(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物特異的アッセイ装置用に誘電体流体媒質から試料を収集する装置であって、
筐体と、
前記筐体内を流れる前記誘電体流体媒質をイオン化プラズマに曝すための前記筐体内の１つ又は複数のワイヤ電極と、
前記筐体内における前記誘電体流体媒質の流体流れを方向づけるための流れ手段であって、前記筐体内に設けられ、前記誘電体流体媒質の動電現象による流れに影響をもたらすほぼ平面の電極を含む流れ手段と、
生物特異的アッセイ装置又はその試料収集部を支持するために前記筐体に動作可能に付随する支持手段と、
前記支持手段近傍に位置して電位井戸を生成し、それによって、前記誘電体流体媒質中で生成されたか、又は前記誘電体流体媒質中にすでに存在した荷電粒子を支持された生物特異的アッセイ装置内に進め、それによって、前記生物特異的アッセイ装置の試料収集領域上に前記荷電粒子を電気沈殿させる１つ又は複数の捕捉電極と、を含む装置。
【請求項２】
前記誘電性流体は空気であり、前記流れ手段は空気流を方向づける、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記誘電体流体は非導電液体であり、前記流れ手段は液体流を方向づける、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流れ手段はユーザによって呼気を吹き込まれるように適合される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記ワイヤ電極は直径が約０．１ｍｍである、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ワイヤ電極は直径が１ｍｍを超えない、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記捕捉電極の最大寸法の合計がワイヤ電極の長さの合計の１／５を超えない、請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記アッセイ装置は側方流アッセイ装置を含む、請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記アッセイ装置はイムノセンサに基づくアッセイ装置を含む、請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記アッセイ装置は酵素イムノアッセイ装置を含む、請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記アッセイ装置は核酸ハイブリダイゼーションアッセイ装置を含む、請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記核酸ハイブリダイゼーションアッセイ装置はポリメラーゼ連鎖反応核酸配列増幅処理を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記アッセイ装置は、前記筐体の密閉空間内の空気をモニタリングする、請求項２から１２の何れか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記支持手段は、前記電位井戸に対して相対的に連続的に移動して前記アッセイ装置によって同定される種の存在又は量の時間記録を提供する試料収集装置を含む、請求項１から１３の何れか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年１１月３０日出願の米国特許出願第１２／９５５，１５０号の優先権を主張する。
連邦支援による研究又は開発
【０００２】
該当せず。
マイクロフィッシュ／著作権の参照
【０００３】
該当せず。
【０００４】
１．発明の分野
【０００５】
本発明は、誘電体媒質中のアッセイ可能な物質の収集及びサンプリングに関する。本発明は、これに限定されるものではないが、生物特異的アッセイによって存在の有無が測定可能な物質について空気をサンプリングすることを含む。本分野は、生物学的作用物質について空気をサンプリングし、アッセイ装置の収集手段に向けて方向づけ、その上に被着させることを含む。この作用物質特異的アッセイは、イムノアッセイ、核酸ハイブリダイゼーションアッセイ、又はリガンド−抗リガンド相互作用を伴う任意の他のアッセイを含み得る。アッセイは、比色、蛍光、濁度測定、電気化学、又はボルタメトリーによる検出手段を含み得るが、これらに限定されるものではない。アッセイ対象の物質は、生物戦争用の作用物質、病原体、アレルゲン、又は汚染物質を含むが、これらに限定されるものではない。病原体の場合、炭疽生物体又は結核生物体などの感染性空中浮遊物質についてスクリーニングすることを含む。さらに、誘電性媒質の場合、食品産業用の油又は石油化学及び産業用の油などの誘電性流体媒質をサンプリングすることを含み得る。
【背景技術】
【０００６】
２．従来技術の記載
【０００７】
従来技術では、空気から物質を収集してバイオアッセイを行うことに関して多くの例がある。例えば、下記の刊行物は、アレルゲン、病原体、及び毒素を収集してアッセイを行う様々な方法を記載している。
【０００８】
Ｙａｏら（２００９年）のＡｅｒｏｓｏｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、４０巻、４９２〜５０２頁
【０００９】
Ｎｏｓｓら（２００８年）のＡｐｐｌｉｅｄ  ａｎｄ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、７４巻、５６２１〜５６２７頁
【００１０】
Ｋｉｎｇら（２００７年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｌｌｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ、１２０巻、１１２６〜３１頁
【００１１】
Ｅａｒｌｅら（２００７年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｌｌｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ、１１９巻、４２８〜４３３頁
【００１２】
Ｐｅｔｅｒｓら（２００７年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｕｒｂａｎ  Ｈｅａｌｔｈ：  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、８４巻、１８５〜１９７頁
【００１３】
ＹａｏとＭａｉｎｅｌｉｓ（２００６年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３７巻、５１３〜５２７頁
【００１４】
Ｐｌａｔｔｓ−Ｍｉｌｌｓら（２００５年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｌｌｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ、１１６巻、３８４〜３８９頁
【００１５】
Ｓｅｒｃｏｍｂｅら（２００４年）のＡｌｌｅｒｇｙ、６０巻、５１５〜５２０頁
【００１６】
Ｃｕｓｔｉｓら（２００３年）のＣｌｉｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ａｌｌｅｒｇｙ、３３巻、９８６〜９９１頁
【００１７】
Ｐｏｌｚｉｕｓら（２００２年）のＡｌｌｅｒｇｙ、５７巻、１４３〜１４５頁
【００１８】
Ｔｓａｙら（２００２年）のＣｌｉｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ａｌｌｅｒｇｙ、３２巻、１５９６〜１６０１頁
【００１９】
Ｐａｒｖａｎｅｈら（２０００年）のＡｌｌｅｒｇｙ、５５巻、１１４８〜１１５４頁
【００２０】
ＭｃＮｅｒｎｅｙら（２０１０年）のＢＭＣ  Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ  Ｄｉｓｅａｓｅｓ、１０巻、１６１〜１６６頁及び米国特許第７，３８４，７９３号の装置
【００２１】
他の既知の試料収集方法には、活性炭上への揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の捕捉、脱着、及び質量分析法による解析が含まれる。Ｐｈｉｌｌｉｐｓら（２０１０年）のＴｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ、９０巻、１４５〜１５１頁及びこの中に記載される参照文献を参照されたい。ＶＯＣは、アッセイが性質上厳密には化学的なので本発明に含まれないと見なされ、本願明細書で定義されるような生物特異的ではない。生物特異的（bio-specific）とは、核酸特異性、抗体特異性、レセプタ−リガンド特異性などの生物学的特異性によって結果が測定されるアッセイを意味する。診断特異性は、ＶＯＣ分析によって達成されることがあるが、定義された有機化合物群の存在及び量によって推定される。
