库尔特原理及其应用

杨文志，王晓东，李 橙



库尔特原理及其应用

杨文志，王晓东，李 橙

（中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049）

在研究血液细胞的自动检测技术时，美国人华莱士žHž库尔特于20世纪50年代提出了库尔特原理，也被称为电敏感区法，即利用微颗粒随导电液体通过电敏感区时形成的脉冲信号来测量其尺寸和数量（或频度）的一种电学方法，其后逐渐发展成为血液自动检测的一项成熟技术，并被美国卫生部门定为该行业的检测标准。本文介绍了库尔特原理及其发展历程，详述了该原理在细胞、基因和冶金等领域里的应用。库尔特原理的应用已不仅局限于细胞计数等血液学方面，在空气与水污染、食品、燃料、润滑、涂料、海洋生物、造纸、制药、石油化工、摄影、染料、疫苗等超过四十个领域里同样应用广泛。

库尔特原理、颗粒、电阻、细胞、基因、冶金、化工

引言

20世纪50年代，华莱士žHž库尔特和他的兄弟小约瑟夫žRž库尔特在研究血液细胞自动化检测时发现并提出了库尔特原理，此后该原理逐渐发展成为血液自动检测的一项成熟技术，并被美国卫生部门定为该行业的检测标准。其后该原理被广泛借鉴，在短短几十年的时间内，已逐渐被应用于各个行业。库尔特计数器如今在为众多行业提供世界先进的颗粒特性表征技术，仅以美国为例，到20世纪80年代已有NASA等单位将基于该技术的激光粒分析仪等仪器使用在火星登陆探测等重要领域[1]。如今，库尔特原理已经给数千种来自工业、生物学等不同领域的颗粒材料进行了相关的表征测试，有超过六千份文献参考资料的内容使用了库尔特原理[2]，相关的专利有数百种，同时有多篇采用库尔特原理的高水平研究论文被发表在Nature等学术界顶尖期刊。库尔特原理的应用从最初的血液细胞检测到如今生物学研究领域最常用的使用仪器，从血液学领域最成功的仪器再到陶瓷、冶金、制药、化工甚至航天等等各行业的应用，范围广阔，发展迅猛。本文通过介绍库尔特原理在几个典型行业的经典运用及相关的发展历程，揭示了知识及理论在不同专业、行业内跨学科借鉴的重要性。

1 库尔特测量原理及其发展历程

库尔特原理被提出之前，对于血液中红细胞数量的检测仍采用原始的人工计数的方式，技术人员通常要采用显微镜来观察采集到的血液样本，然后计数标准容器内所有红血球的数目[3]。该方法效率极低，一名技术人员处理一份试样所耗费的时间通常超过30分钟，同时该方法可重复性很差，不同技术人员的计数结果往往差别较大。这使得更精确的自动化血液细胞检测技术的发展成为必要。在库尔特兄弟之前，Moldavan提出使用光学方法来进行血细胞的计数，即使用一条光束，统计经过光束的细胞数量[3]。受到这种思路的启发，库尔特兄弟在探索相应的光学方法的过程中无意间发现了一种基于电脉冲的方法，随后便提出了库尔特原理并将其应用到了实践当中，最终实现了血液细胞的自动化检测工作。

基于库尔特原理的技术方法亦被称为电阻法、电脉冲法或电感应技术，主要利用微颗粒随导电液体通过电敏感区时形成的脉冲信号来测量颗粒尺寸和数量（或频度）。1956年华莱士在其个人论文中正式发布了库尔特原理的内容。图1为基于该原理的检测方法示意图。如图所示，在绝缘试管的侧壁开一个小孔，将一对电极分别放在试管内外并通直流电，这样在小孔附近就形成了电敏感区。如果导电液中存在颗粒，当颗粒通过小孔时，由于颗粒和导电液之间的电导率差异，会导致电极之间的电压发生一定变化，形成脉冲信号，该信号能反映出颗粒的大小和数量[4]。由麦克斯韦方程组可知，当杂质颗粒经过小孔时，电压的变化可以表示为[5-7]：

