عداد كولتر

على الرغم من إمكانية تصميم عداد كولتر بطرق متنوعة، إلا أن هناك تكوينين رئيسيين أصبحا الأكثر أهمية من الناحية التجارية: شكل الفتحة وشكل خلية التدفق.

يُعدّ تصميم الفتحة الأكثر استخدامًا في عدادات كولتر التجارية، وهو مناسب لاختبار العينات لأغراض مراقبة الجودة. في هذا التصميم، تُصنع فتحة صغيرة (ثقب) ذات حجم محدد في مادة مثل قرص الجوهرة (المصنوع من نفس مادة محامل الجواهر في الساعات). ^{[ 4 ]} ثم يُثبّت هذا القرص في جدار أنبوب زجاجي، يُسمى أنبوب الفتحة. يُوضع أنبوب الفتحة في سائل موصل بحيث تكون الفتحة مغمورة بالكامل، وتقوم مضخة في أعلى الأنبوب بسحب السائل عبر الفتحة. يمر تيار كهربائي عبر أقطاب كهربائية على جانبي أنبوب الفتحة؛ ولأن الزجاج عازل كهربائي، فإن التيار يمر بالكامل عبر الفتحة. بعد تسجيل البيانات الأساسية، تُضاف العينة المراد تحليلها ببطء إلى السائل الموصل وتُسحب عبر الفتحة. تُسجل التغيرات في الموصلية، الناتجة عن مرور جزيئات العينة عبر الفتحة، على شكل نبضات كهربائية، وتُحلل لتحديد خصائص الجزيئات والعينة ككل.

يُستخدم تصميم خلية التدفق بشكل شائع في أجهزة علم الدم، وبعض أجهزة قياس التدفق الخلوي. في هذا التصميم، تُثبّت أقطاب كهربائية على طرفي قناة التدفق، ويُطبّق المجال الكهربائي عبر القناة. يتيح هذا الترتيب تحليل العينات بشكل مستمر، ويمكن دمجه مع أجهزة أخرى (عند تزويدها بتدفق غلافي للحفاظ على الجسيمات متمركزة في منتصف قناة التدفق). وهذا يسمح بإجراء قياسات إضافية في الوقت نفسه، مثل فحص الجسيمات باستخدام الليزر. من أبرز عيوب تصميم خلية التدفق ارتفاع تكلفة تصنيعه، وثبات عرض القناة عادةً، بينما يوفر تصميم الفتحة مجموعة واسعة من أحجام الفتحات.

استُخدمت تقنيات الموائع الدقيقة لتطبيق مبدأ كولتر في الكشف عن الجسيمات في المختبرات على رقاقة . تتيح هذه التقنيات تصنيع مسام (ثقوب) أصغر بكثير مما يمكن تحقيقه بسهولة باستخدام تقنية الفتحة التقليدية. وقد سمحت هذه التقنيات، المعروفة باسم " استشعار النبض المقاوم بالموائع الدقيقة" ، بتوسيع نطاق تطبيق مبدأ كولتر ليشمل نطاقًا دون الميكرون ، مما أتاح، على سبيل المثال، الكشف المباشر عن جزيئات الفيروسات في السوائل. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

يمكن توليد نبضات كهربائية شاذة إذا دخلت عدة جسيمات إلى الفتحة في آن واحد. تُعرف هذه الحالة بالتزامن . يحدث هذا لأنه لا توجد طريقة للتأكد من أن النبضة الكبيرة الواحدة ناتجة عن جسيم كبير واحد أو عدة جسيمات صغيرة تدخل الفتحة في وقت واحد. ولمنع حدوث ذلك، يجب أن تكون العينات مخففة بدرجة كافية.

يتغير شكل النبضة الكهربائية المتولدة تبعًا لمسار الجسيم عبر الفتحة. وقد تظهر تشوهات في الإشارة إذا تباينت كثافة المجال الكهربائي عبر قطر الفتحة. وينتج هذا التباين عن كلٍ من الانقباض الفيزيائي للمجال الكهربائي، وتغير سرعة السائل تبعًا للموقع القطري داخل الفتحة. في تصميم خلية التدفق، يُقلل هذا التأثير إلى أدنى حد، إذ يضمن التدفق الغشائي أن يسلك كل جسيم مسارًا متطابقًا تقريبًا عبر خلية التدفق. أما في تصميم الفتحة، فيمكن استخدام خوارزميات معالجة الإشارة لتصحيح التشوهات الناتجة عن مسار الجسيم.

تُعدّ الجسيمات الموصلة مصدر قلق شائع، لكنها نادرًا ما تؤثر على نتائج التجربة. ويعود ذلك إلى أن فرق الموصلية بين معظم المواد الموصلة والأيونات في السائل (المعروف بجهد التفريغ) كبير جدًا، ما يجعل معظم المواد الموصلة تعمل كعوازل في عداد كولتر. ويُطلق على الجهد اللازم لكسر حاجز الجهد هذا اسم جهد الانهيار. أما بالنسبة للمواد عالية الموصلية التي تُشكّل مشكلة، فيمكن خفض الجهد المستخدم في تجربة كولتر إلى ما دون جهد الانهيار (الذي يُمكن تحديده تجريبيًا).