【００２２】
上記先行技術文献では、ポンプ輸送及びろ過、拭き取り、受動被着、動電現象による搬送などを用い、通常、その後で抽出ステップを行い、抽出物をアッセイに適用する「乾式」法が説明されている。
【００２３】
液体流中での収集方法は、下記の特許文献に記載されている。
【００２４】
ＹｕａｎとＬｉｎの米国特許出願第２００８／００４７４２９Ａ１号
【００２５】
２００２年発行のＳａｓｋｉらの米国特許第６，４８４，５９４号
【００２６】
空気からは物質が効率的に収集されるが、このような液体を流すシステムでは試料の希釈度が高くなることが避けられない。そのため、物質を再度濃縮しない限り感度が犠牲になる。
【００２７】
Ｎｏｒｔｈｒｕｐらの米国特許第７，７０５，７３９号及び７，６３３，６０６号は、空気をサンプリングし、空中浮遊物質を同定する自律動作システムを記載している。これらの特許文献は、空気をサンプリングする方法を厳密に特定しておらず、サンプリングされた空気をアッセイシステムに送る方法も詳しく述べていない。
【００２８】
ろ過又は静電沈殿に基づく空気浄化システムが多く市販されている。全体的な説明については、米国環境保護庁の刊行物である「Ｇｕｉｄｅ  ｔｏ  Ａｉｒ  Ｃｌｅａｎｅｒｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ」、ＥＰＡ／ＯＡＲ／ＯＲＩＡ／Ｉｎｄｏｏｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ（ＭＣ−６６０９Ｊ）、ＥＰＡ４０２−Ｆ−０８−００４、２００８年５月を参照されたい。高性能微粒子除去（ＨＥＰＡ）フィルタ又は静電沈殿フィルタのいずれかを用いる多くの市販システムの例が存在する。このようなシステムは、家庭での暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）用のシステムを含めて、空気から粒子状物質又はアレルゲンを除去するために広く用いられている。ＨＥＰＡフィルタは、ミクロンサイズの範囲まで粒子を除去するという利点を有し、静電沈殿法は、差圧がほとんど又は全くなしで大容積流を伴うという利点を有する。静電沈殿システムの技術仕様の詳細な例として、Ｂｏｕｒｇｅｏｉｓによる米国特許第３，１９１，３６２号を参照されたい。このような空気浄化システムは、空気から物質を効率的に除去するが、試料を収集して分析にかけるには不向きである。
【００２９】
Ｓｈａｒｐｅｒ  Ｉｍａｇｅ社によって動電現象による空気清浄化システムが開発され、Ｉｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅという商標で正式に商品化された（ただし、現在は製造中止となっている）。最初の動電現象の原理は、Ｂｒｏｗｎの米国特許第２，９４９，５５０号で言及されている。これがＬｅｅの米国特許第４，７８９，８０１号でさらに改善されて、空気流が改善されオゾン発生が最小限に抑えられた。市販システムに対するさらなる改善が、ＴａｙｌｏｒとＬｅｅの米国特許第６，９５８，１３４号、Ｒｅｅｖｅｓらの米国特許第７，０５６，３７０号、Ｂｏｔｖｉｎｎｉｋの米国特許第７，０７７，８９０号、Ｌａｕらの米国特許第７，０９７，６９５号、Ｔａｙｌｏｒらの米国特許第７，３１１，７６２号に記載されている。動電現象による推進力を利用する装置の上記記載では、ワイヤからなる高電圧電極が共通の要素である。ワイヤの断面積が極めて小さいので、極めて急峻な電圧勾配がワイヤに直交して生成される。この高電圧勾配により荷電粒子からなるプラズマが生成され、高電圧勾配によって荷電粒子に運動エネルギーが付与される。その結果、荷電粒子と非荷電粒子の間で運動エネルギーが交換されることによって最終の空気流が生成され、この最終空気流は、電圧がゼロかワイヤ電極の電圧に対して反対の極性の電圧の平面電極を並置することによって方向づけられる。荷電粒子は、平面電極上に静電的に沈殿するが、清浄化のために周期的に除去されることがある。これらの研究の主要部分は空気浄化を対象とし、試料収集を対象としていない。しかし、Ｃｕｓｔｉｓら（２００３年）によって最初に述べられたように、Ｉｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅ装置は、ティッシュペーパーで電極を拭くことによって試料を収集し、アレルゲンを分析することに適合している。このティッシュペーパーからアレルゲンが抽出され、イムノアッセイにかけられる。Ｉｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅは、Ｐｅｔｅｒｓら（２００７年）及びＰｌａｔｔｓ−Ｍｉｌｌｓら（２００５年）のアレルゲンを収集してイムノ分析にかける研究でも用いられている。それより先に、Ｐａｒｖａｎｅｈら（２０００年）は、「収集プレートとしての導電面を有する金属カップ」を備えたイオン化装置について述べており、この金属カップからアレルゲンが抽出されてアッセイにかけられる。金属カップの内部に試料がどのように収集されるかは明らかではなく、試料は表面全体に付着しない。この装置は、スエーデン国ストックホルム所在のＡｉｒｐｏｉｎｔ  ＡＢ社によって製作された。しかし、Ａｉｒｐｏｉｎｔ  ＡＢ社によるこのような製品の製造又は販売に関する情報は公開されておらず、当業者がこの装置の詳細を理解し得るのに十分な情報はなく、環境アレルゲン検出に関するその後の刊行物では同じ著者は類似の装置を使っていない。電圧勾配によって生じる電位井戸に試料を集束させることについても述べられていない。
【００３０】
Ｙａｏら（２００９年）及びＹａｏとＭａｉｎｅｌｉｓ（２００６年）は、バイオアッセイ可能な物質をアッセイ用の手段又は装置に収集するための方法を述べている。ＹａｏとＭａｎｉｅｌｉｓ（２００６年）は、平面電極と電気的に接触する寒天ゲルのブロックについて述べており、Ｙａｏら（２００９年）は、平面電極間に介在させたマイクロタイタプレートについて述べている。これらの研究はいずれも、ポンプによって駆動される空気の流れ及び分析対象作用物質をアッセイ手段上に静電的に沈殿させることについて述べている。これらの研究では、電極及び寒天ブロックはほぼ同じ面積を有する。
【００３１】
ＭｃＮｅｒｎｅｙら（２０１０年）は、呼気分析装置について述べている。この装置では、個々人が息又は咳を呼吸チューブに吹き込み、チューブの内面上に収集された試料を、プランジャでこすり取って光学バイオセンサに載せ、免疫結合反応を実施し、バイオセンサがエバネッセント波照明系を利用して散乱光によってマイコバクテリウム・ツベルクローシス（Ｍ．  ｔｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ）の存在の有無を決定する。
【００３２】
上記方法のいずれも、電界勾配を利用して電位井戸を形成し、それによって作用物質をアッセイ装置用の収集手段上に集束させることは考慮されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、電極（単数又は複数）を使用して、流れている誘電体流体流から荷電粒子を引き寄せ、これらの荷電粒子をアッセイ装置の収集手段上に集束させる電位井戸を生成することを含む。この電位井戸は、これらの粒子を効率的に捕捉し、収集手段への集束効果によって感度が増強することに寄与する。流れる空気流は動電現象的又は機械的に生成される。流れがまだ荷電されていない場合でも、高電圧ワイヤ電極を配置しそれによりプラズマを生成することによって、分析対象物質に電荷を付与する。この物質は、電位井戸によってアッセイ装置の収集手段上に集束され、最終的に収集手段上に静電的に沈殿する。
【００３４】
本発明の一態様では、生物特異的アッセイ装置用に誘電性流体媒質から試料を収集するための装置は、筐体を含む。流れ手段が、筐体内で誘電体流体媒質の流体流れを方向づける。筐体内の１つ又は複数のワイヤ電極が、筐体内を流れる誘電体流体媒質をイオン化プラズマに曝す。筐体に動作可能に付随する支持手段が、生物特異的アッセイ装置を支持する。電位井戸を生成するために１つ又は複数の捕捉電極が支持手段近傍に位置し、それによって誘電体流体媒質内で生成されたか、又は当該誘電体流体媒質にすでに存在した荷電粒子が、支持された生物特異的アッセイ装置内に進められ、それによって、荷電粒子が生物特異的アッセイ装置の試料収集領域に静電的に沈殿する。
【００３５】
本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付の特許請求の範囲及び図面を含めて明細書全体を検討することによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＨＶＡＣシステムの一部としての静電沈殿用従来技術装置の概略断面図である。これは、商業供給業者からの技術文献から得たものである。
