콜터 카운터

Coulter counter
쿨터 원리 - 과도 전류 강하는 입자 부피에 비례합니다.
완충액에 있는 쿨터 카운터의 팁으로, 용액에 있는 셀을 카운트합니다.

콜터[1][2] 카운터는 전해액에 부유된 입자를 계수하고 사이징하는 장치이다.Coulter 원리 및 이를 기반으로 하는 Coulter 카운터는 저항성 펄스 감지 또는 전기 영역 감지라고 알려진 기술의 상용 용어입니다.

일반적인 콜터 카운터에는 전해질 용액이 포함된 두 개의 챔버를 분리하는 하나 이상의 마이크로 채널이 있습니다.액체를 포함한 입자 또는 셀이 각 마이크로채널을 통해 흡입되면 각 입자는 액체의 전기저항에 짧은 변화를 일으킵니다.카운터는 이러한 전기 저항의 변화를 감지합니다.

콜터 원리

쿨터 원리는 오리피스를 통해 당겨진 입자가 전류와 동시에 오리피스를 통과하는 입자의 부피에 비례하는 임피던스의 변화를 발생시킨다고 말합니다.임피던스에서의 이 펄스는 입자에 의한 전해액의 변위로부터 발생합니다.콜터 원리는 그 발명가인 월러스 H. 콜터의 이름을 따서 지어졌다.이 원리는 의료 산업, 특히 혈액학에서 상업적으로 성공을 거두었습니다. 이 원리는 전혈을 구성하는 다양한 세포를 세고 크기를 조정하는 데 적용될 수 있습니다.

전도성이 낮은 입자인 셀은 전도성 마이크로채널의 유효 단면을 변화시킵니다.이러한 입자가 주변 액체 매체보다 전도성이 낮으면 채널 전체의 전기 저항이 증가하여 채널을 통과하는 전류가 잠시 감소합니다.이러한 전류중의 펄스를 감시하는 것으로, 소정의 부피의 유체의 입자수를 카운트 할 수 있다.전류 변화의 크기는 입자의 크기와 관련이 있으므로 입자의 크기 분포를 측정할 수 있으며, 이는 입자의 이동성, 표면 전하 및 농도와 관련이 있을 수 있습니다.

Coulter 카운터는 오늘날 병원 실험실의 중요한 구성 요소입니다.주요 기능은 전체 혈액 수(종종 CBC라고 함)를 빠르고 정확하게 분석하는 것입니다.CBC는 체내 백혈구와 적혈구의 수와 비율을 결정하기 위해 사용된다.이전에 이 절차는 말초 혈액 도말기를 준비하고 현미경으로 각 유형의 세포를 수동으로 세는 것을 포함했는데, 이 과정은 보통 30분이 걸렸다.

콜터 카운터는 페인트, 세라믹, 유리, 용융 금속 및 식품 제조 등 다양한 용도로 사용됩니다.또한 품질 관리를 위해 정기적으로 고용됩니다.

Coulter 카운터는 최초의 세포 선별기 개발에 중요한 역할을 했으며, 흐름 세포 측정법 개발 초기에 관여했다.오늘날에도 일부 흐름 세포계는 Coulter 원리를 이용하여 세포 크기와 개수에 대한 매우 정확한 정보를 제공합니다.

많은 조사자들이 Coulter 원칙에 따라 다양한 장치를 설계하고 이러한 장치의 데이터를 다루는 동료 검토 출판물을 만들었습니다.이 장치들 중 몇 개도 상용화 되었다.쿨터 원리의 모든 구현은 감도, 소음 차폐, 용매 호환성, 측정 속도, 샘플 부피, 동적 범위 및 장치 제조의 신뢰성 사이의 트레이드오프를 특징으로 합니다.

발전

Coulter는 Coulter 원리의 몇 가지 다른 구현에 대해 특허를 취득했습니다.미국 특허 번호 2,656,508에서 가져온 이미지.

Wallace H. Coulter는 비록 특허가 1953년 10월 20일까지 주어지지 않았지만 1940년대 말에 Coulter 원리를 발견했습니다.콜터는 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄의 영향을 받았다.이러한 사건들은 Coulter가 혈액 세포 분석을 단순화하고 개선하도록 동기를 부여하여 핵전쟁의 [3]경우에 필요한 많은 인구를 신속하게 선별할 수 있도록 했다.이 프로젝트의 일부 자금은 해군 [4][5]연구소에서 수여한 보조금에서 나왔다.

