(57)【要約】粒子質量分光計20は、超音速流膨張ノズル22と、粒子38を含む気体36のソース34とを備えている。ソース34は、膨張ノズル22の入口24と気体流が連通している。粒子質量分光計20はさらに、膨張ノズル22の出口26と気体流が連通していて膨張ノズル22を通った気体流が超音速となるのに十分な真空状態である真空室45と、能動素子52およびこの能動素子52の動きに反応する出力信号54を有しているマイクロホン50とを備えている。この能動素子52は真空室45内に配置されており、膨張ノズル22の出口26から流れ出た粒子38がこの能動素子52に衝突するように位置されている。マイクロホン50の能動素子52の出力信号54は、含まれた粒子38の質量の尺度である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および出口(26)を有する超音速流膨張ノズル(22)と、
膨張ノズル(22)の入口(24)と気体流が連通している粒子(38)を含んだ気体(36)のソース(34)と、
膨張ノズル(22)の出口(26)と気体流が連通しており、膨張ノズル(22)を通った気体流が超音速となるように十分な真空状態である真空室(45)と、
能動素子(52)を備え、この能動素子(52)の動きに応答する出力信号(54)を有しているマイクロホン(50)とを備えており、前記能動素子(52)は真空室(45)内に配置され、膨張ノズル(22)の出口(26)から流れ出た粒子(38)がこの能動素子(52)に衝突するように位置されている粒子質量分光計。
【請求項２】
膨張ノズル(22)は集束発散膨張ノズル(22)である請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項３】
気体(36)のソース(34)には、
ウイルス粒子(38)のソース(34)が含まれている請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項４】
真空室(45)の圧力は約１０-3トル乃至約１０-1トルである請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項５】
さらに、膨張ノズル(22)の出口(26)からマイクロホン(50)に向って流れる粒子(38)が間を通過しなければならないように配置された１組の静電偏向板(57)を備えている請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項６】
マイクロホン(50)は、
マイクロホン(50)のアレイ(51)を含んでいる請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項７】
さらに、出力信号(54)を受取ってその出力信号(54)を粒子のタイプと関連づけるデータプロセッサ(70)を備えている請求項１記載の粒子質量分光計。
【請求項８】
気体(36)流中に粒子(38)を含ませ、
粒子(38)を含んだ気体(36)流が超音速流膨張ノズル(22)を通過して真空中に到達するように伝送し、
粒子(38)を含んだ気体(36)流が膨張ノズル(22)を出た後、粒子(38)を含んだ気体(36)流を真空内に保持されているマイクロホン(50)の能動素子(52)に衝突させ、
マイクロホン(50)の出力信号(54)を粒子(38)の質量と関連づけるステップを含んでいる粒子(38)の質量を決定する方法。
【請求項９】
粒子を含ませるステップは、約１０6-１０10ダルトンの質量を有する粒子(38)を供給するステップを含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
さらに、超音速流膨張ノズル(22)を出た気体(36)流中に含まれた粒子(38)を静電偏向するステップを含んでいる請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、小さい粒子の質量の測定に関し、とくに、粒子を超音速気流中に含ませてその粒子をマイクロホンの能動素子に衝突させる質量分光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種のタイプの小さい粒子の性質を正確に識別することは重要である。たとえば、さまざまなタイプのウイルスのような種々の生物学的に活動的な粒子は、広範囲にわたって異なる影響を生物に及ぼす。あるものはほとんど影響を与えない可能性があり、他のものは致命的なものかもしれない。ウイルスにさらされる可能性のある者は、必要なときに防止処置または対抗手段を使用できるように、このようなウイルスの性質を迅速かつ正確に識別する正確な方法が必要とされる。別の例においては、有害なものなる可能性のないウイルスに関しては何等行動をとる必要はない。