【００３７】
【図２】Ｃｕｓｔｉｓらによって発表された従来技術の装置であるＩｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅの概略断面図である。
【００３８】
【図３】本発明による装置の断面図であり、収集手段及びアッセイ装置がファンによって進められるプラズマ流に隣接して配置されている。
【００３９】
【図４】図３の細部を示すアッセイ装置の断面図である。
【００４０】
【図５】本発明による装置の断面図であり、動電現象による推進力によって流れが得られ、アッセイ装置の収集手段が動電推進装置の平面電極の開口に隣接している。
【００４１】
【図６】アッセイ装置がオープンリール式収集装置である動電流装置の概略断面図であり、この図の断面は図５のＸ．．．Ｘ断面に相当する。
【００４２】
【図７ａ】従来技術のＩｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅ装置に基づくコンピュータシミュレーションからの出力である。本図及び下記の図８〜１９では、ａはコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）からシミュレーションへの入力である。
【図７ｂ】従来技術のＩｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅ装置に基づくコンピュータシミュレーションからの出力である。本図及び下記の図８〜１９では、ｂは電圧輪郭線によって表される出力である。
【図７ｃ】従来技術のＩｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅ装置に基づくコンピュータシミュレーションからの出力である。本図及び下記の図８〜１９では、ｃは第３の次元としての電圧による３次元プロットとして表される出力である。
【００４３】
【図８ａ】図７ａの従来技術の装置のシミュレーションに類似しているが、電極の幾何形状に関する変形である。
【図８ｂ】図７ｂの従来技術の装置のシミュレーションに類似しているが、電極の幾何形状に関する変形である。
【図８ｃ】図７ｃの従来技術の装置のシミュレーションに類似しているが、電極の幾何形状に関する変形である。
【００４４】
【図９ａ】図７ａ及び図８ａのさらなる変形のコンピュータシミュレーションであり、電極数の減少による従来技術の装置の簡略化を示す。
【図９ｂ】図７ｂ及び図８ｂのさらなる変形のコンピュータシミュレーションであり、電極数の減少による従来技術の装置の簡略化を示す。
【図９ｃ】図７ｃ及び図８ｃのさらなる変形のコンピュータシミュレーションであり、電極数の減少による従来技術の装置の簡略化を示す。
【００４５】
【図１０ａ】上記の図のコンピュータシミュレーションからの出力であり、さらなる簡略化を示し、米国特許第２，９４９，５５０号の従来技術の装置を表す。
【図１０ｂ】上記の図のコンピュータシミュレーションからの出力であり、さらなる簡略化を示し、米国特許第２，９４９，５５０号の従来技術の装置を表す。
【図１０ｃ】上記の図のコンピュータシミュレーションからの出力であり、さらなる簡略化を示し、米国特許第２，９４９，５５０号の従来技術の装置を表す。
【００４６】
【図１１ａ】図７ａのコンピュータシミュレーションに対応し、米国特許第６，９５８，１３４号に記載のように追加の上流電極を並置した従来技術の装置のコンピュータシミュレーションからの出力である。
【図１１ｂ】図７ｂのコンピュータシミュレーションに対応し、米国特許第６，９５８，１３４号に記載のように追加の上流電極を並置した従来技術の装置のコンピュータシミュレーションからの出力である。
【図１１ｃ】図７ｃのコンピュータシミュレーションに対応し、米国特許第６，９５８，１３４号に記載のように追加の上流電極を並置した従来技術の装置のコンピュータシミュレーションからの出力である。
【００４７】
【図１２ａ】平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１２ｂ】平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１２ｃ】平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００４８】
【図１３ａ】平面電極の開口に隣接する電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１３ｂ】平面電極の開口に隣接する電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１３ｃ】平面電極の開口に隣接する電位井戸を生成する電極を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００４９】
【図１４ａ】図１３ａに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１４ｂ】図１３ｂに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１４ｃ】図１３ｃに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５０】
【図１５ａ】図１４ａに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を有し、このアッセイ装置が図１４ａでの誘電率とは異なる誘電率を有する本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１５ｂ】図１４ｂに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を有し、このアッセイ装置が図１４ｂでの誘電率とは異なる誘電率を有する本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１５ｃ】図１４ｃに類似しているが、電位井戸のところに介在するアッセイ装置を有し、このアッセイ装置が図１４ｃでの誘電率とは異なる誘電率を有する本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５１】
【図１６ａ】図１３ａに類似しているが、電位井戸を生成する電極の両側にアッセイ装置の要素を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１６ｂ】図１３ｂに類似しているが、電位井戸を生成する電極の両側にアッセイ装置の要素を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１６ｃ】図１３ｃに類似しているが、電位井戸を生成する電極の両側にアッセイ装置の要素を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５２】
【図１７ａ】図１０ａに類似しているが、平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を追加した本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１７ｂ】図１０ｂに類似しているが、平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を追加した本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１７ｃ】図１０ｃに類似しているが、平面電極の下流に電位井戸を生成する電極を追加した本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５３】
【図１８ａ】図１７ａに類似しているが、電位井戸に介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１８ｂ】図１７ｂに類似しているが、電位井戸に介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１８ｃ】図１７ｃに類似しているが、電位井戸に介在するアッセイ装置を備えた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５４】
【図１９ａ】電位井戸に入る空気流を増強するように電極に角度が付けられた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１９ｂ】電位井戸に入る空気流を増強するように電極に角度が付けられた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【図１９ｃ】電位井戸に入る空気流を増強するように電極に角度が付けられた本発明のコンピュータシミュレーションの出力である。
【００５５】