为颗粒夹杂物的名义尺寸；

为小孔直径或电敏感区特征尺寸。

虽然库尔特原理及基于此原理的检测设备如今已被广泛应用于很多行业，但其发展并不是一帆风顺的，主要经历了以下三个发展阶段[3]。

第一个阶段为初创阶段。库尔特兄弟通过实验验证了该原理的可行性，并获得了相应的专利。最初，库尔特兄弟采用的是光学计数的思路，着手于光学方法的相关实验，不断对光束进行调节，但并没有获得很好的结果。在实验过程中，他们无意间发现了电脉冲法，通过调节电流获得了初步的解决方案，尽管此时他们还不知道血细胞是电的绝缘体[3]。和很多伟大的发明一样，初创时期研究条件都非常艰苦。由于经费不足，他们只能在位于地下室的实验室工作[3]。最初的实验条件非常简陋，开始的时候他们使用的是烟盒上取下来的金属铝箔，再用加热的针在铝箔上面刺一个小孔，然后通过橡胶圈把玻璃纸固定在玻璃管的末端[3]，将电极置于小孔两侧并通电，制作了简单的实验装置原型。当血细胞通过小孔时，通过检测电极两端的电压差，库尔特兄弟发现该电压脉冲信号是光电方法的十倍。经过反复的尝试，库尔特兄弟发现可以采用电压脉冲来对流经小孔的悬浮液中的细胞进行计数，这项发现促使他们开始申请专利。值得一提的是，此时，数位专利审查人员都认为“你不能为小孔申请专利[3]”。库尔特兄弟没有放弃，他们通过提供一些具体的应用例子而非仅提供原理，终于于1953年被破例授予了具有开创性的库尔特原理的专利权[3]。在此之后，他们将研究重点放在了如何使计数自动化变得可行。通过使用原贝特曼仪器公司提供的脉冲计数器和自己发明的水银压力计，库尔特兄弟证明了血液测试自动化工作的可行性并搭建出了原型仪器。经过美国国立卫生研究院的评估，这些仪器在红细胞计数上的准确性和方便性得到了充分的认可[3]。

图片来源：文献[7]

第二个阶段为技术研发阶段。库尔特兄弟在此阶段成立了公司，实现了库尔特计数器的商业化。对于库尔特计数器而言，小孔的孔径和稳定性至关重要。为了解决在试管壁上开孔的可重复性差和稳定性低的缺点，库尔特兄弟与瑞士珠宝公司和美国Del Mar Scientific公司合作，在宝石上制备出了坚固的小孔，然后将宝石镶嵌到试管壁上，为导电液体和血细胞提供了持久耐用的通道。之后他们创立了库尔特电子公司，组装出了A型库尔特测量仪进行销售和推广，并在白细胞计数上取得了良好的成就。后来，公司通过使用电流源代替原来的电压源，使用双阈值电流灵敏放大器代替了原来的单阈值电压放大器，使得测量仪的检测更为精确，逐渐衍生出了B型和C型测量仪[3]。到20世纪60年代，库尔特测量仪已在血液细胞的自动化计数和体积测量上有了良好的表现，并开始逐渐被应用于微生物学和工业领域的粒度分析方面。

（左边方形控制台表盘从左到右显示为：机械计数器，三个十进制计数器，以及示波镜显示管。）

图片来源：文献[3]

第三个阶段为库尔特测量仪的完善、成熟阶段。在这一阶段，仪器一些功能上的缺点被克服，公司也不断发展，开发出了自动化程度越来越高的测量仪。美国国立研究院（NIH）发现，在测量过程中，感测小孔周围的细胞和电场的相互作用会给体积测定带来一定的偏差，同时还发现了粒子重合、粒度分布不对称、感测小孔长度对结果有影响等问题。为了解决这些问题，库尔特兄弟成立的公司和其他研究单位进行了大量的研究，通过改变小孔长度、改变脉冲抽样方式、发明新的细胞分类器、采用最新的晶体管等手段，逐渐改进测量仪，使得仪器性能有了很大的提升，推进了库尔特原理的应用与发展。1968年，第一台自动化血液分析仪被发明出来，1972年体积分析仪被发明，同时，出现了工业上用的TA系列计数器。之后不久，该类型的仪器开始采用更为先进的微处理器[3]。在库尔特兄弟及其他研究者的努力下，市场上出现了很多基于库尔特原理的经典产品。比如，2000年左右推出Multisizer系列仪器已成为迄今为止功能最全的颗粒计数及粒度分析仪，具备极高的分辨率，在工业、生物医学等各领域发挥着不可替代的作用。