Coulter는 미국 특허 번호 2,656,508 "유체에 부유된 입자를 세는 방법"을 받았습니다.Coolter 원리는 Coolter 카운터에서 가장 일반적으로 사용됩니다. Coolter 카운터는 셀 카운트 등의 특정 작업을 위해 설계된 분석 기기입니다.그러나 콜터 원리를 구현하는 방법은 여러 가지가 있습니다.이들 중 몇몇은 시도되었고, 일부는 상업적 성공을 거뒀고, 일부는 순전히 학문적 연구를 위해 시도되었다.현재까지 콜터 원리의 가장 성공적인 적용은 혈액학에서 이루어졌으며, 여기서 환자의 혈구에 대한 정보를 얻는 데 사용됩니다.

최초의 상업용 콜터 카운터

쿨터 원리는 전기장에서 움직이는 입자가 그 분야에서 측정 가능한 장애를 일으킨다는 사실에 의존합니다.이러한 교란의 크기는 필드 내 입자의 크기에 비례합니다.Coulter는 이 현상의 실제 적용에 필요한 몇 가지 요건을 확인하였습니다.우선, 입자는 전도성 액체 속에 현탁되어야 한다.다음으로, 전기장의 입자의 이동이 전류에 감지할 수 있는 변화를 일으키도록 전기장을 물리적으로 제한해야 합니다.마지막으로, 입자는 한 번에 한 개만 물리적 제약을 통과하도록 충분히 희석되어야 하며, 우연으로 알려진 아티팩트를 방지해야 합니다.

콜터 원리는 다양한 디자인으로 구현될 수 있지만, 가장 상업적으로 관련이 있는 것이 두 가지가 있습니다.여기에는 조리개 형식과 플로우 셀 형식이 포함됩니다.위 그림은 Coulter가 특허를 취득한 몇 가지 다른 기하학적 구조를 보여줍니다.

조리개 형식

조리개 형식은 대부분의 상용 콜터 카운터에서 사용됩니다.이 셋업에서는 특수 제조 공정을 사용하여 보석 원반([4]시계의 보석 베어링과 같은 재질)에 정해진 크기의 구멍을 만듭니다.그 결과 생긴 구멍은 유리 튜브의 벽에 박혀서 흔히 구멍 튜브라고 불리는 것을 만듭니다.사용 중 개구관은 보석 디스크가 완전히 잠기고 튜브에 액체가 채워질 수 있도록 액체에 담근다.전극은 개구 튜브 내부와 외부에 모두 배치되어 전류가 개구부를 통해 흐를 수 있습니다.펌프는 튜브의 꼭대기에 진공이 생기도록 하는데 사용되며, 이 진공은 구멍을 통해 액체를 끌어당깁니다.다음으로 분석 대상 시료를 개구관을 둘러싼 도전액에 천천히 첨가한다.실험이 시작되면 전계가 켜지고 펌프가 구멍을 통해 희석된 현탁액을 끌어당기기 시작합니다.결과 데이터는 입자가 구멍을 통과할 때 발생하는 전기 펄스를 기록함으로써 수집됩니다.

조리개 형식의 기본적인 물리적 설정은 모든 콜터 카운터에서 일관되지만, 구현된 신호 처리 회로의 기능에 따라 데이터의 양과 품질이 크게 다릅니다.예를 들어, 노이즈 임계값이 낮고 다이내믹 범위가 큰 앰프는 시스템의 감도를 높일 수 있습니다.마찬가지로 빈 폭이 가변적인 디지털 펄스 높이 분석기는 고정 빈을 사용하는 아날로그 분석기와 달리 훨씬 더 높은 분해능 데이터를 제공합니다.또한 Coulter 카운터를 디지털컴퓨터와 결합하면 많은 전기펄스 특성을 캡처할 수 있는 반면 아날로그 카운터는 일반적으로 각 펄스에 대한 훨씬 제한된 양의 정보를 저장합니다.

플로우 셀 형식

플로우 셀 형식은 혈액학 기기에 가장 일반적으로 구현되며 때로는 플로우 셀미터에 구현되기도 합니다.이 형식에서는 전극이 유로 양 끝에 삽입되어 채널을 통해 전계가 인가된다.이 형식은 조리개 형식과 달리 몇 가지 장점이 있습니다.이 배열에서는 연속적인 샘플 분석이 가능한 반면 조리개 형식은 싱글 배치 형식입니다.또한 플로우 셀을 사용하면 시스 플로우를 추가할 수 있어 플로우 채널 중간에 입자가 집중된다.이를 통해 레이저로 물체를 프로빙하는 것과 같은 측정을 동시에 수행할 수 있습니다.플로우 셀 포맷의 주요 단점은 제조 비용이 훨씬 비싸고 일반적으로 1채널 폭에 고정되어 있는 반면 조리개 포맷은 다양한 조리개 크기를 제공한다는 것입니다.