【図２０】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【図２１】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【図２２】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【図２３】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【図２４】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【図２５】３次元で静電場をモデル化するよりハイレベルのコンピュータシミュレーションプログラムの出力である。
【００５６】
【図２０ａ】本発明による装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２０ｂ】本発明による装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２０ｃ】本発明による装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２０ｄ】本発明による装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【００５７】
【図２１ａ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の或る面内の電界の図である。
【図２１ｂ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｃ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｄ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｅ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｆ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｇ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【図２１ｈ】図２０の装置の１つの軸に沿って進む連続面の別の面内の電界の図である。
【００５８】
【図２２ａ】図２０の装置の第２の軸に沿った連続面の或る面内の電界の図である。
【図２２ｂ】図２０の装置の第２の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２２ｃ】図２０の装置の第２の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２２ｄ】図２０の装置の第２の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【００５９】
【図２３ａ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の或る面内の電界の図である。
【図２３ｂ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２３ｃ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２３ｄ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２３ｅ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【図２３ｆ】図２０の装置の第３の軸に沿った連続面の別の面内の電界の図である。
【００６０】
【図２４ａ】本発明によるさらなる装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２４ｂ】本発明によるさらなる装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２４ｃ】本発明によるさらなる装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【図２４ｄ】本発明によるさらなる装置の立体投影図としてのＣＡＤ出力を表す。
【００６１】
【図２５ａ】図２４の装置の１つの軸に沿った或る面内の電界の図である。
【図２５ｂ】図２４の装置の１つの軸に沿った別の面内の電界の図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
本発明は、その最も簡単な実施形態では、ファン様装置によって生成される流れている空気流中で高電圧に保持される一連のワイヤと、この流れに曝され、流れている流れから荷電粒子を引き付けるように並置される電極を有するアッセイ装置の収集手段とを含む。並置された電極は、アッセイ装置の収集部位に荷電粒子を静電的に沈殿させる電位井戸を生成する。それに従って図３にこのような装置を詳細に示す。この装置は、非導電ハウジング３５、入口グリル３１、及び出口グリル３７を含む。ファン３６などの輸送装置が、３０で流入し３８で流出する流れている空気流を方向づけ通過させる。図３では断面で示されるワイヤ電極３２が、キロボルト程度の高電圧に保持され、プラズマの発生により荷電粒子３３が得られ、荷電粒子３３は流れている空気流から電位井戸を介してアッセイ装置４３の捕捉手段４２に引き付けられる。アッセイ装置４３には、接地を示す一般的な電気記号によって接地状態であることが示されている電極４１が組み込まれている。アッセイ装置４３は、ハウジング３５の凹形状開口３９内に取り外し可能に支持され固定されている。見やすくするために、図４にアッセイ装置４３を離して示す。したがって、アッセイを行うには、アッセイ装置は、本発明の動電現象による装置のハウジング３５の開口３９内に固定され、所定の電圧、流量、及び時間を経た後で取り外される。
【００６３】
アッセイの一形態は、側方流イムノクロマトグラフ装置であり、この装置では、アッセイは、適切なクロマトグラフ搬送促進流体を試料ウェル４２に塗布し、所定時間後に結果を読み取ることによって開始される。アッセイ対象物質の存在の有無又はその量を光学的又は電気化学的に検出し決定することを含む多数の他の簡単なアッセイシステムも使用し得る。本発明の装置は誘電性媒質内で動作するので、通常、導電水性流体を様々なアッセイタイプに加えて検出反応を開始させる必要がある。
【００６４】
本発明の理解は、従来技術の装置を示すことによって容易になる。さらに、本発明は従来技術の装置の簡単な改変によって達成されるので、いくつかの従来技術の装置の図面を含む図が含められている。図１は、家庭住宅用のＨＶＡＣシステムの様々な技術仕様所から導き出したものである。ファン１６によって空気流が駆動され、入口流れ１１及び出口流れ１８が得られる。これらの流れは、グリル１２を通って流入し、粗い前段フィルタ１３及び高電圧ワイヤ電極、接地電極１５を通り、そこで荷電粒子が静電沈殿し、グリル１７から流出する。本発明の機能では、前段フィルタは、通常、必要とされない。
【００６５】
本発明のさらなる実施形態において、図５に、動電現象による手段によって進められる誘電体流体の流れを用いる装置を示す。この装置は、非導電ハウジング５６並びに流入誘電体流体５１及び流出誘電体流体５８用の入口グリル５２及び出口グリル５７からなる。図５では断面で示されるワイヤ５３は正の高電圧に維持され、動電現象による流れが接地平面電極５５及び５９によって方向づけられる。電極５９には開口が存在し、その下に収集手段及びアッセイ装置が配置され、これらはハウジング５６内でクランプ３９で取り外し可能に支持される。図４と同様に、収集手段には、接地平面電極５９と比較して寸法が小さい電極４１が組み込まれる。この場合、電極４１はキロボルト程度の負の高電圧に保持される。平面電極５５及び５９により、荷電粒子５４がまず純流体流れとともに搬送されるが、これらが負電極４１によって生じる電位井戸に到達すると、荷電粒子５４はそれまでの流れから進路を変え、収集手段４３の収集部位に至る。そのため、アッセイを実施するには、アッセイ装置は、本発明の動電現象による装置のハウジング５６内の適切な開口３９に配置され、ワイヤ５３及び電極４１の所定の電圧に所定の時間曝された後、取り出される。アッセイの一形態は、側方流イムノクロマトグラフ装置であり、この場合、適切なクロマトグラフ搬送促進流体を試料ウェル４２に当て、所定の時間後、結果を読み取ることによってアッセイが開始される。アッセイ対象作用物質を光学的又は電気化学的に検出し同定することを含む多数の他の簡単なアッセイシステムも使用し得る。本発明の装置は誘電体媒質内で動作するので、検出反応を開始させるために、通常、様々なアッセイタイプに導電水性流体を加える必要がある。
【００６６】
