コールターカウンター

コールターカウンタ^{[1] [2]は、}電解質中に浮遊する粒子を数え、サイズを測定する装置です。コールターカウンタは、抵抗パルスセンシングまたは電気ゾーンセンシングとして知られる技術の商用用語です。この装置は、発明者であるウォレス・H・コールターにちなんで名付けられたコールター原理に基づいています。

一般的なコールター カウンターには、電解質溶液を含む 2 つのチャンバーを分離する1 つ以上のマイクロチャネルがあります。粒子または細胞を含む液体がマイクロチャネルを通過すると、各粒子によって液体の電気抵抗が短時間変化します。カウンターは、この電気抵抗の変化を検出します。

コールター原理は、電流と同時にオリフィスを通って引き込まれた粒子が、オリフィスを通過する粒子の体積に比例したインピーダンスの変化を生成することを述べています。このインピーダンスのパルスは、粒子によって引き起こされる電解質の変位によって発生します。

コールター原理は、電界内を移動する粒子が電界内に測定可能な乱れを引き起こすという事実に基づいています。乱れの大きさは電界内の粒子のサイズに比例します。コールターは、この現象を実際に応用するために必要ないくつかの要件を特定しました。

• 粒子は導電性液体に懸濁されている必要があります。
• 電界は物理的に制限されなければならず、それによって電界内の粒子の動きが電流に検出可能な変化を引き起こす必要があります。
• 粒子は、一度に 1 つだけが物理的な狭窄部を通過できるように十分に希釈される必要があります。

複数の粒子が同時に狭窄部を通過すると、それらのインピーダンス プロファイルが重なり合い、同時発生と呼ばれるアーティファクトが発生します。装置は 1 つの大きな粒子と複数の重なり合った小さな粒子を区別することができず、結果のデータに異常が生じます。

コールター原理に基づいて、さまざまな実験装置が設計されています。これらの装置のいくつかは商品化されており、最もよく知られている用途は医療業界、特に血液学で全血を構成するさまざまな細胞を数え、サイズを測定することです。コールター原理のすべての実装では、感度、ノイズシールド、溶媒適合性、測定速度、サンプル量、ダイナミック レンジ、および装置製造の信頼性の間で妥協が必要です。

ウォレス・H・コールターは1940年代後半にコールター原理を発見したが、特許が認められたのは1953年10月20日のことだった。コールターは広島と長崎に投下された原爆の影響を受け、核戦争の際に必要となる大規模スクリーニングに使用するために全血球計算を改良し、合理化しようと考えた。^{[3]このプロジェクトの資金の一部は}海軍研究局からの助成金から提供された。^{[4] [5]}

Coulter は、米国特許番号 2,656,508「流体中に浮遊する粒子を計数する手段」を取得しました。この Coulter カウンタは、特定のタスク、最も一般的なのは細胞を計数するために Coulter 原理を採用した分析機器です。Coulter 原理の最も商業的に成功した応用分野は血液学で、患者の血球に関する情報を取得するために使用されています。Coulter カウンタは、塗料、セラミック、ガラス、金属、食品の加工および製造にも使用できます。また、品質管理にも日常的に使用されています。

導電性の低い粒子である細胞は、導電性マイクロチャネルの有効断面積を変えます。これらの粒子が周囲の液体媒体よりも導電性が低い場合、チャネル全体の電気抵抗が増加し、チャネルを通過する電流が一時的に減少します。このような電流パルスを監視することで、所定の体積の流体の粒子数をカウントできます。電流変化の大きさは粒子のサイズに関連しているため、粒子サイズ分布を測定でき、粒子の 移動度、表面電荷、および濃度と相関させることができます。

取得されるデータの量と品質は、コールター カウンターの信号処理回路の機能によって大きく異なります。ノイズしきい値が低く、ダイナミック レンジが広いアンプを使用すると、システムの感度を高めることができます。また、可変ビン幅のデジタルパルス高さ分析器は、固定ビンのアナログ分析器に比べて、はるかに高い解像度のデータを提供します。コールター カウンターをデジタル コンピューターと組み合わせると、多くの電気パルス特性をキャプチャして分析できますが、アナログ カウンターは通常、各パルスに関する情報を限られた量しか保存しません。