마이크로 유체 버전

Coulter 원리는 기존의 Coulter 카운터를 제작하는 데 사용된 벌크 방법보다 훨씬 더 작은 기공을 제작할 수 있는 미세 유체학 접근방식을 사용하여 입자 검출을 위한 랩 온 칩 접근방식에 적용되어 왔습니다.일반적인 어구인 마이크로유체 저항성 펄스 센싱으로 알려진 이러한 접근방식은 쿨터 원리를 깊은 서브미크론 범위로 확장하여 예를 들어 [6]유체 내의 바이러스 입자를 직접 검출할 수 있게 했습니다.[7] [8]

실험상의 고려 사항

우연의 일치

시료의 농도가 너무 높아 여러 입자가 동시에 구멍에 들어가면 비정상적인 전기 펄스가 발생할 수 있다.이 상황은 우연의 일치로 알려져 있다.이는 하나의 큰 펄스가 하나의 큰 입자 또는 여러 개의 작은 입자가 동시에 개구부에 진입한 결과라고 보장할 수 없기 때문입니다.이러한 상황을 방지하려면 시료를 상당히 희석해야 합니다.

입자 경로

생성되는 전기 펄스의 모양은 구멍을 통과하는 입자 경로에 따라 달라집니다.숄더 및 기타 아티팩트는 전계 밀도가 구멍의 직경에 따라 다르기 때문에 발생할 수 있습니다.이러한 분산은 전기장의 물리적 수축과 개구부의 반경 위치에 따라 액체 속도가 변하기 때문에 발생합니다.플로우 셀 형식에서는 시스 플로우가 각 입자가 플로우 셀을 통해 거의 동일한 경로를 이동하도록 하기 때문에 이 효과가 최소화됩니다.조리개 형식에서는 신호 처리 알고리즘을 사용하여 입자 경로에서 발생하는 아티팩트를 보정할 수 있다.

전도성 입자

전도성 입자는 콜터 원리를 고려하는 개인에게 공통적인 관심사입니다.이 주제는 몇 가지 과학적 의문을 제기하지만, 실질적으로 실험 결과에 영향을 미치는 경우는 거의 없습니다.이는 대부분의 전도성 물질과 액체 내 이온(방전 전위라고 함) 간의 전도율 차이가 너무 커서 대부분의 전도성 물질이 쿨터 카운터에서 절연체 역할을 하기 때문입니다.이 전위장벽을 파괴하는 데 필요한 전압을 파괴전압이라고 합니다.문제가 있는 고전도성 재료의 경우, 쿨터 실험 중에 사용되는 전압을 파괴 전위 이하로 줄여야 합니다(경험적으로 판단할 수 있습니다).

다공질 입자

콜터 원리는 전기장의 교란이 조리개로부터 변위된 전해액의 부피에 비례하기 때문에 물체의 부피를 측정합니다.이것은 현미경이나 2차원만 보고 물체의 경계를 보여주는 다른 시스템에서 광학적 측정에 익숙한 사람들 사이에서 혼란을 야기한다.반면 콜터 원리는 물체에 의해 변위된 부피와 3차원을 측정합니다.스펀지를 떠올리는 것이 가장 유용합니다. 젖은 스펀지는 매우 커 보일 수 있지만 같은 치수의 고체 벽돌보다 훨씬 적은 액체를 대체할 수 있습니다.

직류 및 교류

Wallace Coulter에 의해 발명된 Coulter 카운터는 입자(셀)를 카운트하기 위해 직류(DC)를 인가하고 셀 크기에 따라 진폭의 전기 펄스를 생성합니다.셀은 전기 경로의 일부를 차단하는 전도성 액체로 둘러싸인 전기 절연체로 모델링되어 측정된 저항을 순간적으로 증가시킬 수 있습니다.이것은 쿨터 원리를 이용한 가장 일반적인 측정 시스템입니다.

후속 발명품들은 셀의 [9]크기뿐만 아니라 복잡한 전기 임피던스를 조사하기 위해 교류(AC)를 사용하여 얻은 정보를 확장할 수 있었다.그러면 세포는 전도성이 있는 세포질을 둘러싼 절연 세포막으로 대략 모델링될 수 있습니다.세포막의 얇은 두께는 세포질과 세포를 둘러싼 전해질 사이에 전기 캐패시턴스를 생성합니다.그런 다음 하나 이상의 AC 주파수로 전기적 임피던스를 측정할 수 있습니다.저주파수(1MHz 미만)에서는 임피던스는 DC 저항과 비슷합니다.그러나 MHz 범위에서 주파수가 높을 경우 셀 막 두께를 프로브합니다(이 두께는 해당 캐패시턴스를 결정합니다).그러나 훨씬 높은 주파수(10MHz를 훨씬 초과)에서는 막 캐패시턴스의 임피던스는 세포질 자체에서 측정 임피던스에 더 큰 기여를 하는 지점까지 떨어집니다(막은 기본적으로 "단락"됩니다).따라서 다른 주파수를 사용하면 장치는 셀의 카운터보다 훨씬 더 커지며 셀의 내부 구조와 구성에 민감합니다.