本発明の別の実施形態では、試料収集の代替手段を用いて分析対象の作用物質の連続記録を生成し得る。図６に、このような実施形態を示す。図６の装置は、アッセイ装置が省略されその代わりにオープンリール式試料収集手段が設けられる点を除き、図５の装置にあらゆる点で類似している。このオープンリール式装置では、純誘電体流体流れに直交して試料収集手段を支持し移動させる。したがって、図６は、図５の装置のＸ．．．Ｘ断面を示す。リール６１及び６２は、矢印で示す方向に回転して、ハウジング５６のスロット６４を通して試料収集手段６２を搬送する。ハウジング内に実装される電極６３は、キロボルト程度の負電圧に保持される。図５と同様に、荷電粒子が、電極５３によって生じる電位井戸によって流れている流れから取り出され、試料収集手段６２上に被着する。そのため、アッセイを実施するには、ワイヤ電極５３及び面積が接地平面電極５９よりも小さい電極６３は所定の電圧に設定され、オープンリール式搬送装置は試料収集手段を所定の時間移動させる。試料収集装置の材料は、受動的な繊維状又は膜状の材料或いはアッセイ時まで定位置に試料を捕捉する活性材料を含んでもよいし、マイクロピラータイプなどの構造材料を含んでもよく、また、リガンド−抗リガンド反応をもたらすなどの埋め込まれた捕捉分子を有してもよい。所定の時間が経過した後で、巻き取りリール６１が取り外され、アッセイの前に水和反応にかけられ、それによって、捕捉された分析対象作用物質が、能動的又は受動的な固定のいずれかによって、或いは、リガンド−抗リガンド反応相互作用による捕捉によって捕捉手段上に置かれたままになる。アッセイが実施され、捕捉手段の長さに沿って記録された値により、測定対象作用物質の存在又はその量の時間記録が得られる。この連続記録は測色に基づくものとすることができ、この場合の記録は、時間の関数としての作用物質の存在又はその量を可視的に表すものである。この連続記録はデジタル値とすることもでき、この場合の記録は、時間の関数としての作用物質の量又はその存在の図式的な表現として提示し得る。
【００６７】
図２は、Ｃｕｓｔｉｓら（２００３年）の刊行物から再製したものである。図２の従来技術の装置は、動電現象により駆動される空気流が２０で流入し、２５で流出するハウジング２４、ワイヤ電極２１、及び平面電極２３を含む。定電圧推測線（電圧輪郭）が、電極２１を取り囲む破線円で示されており、空気流中の推測粒子運動が矢印２２で示されている。これは、粒子が取り外し可能な平面電極２３に当たり、その上に静電沈殿する様子を示している。Ｃｕｓｔｉｓらの手順によれば、平面電極をティッシュペーパーで拭くことによって平面電極から分析対象試料が収集され、抽出され、抽出物がイムノアッセイにかけられる。本発明の利点は、このような別々の拭き取りステップ及び抽出ステップが必要とされないことである。さらに、Ｃｕｓｔｉｓらの従来技術における等電圧輪郭線は推定によるものであるが、本発明ではコンピュータシミュレーションが利用可能であり、それによって、必要以上の実験をせずに本発明の装置の設計が容易になる。Ｂｒｏｗｎの米国特許第２，９４９，５５０号の図２でも電圧勾配の推定線が描かれている。この電圧勾配により、荷電粒子が受ける力及びその方向が求められる。電圧勾配は、コンピュータシミュレーションによって厳密に求めることができ、必要以上の実験は要らない。
【００６８】
本発明の装置のコンピュータシミュレーションは、米国ニューメキシコ州アルバカーキ（郵便番号８７１９２）、私書箱１３５９５号のＦｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社が提供するソフトウェアパッケージを使用して実施される。Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社が提供するこのソフトウェアは、クーロンの法則及びガウスの法則に基づく有限要素解析を利用している。この研究は、Ｓｔａｎｌｅｙ  Ｈｕｍｐｈｒｉｅｓ著、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ社発行の「Ｆｉｅｌｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ」（ＩＳＢＮ  ０−８４９３−１６６８−５）に記載されている。このソフトウェアの説明及び購入の状況はＦｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社が提供している。ここで用いるバージョンは、無料の学生バージョンであり、装置を設計するためのプログラムＭｅｓｈ６．５及び出力を生成するためのプログラムＥｓｔａｔ  ６．０を含む。図７ａ、７ｂ、及び７ｃ〜図１９ａ、１９ｂ、及び１９ｃの図は、このソフトウェアパッケージによって生成される。図２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄ〜図２５ａ及び２５ｂは、より高性能の３次元プログラムＧｅｏｍｅｔｅｒ、Ｍｅｔａｍｅｓｈ、ＨｉＰｈｉ、及びＰｈｉＶｉｅｗによって生成される。２００８年５月の米国ＥＰＡ／ＯＡＲ／ＯＲＩＡ／屋内環境部門（Ｉｎｄｏｏｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）（ＭＣ−６６０９Ｊ）、ＥＰＡ４０２−Ｆ−０８−００４
【００６９】
コンピュータシミュレーションの利用をさらに示すために、且つ、本発明が従来技術とどのように異なるかを示すために、図７ａ、７ｂ、及び７ｃ〜図１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃに従来技術の装置及びその配置を示す。このソフトウェアパッケージの応用例をよりよく理解するために、図７ａ、７ｂ、及び７ｃについて、処理を詳細に説明する。図７ａに、Ｍｅｓｈプログラムで生成されるＩｏｎｉｃ  Ｂｒｅｅｚｅの構成（図２）の表現を示す。４単位×４単位の境界ボックスが定義され、このボックス内にワイヤ電極を表す２つの点７０と、平面電極を表す３本の線７１とが配置される。対称性は面対象として定義される。これにより、面外の第３の次元に延びるすべての断面が等価になる。このバージョンのソフトウェアは２次元で演算を実施し、そのため計算が簡略化される。ＭｅｓｈプログラムはＣＡＤフォーマット（拡張子．ＤＸＦ）でファイルを保存し、また、このファイルはＥＳｔａｔプログラムによって認識されるスクリプト（拡張子．ＭＯＵ）に変換される。ＥＳｔａｔはさらに、寸法（単位はインチ）、誘電率（空気の場合は１）などの材料の性質、及び電圧（ワイヤ電極の場合は１０００、平面電極の場合は０）を追加する。これらのパラメータを用いて、新たなファイル（拡張子．ＥＩＮ）が生成される。次いで、このＥＩＮファイルに対してシミュレーションの数学的な解が実施され、それによって、解を含むファイル（拡張子．ＥＯＵ）が生成される。次いで、この．ＥＯＵファイルの解の様々な図式表現が利用可能である。図７ｂに、輪郭線による輪郭プロット出力を示す。これらの輪郭線は、電圧に従った数値ラベルが付与された等電圧線である。図７ｃに、表面プロット形式を示す。ここでは、斜視図を用いて電圧を第３の次元の高さとして表現する。この表面プロット図は、表面における傾きの急峻さ及び方向が電圧の勾配及び方向を表すので特に有用である。したがって、この表面プロットは、荷電粒子にかかる力及び方向からなるベクトルを表す。図７ｃから、ワイヤ電極のところで生成された、又は空気中にすでに存在した荷電粒子が勾配に沿って下向きに進められて３つの谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることがすぐにわかる。
【００７０】
残りの図８ａ、８ｂ、及び８ｃ〜図２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃの様々な構成も同様に生成される。
【００７１】
本発明の設計コンセプトを立証するために、図８ａ、８ｂ、及び８ｃに、平面電極の厚さの影響を示す。図７ａ、７ｂ、及び７ｃでは、平面電極は、厚さがゼロであるとして示されているが、図８ａ、８ｂ、及び８ｃでは、平面電極は、１／２０インチの有限の厚さを有するプレートとして示されている。これら２組の図は他のすべての点で同じである。無限に薄い電極から有限且つ実際的な厚さを有する電極に変更しても得られる電圧勾配には影響を及ぼさないことが容易にわかる。米国特許第７，０５６，３７０号、第７，０９７，６９５号、及び第７，３１１，７６２号は１つのファミリーに含まれるが、米国特許第４，７８９，８０１号の従来技術に対して、電極の厚さを小さくすることによる改善を教示している。ただし、厚さをさらに小さくしても本発明の利益にはならない。
【００７２】