【０００３】
多数の化学的および物理的技術が、ウイルスのような小さい粒子を識別するのに有用である。化学的に活性の小さい粒子は、それらの化学反応を観察することにより解析されることができる。１つの技術においては、粒子はフィルタ中に捕獲され、その後その他の化学種または特定の化学物質とのそれらの反応を決定することにより化学的にテストされる。しかしながら、このような化学テストは識別するのにかなり時間がかかる可能性がある。小さい粒子はまた、それらの内部構造を決定するためにＸ線回折のような物理的特性にしたがって解析されることができる。この方法もまたかなり長い時間が必要であり、少数の非常に小さい粒子に関しては容易に行われることができない。小さい粒子はまた、走査型電子顕微鏡のような強力な顕微鏡を使用して、それらの質量を評価するために捕獲されて視覚的に解析されることができる。この技術は情報を実時間で得ることができず、走査型電子顕微鏡が利用できる必要がある。
【０００４】
大きい粒子を解析するために使用され、実時間解析の可能性がある別の方法において、光ビームが含まれた粒子の流れの中を通過される。その散乱された光ビームは、粒子の質量の分布に近似的に関連している可能性のある粒子の寸法の分布を得るために使用される。しかしながら、ウイルス粒子に対する場合のように、その光の波長よりはるかに小さい粒子を検出するのには光散乱は有用ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、大気中およびその他の場所における小さい粒子の存在および性質を迅速かつ正確に解析する方法が必要とされている。本発明はこの要求を満足させ、さらに関連した利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、気体流中に含まれた小さい粒子の質量を測定する装置および方法を提供する。この方法は、ウイルスのような非常に小さい粒子の質量の迅速な測定を可能にする。粒子に遭遇した時間とその質量情報が入手された時間との間には実質的に遅延はない。ウイルスに関しては、質量情報はそのウイルスの性質と十分に関連しているため、ウイルスの性質が本質的に瞬時に決定されることができる。
【０００７】
小さい粒子の質量の知識は、その粒子の性質を識別するのに有用かもしれない。ウイルスは典型的に特性を示す質量を有している。すなわち、時間にわたって質量が変化し、各タイプの細菌に対して１つの範囲の質量が存在する可能性のある細菌とは異なり、また、個別の質量を有しない別のタイプの粒子とは異なり、ウイルスは生存している間に成長もせず分裂もしないので、特定のタイプのウイルスの各粒子の質量は実質的に同じである。特性を示すウイルス質量は、日常的に遭遇されるほとんど全ての他の粒子の質量より小さい。
【０００８】
本発明によると、粒子質量分光計は、入口および出口を有する超音速流膨張ノズルと、粒子を含む気体のソースとを備えている。膨張ノズルは、集束発散膨張ノズルであることが好ましい。粒子は、約１０6-１０10ダルトンの質量を有するウイルスであることができる。ソースは膨張ノズルの入口と気体流が連通している。
【０００９】
粒子質量分光計はさらに、膨張ノズルの出口と気体流が連通している真空室を備えている。この真空室の圧力は、膨張ノズルを通った気体流が超音速となるように十分に低くされ、その範囲は典型的に約１０-3トル乃至約１０-1トルである。１０-3トルより低い圧力は許容可能であるが、気体分子の平均自由行程が長くなるように圧力は１０-1トルより大きくないことが好ましい。
【００１０】
マイクロホンは能動素子と、この能動素子の動きに反応する出力信号とを有している。この能動素子は典型的に粒子による衝撃に反応して動く。マイクロホンの能動素子は、一片の圧電材料であるか、あるいはフレキシブルな隔膜であることが好ましい。能動素子は真空室内に配置されており、膨張ノズルの出口から流れ出た粒子がこの能動素子に衝突するように位置されている。マイクロホンの出力信号は、能動素子に衝突する個々の粒子の質量のインジケータである。
【００１１】