電流検出器の感度が高まり、価格が下がるにつれて、コールター カウンターは、全血球数(CBC)を迅速かつ正確に分析するための一般的な病院の検査機器になりました。CBC は、体内の白血球と赤血球の数または割合を判定するために使用されます。以前は、この手順では、末梢血塗抹標本を準備し、顕微鏡下で各タイプの細胞を手動で数える必要があり、通常 30 分を要していました。

コールターカウンターは、最初の細胞選別装置の開発に重要な役割を果たし、フローサイトメトリーの初期の開発にも関与しました。一部のフローサイトメーターは、細胞のサイズと数に関する情報を提供するために、コールター原理を引き続き利用しています。

コールター カウンターはさまざまな方法で設計できますが、商業的に最も関連性の高い構成は主に 2 つあります。アパーチャ形式とフロー セル形式です。

アパーチャ形式は、市販のコールターカウンターで最もよく使用される構成で、品質管理のためのサンプルのテストに適しています。この設定では、特定のサイズの小さなアパーチャ（穴）がジュエルディスク（時計のジュエルベアリングと同じ素材で作られています）などの素材に作成されます。 ^[4]このディスクは、ガラス管の壁に埋め込まれ、アパーチャチューブと呼ばれます。アパーチャチューブは、アパーチャが完全に浸るように導電性液体に配置され、チューブの上部にあるポンプが液体をアパーチャから吸い込みます。電流は、アパーチャチューブの両側の電極に流されます。ガラスは電気絶縁体であるため、この電流はすべてアパーチャを流れます。ベースラインデータを記録した後、分析するサンプルを導電性液体にゆっくりと追加し、アパーチャから引き込みます。サンプル粒子がアパーチャを通過するときに発生する導電性の変化は、電気パルスとして記録され、粒子とサンプル全体の特性を決定するために分析されます。

フローセル形式は、血液学機器や一部のフローサイトメーターで最も一般的に使用されています。この形式では、電極がフローチャネルの両端に埋め込まれ、電界がチャネル全体に適用されます。この配置により、サンプルの連続分析が可能になり、他の機器と組み合わせることができます (粒子をフローチャネルの中央に保つためのシースフローが装備されている場合)。これにより、レーザーで粒子をプローブするなど、追加の測定を同時に実行できます。フローセル形式の主な欠点は、製造コストがはるかに高く、通常は単一のチャネル幅に固定されていることです。一方、アパーチャ形式では、さまざまなアパーチャ サイズを利用できます。

マイクロ流体アプローチは、コールター原理を ラボオンチップ粒子検出に適用するために使用されています。これらの技術により、アパーチャ形式で簡単に実現できるよりもはるかに小さな細孔（穴）を作製できます。マイクロ流体抵抗パルスセンシングという一般的な用語で知られるこれらのアプローチにより、コールター原理をサブミクロン領域まで拡張することができ、たとえば、流体中のウイルス粒子を直接検出できるようになりました。^{[6] [7] [8]}

Coulter カウンターを使用したテスト方法を作成する際には、いくつかの共通の考慮事項があります。

複数の粒子が同時に開口部に入ると、異常な電気パルスが生成されることがあります。この状況は同時発生と呼ばれます。これは、単一の大きなパルスが単一の大きな粒子によるものか、または複数の小さな粒子が同時に開口部に入った結果なのかを確認する方法がないために発生します。この状況を防ぐには、サンプルをかなり希釈する必要があります。

生成された電気パルスの形状は、開口部を通過する粒子の経路によって異なります。電界密度が開口部の直径全体にわたって変化すると、信号アーティファクトが発生する可能性があります。この変化は、電界の物理的な狭窄と、液体の速度が開口部の半径位置の関数として変化するという事実の両方の結果です。フローセル形式では、シースフローによって各粒子がフローセルを通過する経路がほぼ同一になるため、この影響は最小限に抑えられます。開口部形式では、信号処理アルゴリズムを使用して、粒子経路に起因するアーティファクトを補正できます。

導電性粒子は一般的な懸念事項ですが、実験結果に影響を及ぼすことはほとんどありません。これは、ほとんどの導電性材料と液体中のイオンの導電率の差 (放電電位と呼ばれる) が非常に大きいため、ほとんどの導電性材料がコールター カウンター内で絶縁体として動作するためです。この電位障壁を破壊するために必要な電圧は、破壊電圧と呼ばれます。問題となる導電性の高い材料の場合、コールター実験中に使用される電圧を破壊電位 (経験的に決定できます) 未満に下げることができます。