本発明の目的では、電極配置をいくらか簡略化すると、アッセイ可能な作用物質をアッセイ装置の収集手段上に捕捉するための電位井戸を生成する第３の電極の配置を容易にするのに有利である。これに従い、図９ａ、９ｂ、及び９ｃ並びに図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃのコンピュータシミュレーションは、電極数を連続して減少させることの効果を示している。図９ａに、１つの高電圧ワイヤ電極９０及び電圧がゼロである２つのプレート電極９１を示す。輪郭プロットの図９ｂ及び表面プロットの図９ｃは、ワイヤ電極９０のところでプラズマとして生成された、又は、空気中にすでに存在した荷電粒子が、勾配に沿って下向きに進められて２つの谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることを示している。同様に、図１０ａは、単一の高電圧ワイヤ電極１００及び電圧がゼロである単一のプレート電極１０１を有する設計を示している。図１０ａの物理的な配置は、Ｂｒｏｗｎの米国特許第２，９４９，５５０号での動電現象による最初の設計に対応する。輪郭プロットの図１０ｂ及び表面プロットの図１０ｃは、ワイヤ電極１００のところでプラズマとして生成された、又は、空気中にすでに存在した荷電粒子が、勾配に沿って下向きに進められて谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることを示している。
【００７３】
図１１ａの設計は、直径０．２インチの２つのロッド電極１１２が追加され、ワイヤ電極１１０及びプレート電極１１１の上流に配置されることを除き図８ａの設計と同じである。電極１１２は、ワイヤ電極１１０と同様に１０００ボルトに保持される。図１１ｂ及び１１ｃのプロットは、電圧勾配の急峻さがロッド電極１１２の存在によって損なわれ、プラズマの生成及び動電現象による推進力が低減しているが、荷電粒子は依然として平面電極１１１に隣接する電位の谷に方向づけられることを示している。本発明で利用するという趣旨では何の集束効果も得られないことを強調しておく。ＴａｙｌｏｒとＬｅｅは、米国特許第６，９５８，１３４号で、上流電極を配置するとイオン化された粒子の流れを制御する助けとなると教示していることに留意されたい。ＴａｙｌｏｒとＬｅｅは、電位井戸を生成して流れている流体流から荷電粒子を捕捉する手段として、平面電極と比較して小さな寸法の電極を使用するという教示をどこにもしていない。図１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃは、以下で述べる本発明の実施形態から明らかになるように、ＴａｙｌｏｒとＬｅｅによって教示される集束効果が本発明で用いられる集束とは異なることを示している。
【００７４】
図１２ａに本発明の一実施形態を示す。この実施形態は、２つのワイヤ電極１２０、３つのプレート電極１２１、及び捕捉電極１２３からなる。この実施形態は、図７ａ、７ｂ、及び７ｃの従来技術の装置に類似しているが、本発明に従って捕捉電極１２３が追加されている。電極１２０は１０００ボルトであり、プレート１２１はゼロボルトであり、捕捉電極１２３は−１０００ボルトである。図１２ｂの輪郭プロット及び図１２ｃの表面プロットは、ワイヤ電極１２０のところでプラズマによって生成される動電現象により駆動される荷電粒子が、プレート電極１２１近傍の電位の谷まで駆動されるが、図１２ｃの表面プロットで明らかなように、これらの谷は下向きに傾いていることを示している。その結果、荷電粒子の流れは、捕捉電極１２３の方向に進められ、最終的に、捕捉電極１２３によって生じる電位井戸に捕捉される。平面電極１２１近傍の谷の下向きの傾きは、輪郭プロットの図１２ｂでは表面プロットの図１２ｃよりも不明瞭であることに留意されたい。これは、見易いようにシミュレーションプログラムによってプロット間隔が調整されているからである。
【００７５】
図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃに、本発明のより好ましい実施形態を示す。電極配置は、図９ａ、９ｂ、及び９ｃの従来技術の装置に基づいており、本発明に従って下記の改変がなされている。電極１３２がスロット１３４を伴って製作され、スロット１３４に類似の寸法の捕捉電極１３３が並置される。図５の電極配置も参照されたい。この配置では、動電現象による主な流体の流れに対して横方向にオフセットされた電位井戸を生成しており、本発明による或る種の設計では、捕捉手段及びアッセイ装置を流体の流れの中に直接挿入するよりも、これらの挿入に好都合である。このようにオフセットされた配置にしても、図１３ｂの輪郭プロット及び図１３ｃの表面プロットは、荷電粒子の流れが捕捉電極１３３の方向に進められ、最終的に、捕捉電極１３３によって生じる電位井戸に捕捉されることを示している。
【００７６】
簡単のため、且つ理解し易くするために、図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃには捕捉手段もアッセイ装置も含まれていない。図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃは、捕捉手段及び／又はアッセイ装置１４４が含まれている図である。捕捉手段及び／又はアッセイ装置１４４は、スロット付きプレート電極１４２と捕捉電極１４３の間に配置される。コンピュータシミュレーションには、捕捉手段及び／又はアッセイ装置に対する誘電率値２．０が入力される。米国フロリダ州Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ所在のＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ社発行のＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第９１版、２０１０年、第１３節から典型的な誘電率の参照値を得ることができる。この値２．０は、乾いた紙に対する値である。図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃと図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃを比較すると、捕捉手段としての紙の存在は、電界分布に大きな影響を及ぼさない。
【００７７】
同じウェブサイトから、ポリスチレン樹脂は、２．４〜２．６の範囲の誘電率を有することがわかる。捕捉手段及びアッセイ装置に用いる可能性のある材料の範囲をカバーするために、図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃのコンピュータシミュレーションにおいて、捕捉手段及び／又はアッセイ装置１５４に誘電率３．０を適用した。再び、図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃ、図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃと図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃとを比較すると、電界分布の結果に大きな乱れはない。このように、これらの上記シミュレーションは、本発明の設計において、捕捉手段及びアッセイ装置の選択及び配置に大きな自由度があることを示している。
【００７８】
図１６ａの１６４及び１６５によって示すように、捕捉手段は捕捉電極の両側に配置し得る。先の図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃ、図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃ、並びに図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃと同様に、電界分布に対する大きな影響はない。
【００７９】
図１７ａ、１７ｂ、及び１７ｃに、図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃの従来技術の装置に基づく本発明による装置を示す。この装置は、単一のワイヤ電極１７０、単一の平面電極１７１、及びこれらに加えて、平面電極１７１の下流に位置する捕捉電極１７２からなる。この配置は、流体の流れから荷電粒子を捕捉するために、捕捉電極が中心に配置された状態で、この流れを中心線に集中させることによって設計し得る。さらに、図１８ａ、１８ｂ、及び１８ｃの本発明による装置は、誘電率が２．０である捕捉手段１８３を平面電極１８１と捕捉電極１８２の間に追加して配置していることを示している。
【００８０】
図１９ａ、１９ｂ、及び１９ｃに、本発明による好ましい設計を示す。ここでは、３つのワイヤ電極１９０及び３つの平面電極１９１が角度を付けて配置されて捕捉電極１９２上に収束するように流体の流れを最大限に活用し、それによって、流体の流れと、動電現象により方向づけられ捕捉電極によって生じる電位井戸に入る流れとの組合せが最適化される。
【００８１】