いくつかの例において、マイクロホンの能動素子への粒子の流れが非常に大きいために、個々の粒子に関連した出力信号が重複して容易に解析されることができないことがある。解析を助けるために、粒子を静電偏向するような方法で粒子は角度をつけて拡散されることができる。１組の静電偏向板が配置され、膨張ノズルの出口からマイクロホンに向って流れる粒子がこれらの偏向板の間を通過して偏向されなければならない。静電偏向された粒子はマイクロホンのアレイに衝突する。このアレイの各マイクロホンは１個の能動素子を有し、その能動素子の動きに反応する出力信号を有している。各能動素子は真空室内に配置され、膨張ノズルの出口から流れ出た粒子がこの能動素子に衝突するように位置されている。静電偏向された粒子は横方向に偏向されて広がり、その結果マイクロホンの能動素子の異なったものに衝突し、それによって個々の各マイクロホンに対する粒子の衝撃が減少すると共に、信号の重複が減少して解析が容易になる。
【００１２】
粒子の質量を決定する方法は、気体流中に粒子を含ませ、粒子を含む気体流が超音速流膨張ノズルを通って真空中に到達するようにし、粒子を含んだ気体流が膨張ノズルを出た後、その粒子を含む気体流を真空内に保持されているマイクロホンの能動素子に衝突させるステップを含んでいる。マイクロホンの出力信号は、粒子の質量と関連している。ここに説明されている静電偏向板とマイクロホンのアレイ以外の別の適合可能な特徴は、この方法と関連されて使用されることができる。
【００１３】
本発明の方法は、気体流中に含まれて装置に供給された粒子の質量を本質的に瞬時に決定する。ウイルスのようないくつかの例において、その質量はそのウイルス粒子の性質と直接関連づけられ、したがって化学的特性および、または生物学的特性ならびにそのウイルス粒子の影響と関連づけられる。したがって、本発明の方法はこのような粒子のタイプ、化学的特性および、または生物学的性質を瞬時に決定する技術を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の好ましい実施形態のさらに詳細な説明および本発明の原理を例示によって示している添付図面から、本発明のその他の特徴および利点が明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されない。  
図１および２は、粒子質量分光計20の２つの実施形態を示している。これら２つの実施形態は、以下に説明することを除いて同じである。それぞれの例において、粒子質量分光計20は、入口24および出口26を有する超音速流膨張ノズル22を備えている。膨張ノズル22は、狭いのど部28と、入口24からのど部28まで断面積を減少させる集束領域30と、のど部28から出口26まで断面積を増加させる発散領域32とを有する集束発散膨張ノズルであることが好ましい。
【００１５】
粒子38がそこに含まれた気体36のソース34が存在し、これは膨張ノズル22の入口24と気体流が連通している。図示されたソース34はサンプル入口40と、オプションの希釈剤入口42とを備えている。サンプル気体流41中の粒子38はサンプル入口40中に供給されて、サンプルとして機能する。このサンプル気体流は随意的に、最初にフィルタ44を通って濾過されて希釈剤入口42中に供給された希釈剤気体流43と混合され、粒子38を含む気体36のソース34を生成する。気体36は典型的に空気であるが、しかしそれは任意の動作可能な気体であってよい。サンプル入口40からの気体流は、気体ソース中の粒子の数密度を減少させ、それによって以下に説明する測定される出力信号の可能性のある重複を減少させるために希釈剤入口42からの希釈剤気体流43によって希釈されることが好ましい。そうしなかった場合、粒子の高質量流およびその結果生じる信号の重複が重要な情報を曖昧にする可能性がある。サンプルと希釈剤との相対的なレートは、サンプル中の粒子の密度を逆算するために使用される。
【００１６】
粒子38は本発明の方法により動作可能な任意のタイプのものであることができ、広範囲にわたる粒子質量を有していてもよい。典型的に、どのサンプル中にも広範囲の粒子質量が存在する。本発明の方法の好ましい応用は、ウイルス粒子38を含んでいる可能性のあるサンプルを解析することである。個々のウイルスの質量は典型的に、ウイルスのタイプに応じて約１０6乃至約１０10ダルトンであり、これは細菌、塵埃粒子または煤粒子の質量と比較して著しく小さいが、しかし空気分子または多くのタイプの芳香族有機物分子の質量と比較して大きい。ウイルス粒子の質量はウイルスのタイプの良好なインジケータである。これは、ウイルス粒子が時間にわたって成長も分裂もしないため、ウイルスの任意の１つのタイプの粒子は本質的に同じ質量を有しているからである。