2 库尔特原理的应用

基于库尔特原理的仪器设备发展快速而广泛。目前，美国贝克曼库尔特公司已经开发出一系列的产品以满足各个行业的需要，产品已被广泛应用于各类粉体、磨料、荧光粉、碳粉、油田注水、黏土、针剂、医用乳剂、水处理、过滤、细胞、浮游生物、陶瓷、冶金、制药、化工、食品添加剂、酵母、高分子聚合体等行业的颗粒检测[1]。例如，为满足航空航天和国防工业的要求而设计的MET ONE和HIAC颗粒计数器，能确保用于飞机生产的洁净室环境得到优化；而针对空气检测的便携式空气颗粒技术器，最小可检测0.3微米尺寸的颗粒[1]。下文着重介绍库尔特原理的几种典型运用，通过具体的实例阐述其发展过程，亦借以凸显不同行业之间知识借鉴的重要性。

2.1 在细胞检测方面的应用

库尔特原理应用之初是为了实现血液细胞计数的自动化。迄今为止，基于该原理的计数技术已经被医学行业认为是细胞计数的金标准[1]，被广泛应用于白细胞、红细胞和血小板的计数工作，以及网织红细胞的计数分析。如今，除了基础的细胞生物学研究以外，该原理的应用范围已得到很大的延伸，从生理学检测到临床诊断再到科学研究，该类技术在细胞检测方面的高效性已经为生物医学相关行业带来了全新的、有进展性的益处[8]，该类仪器也已被业界评为血液学领域使用最成功的仪器。

细胞数量和体积的检测对于临床体外诊断有着至关重要的作用，细胞检测的结果可以帮助医务工作者彻底诊断疾病[8]。在正常情况下，血液细胞的体积变化很小，因此，细胞体积发生改变就提示了机体的调节功能出现了紊乱。由于库尔特原理在细胞计数上应用的准确性和高效性，它已被频繁地应用于相关的研究中。例如，对于镰状细胞性贫血，细胞外环境的缺氧状态会刺激离子通道，间接导致严重的红细胞皱缩。这种最初的皱缩会引起一种异常血红蛋白的聚合，从而让细胞呈镰刀状。通过测量细胞的体积变化，库尔特计数器能帮助确定镰状细胞性贫血的存在[8]。除此之外，库尔特计数器也可以帮助诊断由细胞内部因素导致的疾病，比如广为人知的有丝分裂。由于在有丝分裂期间细胞会发生膨胀，通过库尔特计数器的研究，发现细胞内离子浓度的变化能刺激细胞从有丝分裂中期发展到后期。此外该测量原理另一个同样重要的贡献是采用细胞体积测量来讨论一些特殊的疾病，帮助我们了解疾病的发病机制，例如糖尿病、脑损伤和不孕症等[8]。

如上所述，库尔特计数器最重要的表现是通过对红细胞的数量和体积的检测，在临床上帮助医生检测贫血、白血病前期、铁缺乏等与血液相关的疾病。库尔特计数器工程上的灵活性设计保障了其高效性，降低了检测成本。随着技术的进步，更多的分析条件被加入到库尔特计数器当中，如最新的库尔特血液分析仪中，通过专有试剂与射频测量和光散射相结合可诊断如嗜红细胞增多症、粒细胞缺乏、原发性血小板增多症等更多类型的疾病[8]。

库尔特原理是临床诊断和生物医学研究的有效理论工具。图3展示了贝克曼库尔特公司最新型号的Multisizer 4产品，该仪器结合了多种创新技术，是迄今为止分辨率最高、功能最全的颗粒计数器，当前已被广泛应用于各个行业。除了测量细胞的数量和体积，该仪器还可以分析颗粒的浓度和绝对体积，甚至能提供实时的跟踪监测分析。通过更换带有不同孔径的检测试管，仪器的分析范围从0.4 μm到1200 μm，可以帮助我们测量小到细菌或大到絮凝状酵母之类的微生物。

图片来源：文献[2]

2.2 在DNA检测方面的应用

DNA测序技术对于人类的发展具有重大的战略意义，该技术的发展不仅对于生物学的发展具有巨大的推动力，而且在促进现代医学的发展方面具有很大的潜力。基因技术的进步有利于人类了解甚至攻克某些目前难以治愈的顽疾，如长期危害人类的癌症等。准确高效的测序方式一直是基因工程的重要目标之一。在以往的科学研究中，主要测序方式包括Sanger法、化学降解等，这些方法检测效率较低而成本很高。后来出现的高通量测序法，如焦磷酸测序法和可逆性链终止法等，可以一边合成一边测序，单次检测量很大，但仪器非常昂贵，耗用时间长[9, 10]。

