitorios de partículas para proporcionar una significancia 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 partícula de volumen.

Dos consideraciones importantes al evaluar un instrumento de detección de pulsos resistivos (RPS) son el tamaño mínimo detectable de las partículas 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 la partícula. En otras palabras, se debe evaluar la relación mínima señal-ruido del sistema. El tamaño mínimo de las partículas se puede definir como el tamaño de la partícula que genera una señal cuya magnitud es igual al ruido, integrado sobre el mismo ancho de banda de frecuencia que el generado por la señal. El rango dinámico de un instrumento RPS se establece en su extremo superior por el diámetro de la constricción, ya que ese es el tamaño máximo de partícula que puede pasar a través de la constricción. También se puede elegir un máximo algo más pequeño, tal vez estableciéndolo en el 70 por ciento de este volumen máximo. El rango dinámico es entonces igual a la relación entre el tamaño máximo de las partículas y el tamaño mínimo detectable. Esta relación puede expresarse 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).$Estilo de visualización Vc$

El contador Coulter original se diseñó originalmente utilizando una tecnología especial para fabricar pequeños poros 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 se podían fabricar de manera confiable, lo que hace que la técnica RPS sea difícil de usar para partículas de menos de aproximadamente 1 micrón de diámetro.

Por lo tanto, hubo un interés significativo en aplicar las técnicas de fabricación desarrolladas para circuitos microfluídicos a la detección RPS. Esta traducción de la tecnología RPS al dominio microfluídico permite constricciones muy pequeñas, muy por debajo de los diámetros efectivos de 1 micrón; esto, por lo tanto, extiende el tamaño mínimo detectable de partículas al rango profundo de submicrones. El uso de la tecnología microfluídica también permite el uso de piezas de plástico o elastómero fundidas económicas para definir el componente de constricción crítico, que también se vuelven desechables. El uso de un elemento desechable elimina las preocupaciones sobre la contaminación cruzada de muestras, así como la necesidad de una limpieza que consume mucho tiempo del instrumento RPS. Los avances científicos que demuestran estas capacidades se han publicado en la literatura científica, como por ejemplo por Kasianowicz et al., ^[4] Saleh y Sohn, ^[5] y Fraikin et al. ^[6]. Estos juntos ilustran una variedad de métodos para fabricar versiones microfluídicas o de laboratorio en un chip de la tecnología del contador Coulter.