【００１７】
真空室45は膨張ノズル22の出口26と気体流が連通している。この真空室45は、フィルタ48を通して真空ポンプ46によって排気される。この真空室45および真空ポンプ46は、ソース34から供給された気体の流の割合（すなわち、サンプル気体流41と希釈剤気体流43との和）を考慮して、この真空室が膨張ノズル22を通った気体流が超音速となるのに十分な真空状態になるような寸法にされている。典型的な例において、真空室45の圧力は約１０-3トル乃至約１０-1トルであり、約１０-2トルであることが非常に好ましい。真空室45内の実質的に高い圧力では、超音速気体流は膨張ノズル22を通って発生しない。膨張ノズル22を通って推進力を気体流に与えるために、膨張ノズル22の出口26と連通している真空が使用されなければならない。入口24に与えられた正の圧力は、十分に高い真空が出口26と連通していない状態で使用されてはならない。出口側の真空は、超音速流を妨げる衝撃波が成長しないように分子衝突に対する平均自由行程を減少させるために必要である。
【００１８】
図３にさらに詳細に示されているマイクロホン50は、能動素子52を備え、この能動素子52の動きに応答する出力信号54を有している。粒子38が能動素子52に衝突したとき、個々の各粒子衝撃に関連した圧力は、能動素子52が偏向されるにしたがってその能動素子52から電気（または光）出力信号54を生成する。この出力信号54は解析電子装置58中の増幅器56（図３）によって増幅されて出力電圧ＶOUTを生成する。能動素子52は、図３に示されているキャパシタンスマイクロホン中のフレキシブルな隔膜または圧電材料のような任意の動作可能なタイプのものであってよい。マイクロホン50の能動素子52は真空室45内に配置されており、膨張ノズル22の出口26から流れ出た粒子38がこの能動素子52に衝突するように位置されている。
【００１９】
本発明の方法の重要な特徴は、気体36および粒子38を超音速流膨張ノズル22を通って超音速で流すことができることである。気体36が超音速で移動するとき、粒子38は超音速で移動する。粒子38はそれら質量にかかわらず、類似した速度（理想的には全く同じ速度）を有する。したがって、能動素子52への各粒子38の衝撃のモーメントおよび圧力はほぼその粒子38の質量だけの関数であり、一般に粒子の質量に比例する。それ故、各粒子衝撃に対するパルス状の出力信号54はほぼその衝突した粒子38の質量の関数である。
【００２０】
図１および２の実施形態は、図１の粒子質量分光計20が単一のマイクロホン50を備えており、図２の粒子質量分光計20が複数のマイクロホン50のアレイ51を備えている点で異なっている。図２の粒子質量分光計20はまた、ここでは静電偏向板57である１組の静電偏向装置を備えており、それらは膨張ノズル22の出口26からマイクロホン50に向って流れる粒子38がそれらの間を通過しなければならないように配置されている。典型的に５００-１０００ボルト程度の電圧ＶDが静電偏向板57の間に印加される。粒子38はそれらが膨張ノズル22中を通過するときに帯電され、それらの各質量および電荷に応じて静電偏向板57によってわずかに偏向される。これによって、同じ質量の均一の粒子であっても粒子38はわずかに異なった量だけ偏向されてアレイのマイクロホン50の異なったものに衝突する。角度的および空間的分離は分光計の結果に影響せず（したがって、偏向板57は本発明の方法を実施するのに必要ない）、単に粒子38の流れをマイクロホン50の任意の１つに減少させ、それによって出力信号54中の信号レートを減少させる。希釈剤気体流43によるサンプルの希釈はほぼ同じ結果になる。信号レートのこの減少は、個々の各粒子38の影響が出力信号54中において明らかに識別可能であることを保証すると共に、個々の粒子38の信号の重複を回避することを保証する。偏向板57はまた、図１の実施形態により使用されてもよい。
【００２１】
図４は、能動素子52に衝突した２個の異なった粒子の出力信号ＶOUTを示している。小さい粒子は、出力信号60を有する大きい粒子よりも積分面積が小さい出力信号59を有している。
【００２２】