يقيس مبدأ كولتر حجم الجسم، إذ يتناسب اضطراب المجال الكهربائي طرديًا مع حجم الإلكتروليت المزاح من الفتحة. وهذا يُسبب بعض الالتباس لدى من اعتادوا على القياسات البصرية باستخدام المجاهر أو غيرها من الأنظمة التي لا تُظهر سوى بُعدين وتُبين حدود الجسم. أما مبدأ كولتر، فيقيس ثلاثة أبعاد والحجم الذي يُزيحه الجسم.

يستخدم عداد كولتر، الذي اخترعه والاس كولتر، تيارًا مستمرًا لحساب الجسيمات (الخلايا)، ويُنتج نبضات كهربائية تتناسب سعتها مع حجم الخلايا. يمكن تمثيل الخلايا كعوازل كهربائية محاطة بسائل موصل، مما يحجب جزءًا من المسار الكهربائي، وبالتالي يزيد المقاومة المقاسة مؤقتًا. هذا هو نظام القياس الأكثر شيوعًا الذي يعتمد على مبدأ كولتر.

أتاحت التطورات اللاحقة توسيع نطاق المعلومات المُستقاة من استخدام التيار المتردد (AC) لدراسة المعاوقة الكهربائية المعقدة للخلايا بدلاً من مجرد عدّها. ^{[ 9 ]} يمكن حينها نمذجة الخلية تقريبًا على أنها غشاء خلوي عازل يُحيط بسيتوبلازم الخلية ، وهو موصل للكهرباء. يُؤدي رقة الغشاء الخلوي إلى توليد سعة كهربائية بين السيتوبلازم والإلكتروليت المحيط بالخلية. يُمكن قياس المعاوقة الكهربائية عند ترددات مختلفة للتيار المتردد. عند الترددات المنخفضة (أقل بكثير من 1 ميجاهرتز )، تكون المعاوقة مشابهة لمقاومة التيار المستمر. مع ذلك، يُمكن استخدام الترددات الأعلى في نطاق الميجاهرتز لدراسة سُمك الغشاء الخلوي (الذي يُحدد سعته). عند الترددات الأعلى بكثير (أعلى بكثير من 10 ميجاهرتز)، تنخفض معاوقة سعة الغشاء إلى الحد الذي يُصبح فيه الجزء الأكبر من مساهمة السيتوبلازم نفسه في المعاوقة المقاسة (أي أن الغشاء يُصبح " مُختصرًا "). وبالتالي، باستخدام ترددات مختلفة، يمكن للجهاز أن يصبح حساسًا للبنية الداخلية وتكوين الخلايا.  

يُعدّ تحليل خلايا الدم البشرية التطبيقَ الأكثر نجاحًا وأهميةً لجهاز كولتر . وقد استُخدمت هذه التقنية لتشخيص العديد من الأمراض، وهي الطريقة القياسية للحصول على تعداد خلايا الدم الحمراء (RBCs) وتعداد خلايا الدم البيضاء (WBCs)، بالإضافة إلى العديد من المؤشرات الشائعة الأخرى. وعند دمجها مع تقنيات أخرى، مثل الوسم الفلوري وتشتت الضوء، يُمكن لمبدأ كولتر أن يُساعد في إنتاج صورة تفصيلية لخلايا دم المريض.

بالإضافة إلى العد السريري لخلايا الدم (أقطار الخلايا عادة 6-10 ميكرومتر)، فقد أثبت عداد كولتر نفسه كأكثر الطرق المختبرية موثوقية لعد مجموعة واسعة من الخلايا، بدءًا من البكتيريا (أقل من 1 ميكرومتر في الحجم)، والخلايا الدهنية (حوالي 400 ميكرومتر)، والأجسام الجنينية للخلايا الجذعية (حوالي 900 ميكرومتر)، وتجمعات الخلايا النباتية (أكثر من 1200 ميكرومتر).

تُستخدم عدادات كولتر في مجالات متنوعة لقدرتها على قياس الجسيمات بشكل فردي، بغض النظر عن خصائصها البصرية وحساسيتها وموثوقيتها. وقد تم تكييف هذا المبدأ مع النطاق النانوي لإنتاج تقنيات توصيف الجسيمات النانوية المعروفة باسم استشعار النبض المقاوم الميكروفلويدي، بالإضافة إلى مشروع تجاري واحد يبيع تقنية تُسمى استشعار النبض المقاوم القابل للضبط (TRPS). تُمكّن تقنية TRPS من إجراء تحليل عالي الدقة لمجموعة متنوعة من الجسيمات النانوية، بما في ذلك جسيمات توصيل الأدوية الوظيفية ، والجسيمات الشبيهة بالفيروسات (VLPs)، والليبوسومات ، والإكسوسومات ، والجسيمات النانوية البوليمرية ، والفقاعات الدقيقة .