上記コンピュータシミュレーションパッケージは、すべての断面が第３の次元に延びる面に相当する従来技術の装置を記述するのに適している。しかし、荷電粒子の流れを３次元的に集束させ、それによって真の集束効果をもたらす装置を形成することが望ましい。この目的で、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社からのよりハイレベルのソフトウェアパッケージが用いられる。このパッケージは、同じ基本的な物理方程式を同じ有限要素解法によって３次元空間で厳密に解く。このプログラムは３段階で実行される。プログラムＧｅｏｍｅｔｅｒは、３次元ＣＡＤの特徴を有し、例えば立体図を生成することによって視覚化された初期設計を生成するために用いられる。プログラムＭｅｔａｍｅｓｈはＧｅｏｍｅｔｅｒからの出力を取り込み、有限要素解析用のメッシュを生成し、また、これらの構成要素の寸法及び様々な電気的且つ物理的な特性を入力する。ＨｉＰｈｉは、Ｍｅｔａｍｅｓｈによって生成されるファイルについての方程式を解き、Ｐｈｉｖｉｅｗは、さらなる任意選択の計算を実施し、出力を表すための様々な任意選択肢を提供する。これに従って、図２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄに、Ｇｅｏｍｅｔｅｒで生成される装置を示す。ここでは、図９ａ、９ｂ、及び９ｃの従来技術の装置は、本発明による追加の捕捉電極を備える。ワイヤ電極２００は長さが１０インチであり、プレート電極２０１は１０×１０インチ平方であり、捕捉電極２０２は０．５×０．５インチである。プレート電極２０１及び捕捉電極２０２は厚さが０．１インチである。図２０ａは、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の向きを示す概略立体図である。図２０ｂはｘ軸に沿って装置を見下ろした図であり、図２０ｃはｙ軸に沿って装置を見下ろした図であり、図２０ｄはｚ軸に沿って装置を見下ろした図である。これらの軸の定義及びこれらの軸に対するそれぞれの部品の向きは、図２１〜２３を理解するのに重要である。というのは、図２１〜２３がこれら３つの軸に沿って装置内を進む連続面を表すからである。図２０〜２３では、本発明による装置は、ワイヤ電極２００で電圧が１０００であり、プレート電極２０１でゼロボルトであり、捕捉電極２０２で−１０００ボルトである。Ｐｈｉｖｉｅｗプログラムは、これら３つの各軸に沿った無数の面を表現し得るが、ここでは、図を見やすくするために、装置内の重要な場所に存在する面のみを示す。それに従って、図２１ａは、位置Ｘ＝−４．９５におけるｙ−ｚ面の図である。
【００８２】
面の位置は、各図の垂直軸上に示されている。定電圧輪郭線は、約１００ボルトの間隔で引かれている。輪郭の密度は場の強さ、したがって、荷電粒子に加えられる力を示している。矢印は、計算が行われた各セルにおける場の方向を表すベクトルである。それに従って、図２１ａでは、荷電粒子を中心線から離すように進める中ぐらいの力の場がある。この力は単にＹ−Ｚ面におけるベクトルの成分であり、ここでは、他の図と同様に、最終的な方向は３つのすべての次元におけるベクトルの合成であることに留意されたい。以後の連続した図２１ｂ〜２１ｈは、装置全体を連続的に進む面である。図２１ｂは、ワイヤ電極２００が存在する面での断面であり、ワイヤから外向きに伝播する極めて大きな場の力を示す。次に、図２１ｃ〜２１ｅは、平面電極に直交してその両端及び中心で切断したものである。場の強さは、この領域では比較的小さく、１本又はそれ未満の輪郭線によって示されているように、１インチ当たり１０ボルト未満である。図２１ｆは、平面電極間の中間での図であり、断面の中心の方向に増大する電圧勾配を示す。図２１ｇは、捕捉電極の断面を示し、電位井戸を形成する極めて大きな電圧勾配を示す。最後に、ｘ＝５インチにおける面は、場の強さが小さくなっていることを示すが、ベクトルの方向は依然として中心線に向いている。意外にも、装置から出る荷電粒子はいずれも、ｙ−ｚ面の中心に押し出され、図２２ａ及び２３ａ以降は、Ｘ軸に沿って電位井戸に戻る。
【００８３】
図２２ａ〜２２ｄに、原点からｙ軸に沿って外向きに進む連続したｘ−ｚ面を示す。この装置はｙ軸の原点に対して対称なので、ｙが負の値の断面は示されていない。ｚ軸に沿った図２３ａ〜２３ｆについても同様である。
【００８４】
図２２ａは、この２次元解析ソフトウェアパッケージの知見を確認するものであり、図２２ａの中心線近傍から出て、ベクトルが流れをプレート電極から離すように又は下流に方向づけることが予想される。さらに、図２３ではどの断面も、ベクトルのｘ−ｙ成分が下流を指していることを示している。したがって、プレート電極上への電気沈殿が最小限に抑えられる。図２３ａに、ｘ−ｙ面でのワイヤ電極と、捕捉電極とを含む断面を示す。この断面では、荷電粒子をワイヤ電極から捕捉電極の電位井戸に進める力が明らかである。図２３ｂは、捕捉電極にごく近接するｘ−ｙ面の断面であり、次いで、図２３ｃ、２３ｄ、及び２３ｅと図２３ｄに見えるプレート電極に近接してゆき、それを通り過ぎ、離れていく。
【００８５】
Ｇｅｏｍｅｔｅｒプログラムで生成された図２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに、本発明のさらなる実施形態を立体投影図で示す。この実施形態は、マイコバクテリウム・ツベルクローシス（Ｍ．  ｔｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ）などの呼気に含まれる病原体用の呼気分析器装置として機能させることを意図している。この実施形態は、図３に類似しているがファン３６を取り除いた構造を用いて実現され得る。ファンの代わりに、ユーザは、入口グリル３１から呼気を吹き込む。入口グリル３１は、吹きかけられた空気流を筐体内に導く。図２４ａは、電極配置の全体的な斜視図であり、すべての３つのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。図２４ｂはＹ軸に沿って見下ろした図であり、図２４ｃはＸ軸に沿って見下ろした図であり、図２４ｄはＺ軸に沿って見下ろした図である。図２４は電極配置のみを示しており、理解し易いように、電界に影響を及ぼさない範囲の誘電率の材料でできている支持構造を省略している。この装置は、プラズマを生成するための４つのワイヤ電極と、２つの異なるアッセイタイプを収集する手段に用いられ得る２つの捕捉電極とを含む。そのため、捕捉電極２４１は、米国特許第７，３８４，７９３号に詳細に記載されているように、イムノアッセイを利用する光学センサ装置に用いられ、捕捉電極２４２は、Ｂｌａｋｅｍｏｒｅら（２０１０年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、４８巻、２４９５〜２５０１頁、Ｈｅｌｂら（２０１０年）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、４８巻、２２９〜２３７頁、及びこれらの論文の参照文献に記載されている核酸増幅に基づくＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦシステム用の捕捉装置として用いられ得る。この実施形態の性能はＭｅｔａＭｅｓｈで処理され、結果はＨｉＰｈｉで生成される。図２５ａ及び２５ｂの２つの図はＰｈｉＶｉｅｗから生成される。完全な３次元解析結果から選択されたこれら２つの図は、この実施形態の性能の実証を表現するのに十分である。図２５ａは、Ｚ軸の原点を通るＸ−Ｙ面内の電界分布を示す疑似３Ｄ輪郭プロットである。このＺ軸は、物理的なＺ軸ではなく、０〜１０００ボルトの範囲を表す。図２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄからわかるように、この面は、４つのすべてのワイヤ電極と交差し、２つの捕捉電極の中間を通る。そのため、図２５ａは、電位の形成が、プラズマを生成し、且つ荷電粒子を捕捉し電気沈殿させるように働く捕捉電極近傍に電位井戸を生成するワイヤ電極でピークになることを示している。図２５ｂのさらなる輪郭プロットは、物理的なＺ軸から１インチ変位した平行面内の電圧分布である。この面は、長さが２インチであるワイヤ電極の端にある。ここでも、ワイヤ電極と、ここでは捕捉電極の端部の０．５インチ先にある残りの電位井戸とで電位がピークになることがわかる。この場合、２つの捕捉電極を組み込むことができるので、同じ検体用の２つの全く異なるアッセイシステムを提供することによって、アッセイの感度が増強される。さらなる改善が、電極２４２を同じ寸法のワイヤメッシュで置き換えることによって得られる。ワイヤメッシュ電極は、ワイヤのごく近傍にさらに大きな局所電圧勾���を生成し、そのため、捕捉効果が増強されるという利点を有する。試料収集の後で、ワイヤメッシュ電極を取り外し、２ｍｌのＮａＯＨ−イソプロパノール試料処理試薬に浸し、５秒間振とうし、室温で１５分間培養し、再度振とうし、ＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦカートリッジに移し、このアッセイ装置の標準の手順にかける。ＮａＯＨ−イソプロパノール試薬は、ＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦアッセイ装置の製造元であるＣｅｐｈｅｉｄ  Ｉｎｃ社によって提供される。