由于基因工程的研究对象大多在分子水平甚至更小，DNA分子和蛋白质分子大小一般在纳米量级，而传统的库尔特技术所检测的血细胞直径大小一般在几微米左右，两者研究对象的体积存在着极大的差别。然而，有研究者巧妙借鉴了本来用于细胞计数的库尔特原理，并成功将其应用于基因工程领域。1999年，哈佛大学的Daniel Branton等[11]和德克萨斯A&M大学Hagan Bayley实验室[12]在Nature同期刊登了将库尔特原理应用于基因工程的文章，开创了第三代DNA测序方法的先河。

对于许多未来的技术如电子、化工和生物等科学研究领域的发展而言，对尺度在10–8m到10–9m的微观物质的检测和操作至关重要[13-14]。在以前的科学实验中，科研工作者大多使用化学等手段，通过放大微观相互作用的结果来间接观测微观尺度的事件。而Bayley实验室则将库尔特原理应用于生物化学领域，设计出了观测分子事件的新方法。他们使用绝缘薄膜来隔离离子液体，在薄膜上加工出原子大小的小孔，使用高精度的电子元器件以放大离子液体中的电流，通过检测电流的变化，可以检测相对分子质量低至100的有机分子[12]。在实验过程中，研究人员使用数个α-溶血素分子在磷脂双分子层薄膜上形成分子通道，其中磷脂双分子层薄膜的厚度为50埃米（埃米为十分之一纳米），分子通道的直径为15埃米[12]。由于磷脂双分子层薄膜具有绝缘性，它将盐溶液分为两部分，溶液中通入直流电流，电流极小，在微微安培级别(10–12A)，通过高精度的半导体元件仍可以在室温条件下检测出该电流的存在[12]。在Bayley实验室工作的基础上，哈佛大学的研究者通过使用一种β-环糊精的有机分子融入由α-溶血素分子组成的分子通道，通过减小小孔的孔径来部分阻塞离子液体的通过，达到了增加该纳米孔对特定有机分子的灵敏度[11]。经过研究人员共同的努力，该方法最终成功地检测出通过纳米孔的DNA分子、RNA分子和蛋白质分子，开启了将生物膜上的通道转变为纳米孔的研究。

然而，通过生物化学方法制作的纳米孔使用寿命短，耐温性较差。随着纳米技术和相应的加工技术的发展，采用微纳米加工的手段制备纳米孔已成为可能。与生物方法制备的纳米孔相比，微纳加工得到的纳米孔不仅更坚固，可重复性高，而且孔径和薄膜的厚度可控性更好[15]，成为近年来发展的热门趋势。2001年，哈佛大学Branton实验室采用自制的反馈控制系统，首次实现了利用离子束刻蚀方法在Si3N4薄膜上加工出单个固态纳米孔，并将其成功应用于DNA分子的检测[13]。在实验过程中，研究者先在500nm厚的薄膜上制备出100nm的小孔。当数千电子伏特的高能量氩离子束冲击物体表面时，会使表面原子脱离出去，慢慢地控制离子束逐步移除平坦的上表面，在自制的控制系统的及时反馈下，最终在真空中制备出了小至1.8nm的纳米孔。在小孔制备完成以后，研究人员以5纳米的小孔进行了双链DNA分子的检测试验，薄膜将无机盐溶液分为两个腔体，两根电极分别置于腔体中，施加电压120毫伏，最终通过检测液体中电流的变化成功地检测出了通过小孔的DNA分子。

此后，各种各样的微纳技术被开发出来以进行纳米孔的加工[10]。如使用电子束钻刻制备纳米孔：波士顿大学M. J. kim等人[16]通过研究材料溅射和表面张力对纳米孔大小的影响，利用场发射透射电子显微镜（FETEM）强电子束成功地在50nm厚度的Si3N4薄膜上制备出了直径非常精确的单个纳米孔，最小直径为2nm；而美国俄亥俄州立大学的研究人员E. Sosnov等[17]则利用FETEM在Si3N4薄膜上制备出了10 nm以下的各种形状（如圆形、三角形等）的纳米单孔和孔阵列。除此之外，还发展出了湿法刻蚀，该方法成本较低，尤其适用于批量制作。清华大学W. H. Si等人[18, 19]采用离子体干法深刻蚀和氢氧化钾溶液湿法刻蚀相结合的手段，精确制备出了直径为100nm的纳米孔阵列和最小直径为32nm的单纳米孔。而J. W. Kim等人[20]利用四甲基氢氧化铵湿法刻蚀硅片，制备出了直径为130nm的倒金字塔形腔阵列纳米孔。