주요 응용 프로그램

영국 쿨터 일렉트로닉스사가 제조한 콜터 카운터(1960년)

혈액학

콜터 원리의 가장 성공적이고 중요한 적용은 인간 혈구의 특성화이다.이 기술은 다양한 질병을 진단하기 위해 사용되어 왔으며 적혈구 수(RBCs)와 백혈구 수(WBCs) 및 기타 몇 가지 일반적인 매개변수를 얻기 위한 표준 방법입니다.형광 태그 부착 및 빛 산란과 같은 다른 기술과 결합할 때, Coulter 원리는 환자의 혈액 세포에 대한 자세한 프로필을 만드는 데 도움을 줄 수 있습니다.

셀 수 및 크기

혈액 세포의 임상 계산(세포는 직경이 보통 6–10 micrometres)외에도, 콜터 원칙, 박테리아로부터(<>, 크기에 1마이크로 미터), 지방 세포,(약 400micrometres)식물 세포군(>1200micrometres) 이르기까지 세포의 다양한 계산에 가장 신뢰할 만한 실험실 방법으로, ofst위상을 확립했다전각 cell 배아체(약 900마이크로미터)

입자 특성 분석

Coulter 원리는 세포 연구를 훨씬 뛰어넘는 응용 분야에 유용한 것으로 입증되었습니다.입자를 개별적으로 측정하고 광학 특성에 의존하지 않으며 매우 민감하며 매우 재현성이 뛰어나다는 점은 다양한 분야에 어필하고 있습니다.그 결과 쿨터 원리는 미세유체저항펄스센싱으로 알려진 나노입자 특성화 기술뿐만 아니라 조정가능한 저항펄스센싱(TRPS)이라고 하는 기술을 판매하는 상업용 벤처도 생산하기 위해 나노입자 i의 다양한 세트의 고충실도 분석을 가능하게 한다.기능성 약물 전달 나노 입자, 바이러스 유사 입자(VLP), 리포좀, 엑소좀, 고분자 나노 입자 및 마이크로 버블 제외.

콜터 카운터 모델 ZK


「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ W. R. Hogg, W. Coulter. 입자 계통의 분할 입자 크기를 측정하는 장치 및 방법미국 특허 3557352
  2. ^ 미국 특허 7,397,232 콜터 카운터
  3. ^ Graham, Marshall (2020-01-01). "THE COULTER PRINCIPLE: FOR THE GOOD OF HUMANKIND". Theses and Dissertations--History. doi:10.13023/etd.2020.495.
  4. ^ a b Marshall Don. Graham (2003). "The Coulter Principle: Foundation of an Industry". Journal of Laboratory Automation. 8 (6): 72–81. doi:10.1016/S1535-5535-03-00023-6.
  5. ^ Purdue University Cytometry Labs가 제작한 DVD 시리즈인 Cytometry volume 10 http://www.cyto.purdue.edu/cdroms/cyto10a/seminalcontributions/coulter.html
  6. ^ J. J. 카시아노비치 외.."막 채널을 이용한 개별 폴리뉴클레오티드 분자의 특성 분석", P. Natl.아카데미, 과학.USA 93,13770–13773 (1996년)
  7. ^ O. Saleh 및 L. L. Son, "분자 감지를 위한 인공 나노포어", Nano Lett. 3, 37–38 (2003)
  8. ^ J.-L. 프라이킨, T.Teesalu, C. M. McKenney, E. Ruoslahti 및 A.N. Cleland, "고 스루풋 라벨 프리 나노 입자 분석기", Nature 나노 테크놀로지 6, 308–313 (2011)
  9. ^ Youchun Xu; XinwuXie; Yong Duan; Lei Wang; Zhen Cheng; Jing Cheng (15 March 2016). "A review of impedance measurements of whole cells". Biosensors and Bioelectronics. 77: 824–836. doi:10.1016/j.bios.2015.10.027. PMID 26513290.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 Coulter 카운터와 관련된 미디어가 있습니다.
  • https://web.archive.org/web/20080424022037/http://web.mit.edu/invent/iow/coulter.html
  • US 2656508 유체에 부유된 입자를 세는 방법, 1953년 10월 20일, Wallace H. Coulter
  • "분자 감지를 위해 동적으로 크기가 조정 가능한 나노미터 크기의 구멍"; Stephen J. Sowerby, Murray F.빗자루, 조지 B.Petersen; 센서 및 액추에이터 B: 화학 제123권, 제1호(2007년), 325–330페이지