【００８６】
複数の捕捉電極を用いることによってさらなる多重能力を得ることができる。図２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃ並びに図２５ａ、２５ｂ、及び２５ｃは呼気分析装置内の電極の配置を示すが、マウスピース、ハウジング、及びアッセイ装置とのインターフェースのさらなる詳細が、米国特許第７，３８４，７９３号の明細書に記載されており、また、英国ケンブリッジ、Ｂａｂｒａｈａｍ所在のＲａｐｉｄ  Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ社によって商品化された収集手段及びアッセイ装置もある。筒状又は楕円形の断面のハウジングは、マウスピースを内包するように構成することができ、入口径がワイヤ電極の寸法に合うように最適化され、出口径が捕捉電極の寸法に合うように最適化されている。こうすると、呼気とワイヤ電極との接触面積が最大になり、出口流が捕捉電極全体に集中され得る。
【００８７】
Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社が提供するソフトウェアパッケージは、必要以上の実験をせずに最適な設計を達成するのに有用であることが明らかである。このようなプログラムが数年にわたって開発中である。Ｐ．Ｌ．Ｌｅｖｉｎら（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ、１９９３年、２８巻、１６１〜１６７頁の「Ａ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ−ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｆｉｎｉｔｅ−ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｐａｃｋａｇｅ」）によりこのようなパッケージが利用可能になった。静電沈殿装置を設計するためのこのようなソフトウェアパッケージの応用例が、Ｓ．Ｖｌａｄ（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２００３年、３９巻、６６〜７１頁の「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｐｌａｔｅ−ｔｙｐｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ」）及びＡ．Ｂｅｎｄｏａｏｕｄら（「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２０１０年、４６巻、６６６〜６７１頁の「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｃｏｒｏｎａ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎ  ａ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｗｉｒｅ−ｐｌａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」）によって提供されている。本発明の設計の最適化は、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ＬＬＣ社が提供するソフトウェアパッケージに限定されるものではない。
【００８８】
本発明の主要な要素は、流れている流体流中の対象とする荷電粒子の捕捉手段として作用する電位井戸を提供することである。本発明の範囲内で多数の装置を設計することが可能であり、本明細書で例示する構成は単に例として示すためのものである。電位井戸を生成することによって、荷電粒子を捕捉する汎用的で効率的な手段が提供され、捕捉された荷電粒子が測定装置又は検出装置に切れ目なく移されることは驚くべきことである。この検出又は検出装置の測定感度は、大容量の流体をサンプリングし、検出装置の小さな領域に荷電粒子を集中させることができることにより大きく増強される。非導電材料の特性、配置、及び寸法が電界分布に大きな影響を及ぼさないので、例えば任意の広範なプラスチックや高分子の非導電材料を用いる実際的な応用例の装置の設計及び製作には無限の可能性がある。
【００８９】
上記で説明した装置では、捕捉電極の面積がシステム内の他の電極と比較して小さく、そのため、大きな電圧勾配が得られる。これらの例では、捕捉電極の典型的な面積比は２０：１である。特定の装置の構成に応じて、この比は、５：１〜１０００：１の範囲、さらにはこれよりも広い範囲で変わることがあり、特定のシステムの性能要件によってのみ制限される。捕捉電極は、通常、矩形プレートの形態をとるが、金属製のグリッド又はメッシュの形態をとることもできる。プラズマを生成するためのワイヤ電極が複数ある場合、これらのワイヤ電極は、通常、平行ワイヤとしてアレイ化されるが、特定の設計の要件又は制約によっては矩形グリッドとして配置されてもよい。捕捉電極の幾何形状が、プラズマ生成を開始するには勾配が急峻すぎる電位井戸を生成しないこと、及び電位井戸から出られる荷電粒子を生成することのみが制約である。
【００９０】
これに対して、ワイヤ電極の寸法は、プラズマが生成されるのに十分な電位勾配が生成されるように十分に小さくしなければならない。ワイヤ電極は、有利には、直径が１．０ｍｍよりも大きくなく、一実施形態では、直径が約０．１ｍｍとし得る。ただし、ワイヤの幾何形状は変更することができ、先端が尖ったスパイクの形態をとってもよい。この場合、尖った先端により、荷電プラズマが形成されるのに十分に大きい局所電位勾配が生じ得る。
【００９１】
印加電圧は、本発明が実施される状態をもたらすのに十分に大きくなければならないが、電圧は性能を最適化するために変更し得る。電圧の値は、ワイヤ電極又は捕捉電極のいずれかで正負のいずれでもよい。本発明を実施するには、相対的な電圧のみが重要であり、そのため、例えば安全上の理由で、任意の電極を接地するか、又は低電圧に設定してもよい。
【００９２】
実際の形まで単純化するために、本発明の装置は、既存の装置の簡単な改変により製作し得る。そのため、ハードウェア、電子制御、美的配慮、寸法、携帯性、ＡＣ電源又は電池からの電力供給の細部に関するすべての仕様が、本明細書に記載の従来技術参照文献に詳細に説明されており、そのため、さらなる細部を本明細書で詳述する必要はない。
【００９３】
空気中ではなく誘電体媒質中のアッセイ対象の実体を捕捉するさらなる応用例が、本明細書を通して述べられた同じ原理を用いて実施され得る。誘電体流体媒質はさらに、油などの非導電液体を含み得る。油は、汚染物質、汚染生物体、又は生体分解生物体の存在についてサンプリングされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１８ｃ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２０ｄ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２１ｃ】
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【図２１ｄ】
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【図２１ｅ】
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【図２１ｆ】
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【図２１ｇ】
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【図２１ｈ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２２ｄ】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２３ｃ】
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【図２３ｄ】
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【図２３ｅ】
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【図２３ｆ】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２４ｃ】
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【図２４ｄ】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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