固态纳米孔的制备是一个非常重要的研究方向，有望为实现廉价而快速的个体基因测序提供关键的物理基础，目前在其实验及理论方面仍有很多值得研究的问题。利用固态纳米孔实现单个DNA分子的测序仍有不小的难度，其一即为单个DNA分子在纳米孔中的运动的控制[21]。如图4所示，中科院物理所以10 kbp的双链DNA分子为研究对象，在1mol/L的氯化钾溶液中，采用5nm大小的纳米孔进行了实验，分析了大量分子穿过纳米孔时的电流特性的变化[14]。

图片来源：文献[14]

随着各种新技术的发展和应用，基于库尔特原理的纳米孔技术已成为当前DNA测序领域的研究热点，同时，该技术在其他生物技术领域也具有很大的发展潜力。

2.3 在金属工业的应用

在冶金工业中，金属液体中的夹杂物如气泡和其他固体颗粒等不仅影响金属的凝固过程，而且对金属产品本身造成很大的危害。在后续的成型工艺中，如冲压、焊接过程中，金属产品极有可能因为存在缺陷而发生断裂等严重事故[7]。除此之外，含有缺陷的金属产品如汽车零部件、航天航空工业中使用的金属材料等，在其使用过程中，很可能会对国民的生产生活带来潜在的危险，甚至引发严重的灾难性事故。以钢铁材料为例，如果铁水中含有一定量的气泡和其他颗粒，那么生产出来的钢铁板材或线材，其使用性能如强度、韧性、表面粗糙度和疲劳强度等[7]将无法满足工程应用的要求。虽然对于金属成品而言，通过采用特定的热处理或其他方式可减小缺陷的危害，但这些方法作用有限，对于某些杂质无法根除。因此，在凝固工艺之前，金属呈液态时检测出夹杂物十分重要，快速准确在线地监测相应的非金属夹杂物意义重大[7]。虽然在连铸和凝固过程之前，如何检测液态金属质量一直是冶金工程的目标之一，但以前使用的方法通常比较低效。以金属铝为例，在工业应用中，一般通过取样液态铝，将其进行过滤以去除大颗粒杂质，然后使其凝固，最后在显微镜下进行金相分析来检测金属的纯净度（例如PoDFA法）[22]。类似的方法不仅费时费力，而且准确度很低，难以进行在线实时测量。目前，在线的测量方式主要是LIMCA技术。

库尔特原理原本是应用于电解质溶液，所使用的电压电流都比较小，似乎与冶金行业相距甚远。然而，麦吉尔大学冶金工程系的博士生D. Doutre巧妙地借鉴了库尔特原理，提出将该原理应用于金属液夹杂物的检测过程[23]。经过Guthrie研究组共同的努力，最终金属液纯净度检测技术LIMCA (Liquid Metal Cleanliness Analyzer）被成功开发出来，并很快就被广泛应用于工业应用，尤其是在液态铝的夹杂物检测上。目前，该技术已经可以检测到15微米的金属液中的夹杂物，具有在线、定量的优点[7]。

Guthrie研究组在该技术方面进行了大量的研发工作，包括实验、理论推导和数值模拟，从而使人们对LIMCA检测过程有了深入的认识。与库尔特原理在电解质溶液中的应用不同，LIMCA技术的应用环境是液态金属，电导率很高，这导致通入同样的电流，LIMCA技术得到的电压脉冲很小，难以检测，同时外界的干扰对测量的影响增大[7]，为此，必须通入大电流进行检测。而在大电流情况下，必须考虑电流自感应磁场对测量的影响，自感应磁场的存在会对液态金属的流场和颗粒经过小孔区域的运动情况产生很大的影响[22]，从而影响检测的电压或电阻脉冲。X. D. Wang等[6, 24-28]通过数值建模对该方法进行了深入研究：通过求解纳维斯托克斯方程和麦克斯韦方程组，对流场和电磁场进行了耦合计算，重点调查了在小孔周围的电磁敏感区域内的流场分布和颗粒运动轨迹，以及不同种类、不同形状、不同电导率的颗粒对电压脉冲形状的影响，分析了电压脉冲的峰值大小、起始时刻以及起始斜率等，为实验工作提供了很好的理论指导。