コールター原理は、電界の乱れが開口部から移動した電解質の体積に比例するため、物体の体積を測定します。このため、顕微鏡や、物体の境界も表示し、2 次元のみを表示するその他のシステムによる光学測定に慣れている人は、混乱するかもしれません。一方、コールター原理は、3 次元と物体によって移動した体積を測定します。

ウォレス・コールターが発明したコールター カウンターは、粒子 (細胞) を数えるために直流(DC) を適用し、細胞のサイズに応じた振幅の電気パルスを生成します。細胞は、電気経路の一部をブロックする導電性液体に囲まれた電気絶縁体としてモデル化でき、測定抵抗が瞬間的に増加します。これは、コールター原理を使用する最も一般的な測定システムです。

その後の開発により、交流(AC) を使用することで得られる情報が拡張され、細胞の数を単に数えるのではなく、細胞の複雑な 電気インピーダンスを調べることができるようになりました。 ^[9]この場合、細胞は、導電性の細胞の細胞質を囲む絶縁性の細胞膜として近似的にモデル化できます。細胞膜が薄いため、細胞質と細胞を囲む電解質の間に電気容量が発生します。次に、電気インピーダンスをさまざまな AC 周波数で測定できます。低周波数 (1  MHzをはるかに下回る) では、インピーダンスは DC 抵抗に似ています。ただし、MHz 範囲のより高い周波数を使用して、細胞膜の厚さ (容量を決定) を調べることができます。はるかに高い周波数 (10 MHz をはるかに超える) では、膜容量のインピーダンスが低下し、測定されたインピーダンスへの寄与の大部分が細胞質自体からのものになります (膜は基本的に「ショート」します)。したがって、さまざまな周波数を使用することで、装置は細胞の内部構造と構成に対して敏感になります。

コールター カウンターの最も成功し重要な用途は、人間の血液細胞の特性評価です。この技術はさまざまな病気の診断に使用されており、赤血球数 (RBC) と白血球数 (WBC) のほか、いくつかの一般的なパラメータを取得するための標準的な方法です。蛍光タグや光散乱などの他の技術と組み合わせると、コールター原理は患者の血液細胞の詳細なプロファイルを作成するのに役立ちます。

コールター カウンターは、血液細胞 (細胞直径は通常 6 ～ 10 マイクロメートル) の臨床的な計数に加えて、細菌 (サイズ 1 マイクロメートル未満)、脂肪細胞 (約 400 マイクロメートル)、幹細胞胚 様体 (約 900 マイクロメートル)、植物細胞凝集体(> 1200 マイクロメートル) に至るまで、さまざまな細胞を計数するための最も信頼性の高い実験方法として確立されています。

コールター カウンターは、光学特性、感度、信頼性に関係なく粒子を個別に測定できるため、さまざまな分野で使用されています。この原理はナノスケールに適応され、マイクロ流体抵抗パルス センシングと呼ばれるナノ粒子特性評価技術が生み出されました。また、ある商業ベンチャーは、調整可能抵抗パルス センシング(TRPS) と呼ばれる技術を販売しています。TRPS により、機能化薬物送達ナノ粒子、ウイルス様粒子(VLP)、リポソーム、エクソソーム、ポリマー ナノ粒子、マイクロバブルなど、さまざまなナノ粒子の高忠実度分析が可能になります。

• 血球計数器
• フローサイトメトリー
• 血液分析装置

ウィキメディア・コモンズには、コールターカウンターに関連するメディアがあります。

• https://web.archive.org/web/20080424022037/http://web.mit.edu/invent/iow/coulter.html
• US 2656508流体中に浮遊する粒子を計数する手段、1953年10月20日、Wallace H. Coulter 
• 「分子センシングのための動的にサイズ変更可能なナノメートルスケールの開口部」、Stephen J. Sowerby、Murray F. Broom、George B. Petersen、センサーおよびアクチュエーター B: 化学第 123 巻、第 1 号 (2007 年)、325 ～ 330 ページ