動作において、非常に多数の粒子を測定することができ、その結果は図５に示されているように周波数−質量分布において組合せられることができる。大きい質量（小さい質量の逆数）の粒子に関しては、典型的に、発生した周波数の連続した分布62が背景レベル64の上方に存在する。これは、大きい粒子が通常別個の質量に対応しないためである。すなわち、塵埃粒子または煤粒子のような大きい粒子は典型的に特定の質量をもたず、普通は種々の質量の塵埃および煤粒子が存在する。ウイルス粒子のような小さい質量の粒子に関しては、典型的に分布の中に別個のピーク66が存在する。これは、その質量範囲内の粒子だけが、各ウイルス粒子の質量が同じタイプの別の各ウイルス粒子の質量と同じであるウイルスのような特定のタイプの粒子だからである。したがって、これらの別個のピーク66はしばしば、特定のタイプのウイルス粒子のような別の特定のタイプの粒子38と関連している。
【００２３】
小さい粒子の性質を識別するのを助けるために、解析電子装置58はさらにオプションのデータプロセッサ70を備えることができ、このデータプロセッサ70は示されている増幅された出力信号（ＶOUT）72または増幅されていない出力信号54を受取って出力信号72または54を解析する。データプロセッサ70において行われる解析は、任意の適切なタイプのものであることができるが、しかし典型的には出力信号を特定の粒子タイプの既知の質量に関連づける。小さい粒子がウイルスである重要な例においては、データプロセッサ70はウイルス質量の検索表をウイルスタイプの関数として含んでおり、出力信号中のピーク66がこれらのウイルスタイプと関連している可能性がある。
【００２４】
データプロセッサ70はまた、膨張ノズル22を通過した粒子38の速度不均一性を補償するように機能することができる。すなわち、１つのタイプの小さい粒子が常に別のタイプの小さい粒子より速い速度で移動するため、能動素子52に対するモーメントの衝撃がその粒子の質量だけに比例するものではない場合、検索表は純粋に質量だけではなく、その代りに、それに加えて速度依存性を考慮しているパラメータに基づくことによりこの影響を考慮することができる。このような方法は、一時に単一のタイプの既知の粒子だけを制御可能に含むソース気体34の測定が連続的に行われる較正研究を行うことによって実現される。
【００２５】
図６は、粒子の質量を決定する方法を示している。この方法は、気体流中に粒子を含ませるステップ80と、超音速流膨張ノズル22中を粒子38を含んだ気体36を通過させる真空ステップ82とを含んでいる。ステップ84において、粒子38を含む気体36は、その流れが膨張ノズルを出た後、真空内に保持されているマイクロホン50（単一のマイクロホン50またはマイクロホン50のアレイ51）の能動素子52に衝突させられる。ステップ86において、マイクロホン50の出力信号54が粒子38の質量と関連づけられる。関連づけるステップ86は、粒子の特定の質量を特定のタイプのウイルスと関連づけるために較正研究を行うことを含む図４および５に示されている関係を形成するステップを含むことができるが、それに限定されない。この方法に関連して、ここに記載されている本発明の方法の別の動作可能な特徴が使用されることができる。
【００２６】
以上、例示のために本発明の特定の実施形態を詳細に説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の修正および増強を行うことが可能である。したがって、本発明は添付された特許請求の範囲のみによって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】粒子質量分光計の第１の実施形態の概略図。
【図２】粒子質量分光計の第２の実施形態の概略図。
【図３】マイクロホンおよび解析電子装置の概略図。
【図４】質量の異なる２個の粒子に対するマイクロホンの出力信号の概略図。
【図５】マイクロホンの出力信号において粒子質量の逆数の関数として発生した周波数のグラフ。
【図６】本発明の方法の好ましい実施形態を実施する方法のブロックフロー図。
【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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【国際調査報告】
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