在LIMCA技术应用于金属检测的实验工作中，首先需要解决的是如何减小背景噪音的干扰[22]，避免外界电磁场的影响。研究人员通过使用高灵敏度的电子元件、电磁屏蔽等方法确保了所测量的电压脉冲的准确性。考虑到冶金问题的复杂性，Guthrie研究组首先进行了水模型实验来验证LIMCA的可行性。在已有数值模拟工作的基础上，利用APSⅡ (Aqueous Particle Sensor)系统，通过使用信号放大器和高精度数据采集系统测量了相应的电压脉冲的信号。经过比较实验所测的电压脉冲信号和数值模拟结果，确认了LIMCA技术还可以区分不同密度的颗粒[23]，对比结果见图5。

图片来源：文献[7]

在可行性分析得到验证之后，研究人员尝试将LIMCA技术应用于液态金属，最开始选择的是液态的金属镓。在金属液中通入恒定的60A电流后（水溶液中的电流只有20mA[7]），观测到了明显的电压脉冲信号。然后研究人员将其应用于金属铝的检测，并在麦吉尔大学的实验室中做出了第一套LIMCA装置。该装置使用硅酸盐试管，在试管上钻孔并进行火焰灼烧然后密封。该装置的成功之处在于小孔的形状可以促使液态铝从小孔流出。在这些实验工作基础上，第一台用于铝工业的商用仪器于1995年在魁北克市被BOMEM公司（现称ABB）成功研发出来（LIMCA II），见图6（a）。该仪器的一大创新之处在于，它使用了四个外部电极以减小外界的电磁噪音[29, 30]。该仪器已被广泛应用于冶金工业中，不仅被用于金属液的纯净度检测，也被用于检测各种过滤的有效性。

其后ABB公司研制出了LIMCA CM型仪器（见图6（b）），使用数字信号替换了原有的模拟信号，同时将传感器完全密封于金属壳中，成功地减小了电磁干扰。目前国内南山轻合金有限公司已经引入LIMCA CM来检测金属铝的质量[7]。

图片来源：文献[22]

随着LIMCA技术在铝工业上的成功应用，研究人员也在尝试将该技术用于钢、铜等高温金属液的检测过程。其中对于液态钢（熔点为1650℃）的应用进行了大量实验，通过更换不同的绝缘材料，发现了明显的电压脉冲信号，但由于电极和探头的寿命等问题，LIMCA在钢铁行业上至今尚未实现真正的商业化[7]。

2.4 在工程热物理方面的应用

随着MEMS等微纳技术的发展和进步，导热过程在空间尺度和时间尺度上向着极端情况发展，关于微纳米尺度上的传热过程的研究和微纳米空间内的液体沸腾等已成为工程热物理领域内的研究热点。近年来，很多研究人员针对该问题进行了大量的实验、理论和数值研究工作[31-33]。Lin等[34, 35]通过加热丝实验在微米尺度对微通道内的热气泡形成进行了研究，引起了科学界的大量关注。随后其他研究人员也针对微通道内的热气泡问题进行了大量研究，使得该方面的研究日渐成熟，而纳米尺度的纳通道内的热气泡的问题研究尚不充足。最近，研究人员在测量纳通道内的电流时发现热气泡的存在是主要的噪声源，因此，纳米尺度热气泡检测的重要性逐渐显现出来了。

陈敏等提出使用已有的库尔特原理，首次成功地考察了纳通道内受限溶液的热气泡成核现象[36]。利用沉积、溅射、腐蚀和电子束光刻等微加工技术完成了实验所用器件的加工，其中纳通道的高度仅为100纳米，如图7所示。在实验过程中，首先在储液池加入适量的电解液并使其充满纳通道，然后在电极上施加一定的电压，利用电流的热效应来加热电解质溶液。为了检测纳通道内的电流变化，实验中使用电源CSI12001X，通过手动调节，每一分钟增加定量的电压，然后记录电流的变化过程。通过分析电流的变化，揭示热气泡在纳通道内的成核现象。最终发现基于库尔特计数器原理的纳通道热气泡检测器可以有效地用于纳通道中热气泡复杂行为的研究。

2.5 在化工过程的应用及展望

自库尔特计数器被发明后就已被广泛应用于化工领域，尤其是在多相催化研究领域中的催化剂颗粒检测方面。例如在TDA生产过程中，二硝基甲苯（DNT）在Ni催化剂存在的条件下加氢生成TDA和水，在反应过程中催化剂被不断搅拌逐渐被磨细，从而达到几微米甚至更小。催化剂沉降以后，大部分大颗粒催化剂被回收利用，而小颗粒的催化剂则继续进入后续工序，由于小颗粒催化剂并没有完全失活，会加速焦油的生产，降低产品收率，还会导致设备磨损[37]。通过使用库尔特原理，可以成功检测出小颗粒催化剂的存在。

图片来源：文献[36]

然而，并非所有的问题都可以这样直接通过离线的检测得到解决。例如在某些化学工程领域里，由液体和弥散颗粒组成的两相流问题非常重要，而某些化工过程中液体中微颗粒在特定区域内的浓度和大小分布，以及随时间的变化的量也引起了研究人员的注意。在实际测量操作过程中，如果直接取样检测，测量本身有一定的滞后性，这对于检测某些化工过程中液体的微颗粒变化以及演化过程是非常不利的。另一方面，直接将库尔特测试管放在化工液体中会影响化工过程液体中的流场，影响化工化学反应过程以及反应环境，同时也使得测量结果不准确、不可靠。除此之外，由于电阻法为电学方法，将测试管靠近待测区域可能会引起较大的电磁干扰。基于上述原理，王晓东等[38, 39]基于库尔特原理，发明了一种与过程兼容的微颗粒检测装置和方法，可实现在线、定时、定量、连续测量液态中的微颗粒，满足了对化工过程中的微颗粒实时监测和测量分析的要求。

3 结论

库尔特原理的发现来自于库尔特兄弟将辛苦的例行工作变为自动化操作的愿望[3]，却无意间促使了一系列高精度的自动化产品的诞生，和该原理在各个行业的广泛应用。随后，该原理被广泛借鉴，在短短几十年的时间内，它已逐渐被应用于各个行业。从“一个孔不可能获得专利[3]”到如今的库尔特商业帝国（至1997年被贝克曼公司兼并时为止，库尔特兄弟的公司有员工5000余人，产值几百亿，全球市场占有率98%以上[3]），从简陋的地下室实验条件到如今的一系列高精度自动化产品，从单纯的血液细胞检测到空气污染、金属、基因领域和军工等领域的应用，库尔特原理在工业应用上取得了巨大的成功,给科学研究和工程研究提供了重大的帮助。库尔特原理与技术的发展深刻地揭示了科学技术发展的一些普适规律，充分地展示了跨学科研究在工程中的重要应用价值和惊人的创造力。同时，给我们如何在科学研究和工程应用上创新、借鉴其他学科的成果来服务本学科、发挥跨学科研究的优势所在，带来了巨大的启发意义。

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Coulter Principle and Its Application

Yang Wenzhi, Wang Xiaodong, Li Cheng

(College of Materials Science and Opto-electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

An electrical method using the pulses of the resistance to detect the sizes and numbers of particles, has been developed to an effective way in the detection of the red blood cells and was evaluated to be a professional method in this industry by the US department of health. This technology has obtained the huge achievements in the area of the medical instruments by the Coulter brothers’ own efforts. The principle of the Coulter and its applications in the areas of Cell, gene and metallurgy, has been introduced in detail in this paper. The development of this principle and technology reveals profoundly some universal laws in the development of science and technology and fully shows that the interdisciplinary research is very important in the industrial engineering.

Principle of Coulter; particles; resistance; cells, metallurgy, chemical engineering

10.3724/SP.J.1224.2016.00582

TH70

A

1674-4969(2016)06-0582-11

2016-09-07;

2016-10-12

杨文志（1990–），男，硕士研究生，研究方向为材料的电磁过程。王晓东（1972–），男，博士，教授，研究方向为材料的电磁过程。E-mail: xiaodong.wang@ucas.ac.cn李 橙（1993–），女，硕士研究生，研究方向为材料的电磁过程。