(57)【要約】流入した空気の流れ内の２つ以上のグループの粒子の選択された少なくとも１つに静電荷を印加するように適合されている帯電システムを含んでいる、浮遊微粒子を分類するための装置が提供される。集束システムは、流入した空気の流れよりも細い集束された流れに、帯電された粒子を静電気的に集束させるように適合されている。堆積システムは、集束された流れから粒子をターゲット表面上に堆積させるように適合されており、ここで、ターゲット表面は、その上に堆積された粒子を分析することができる分析システムに搬送されることができる。
2007506106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１のグループの粒子が、第２のグループの粒子が偏向されるよりも大きな度合いで偏向されるように、前記粒子に静電荷を印加するように適合されている粒子帯電システムと、
少なくとも前記第１のグループの前記粒子を、流入した空気の流れよりも細い集束された流れに静電気的に実質的に集束させるように適合されている粒子集束システムと、
前記集束された流れから、前記第１のグループの前記粒子をターゲット表面上に堆積させるように適合されている粒子堆積システムとを含む、
流入した空気の流れ内に含まれている２つ以上の異なるグループの粒子を分離するための装置。
【請求項２】
前記２つ以上の異なるグループの粒子から、前記少なくとも第１のグループの粒子を識別するように適合されている粒子識別システムをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記粒子識別システムが、前記粒子帯電セクションにより前記第１のグループの粒子が帯電される前に、前記少なくとも第１のグループの粒子を識別するように適合されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子識別システムが、少なくとも１つの光学的に観察可能な特性に基づいて、前記少なくとも第１のグループの粒子を識別するように適合されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光学的に観察可能な特性が、蛍光、色、粒子形状、および粒子サイズの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記帯電システムが
前記流入した空気の流れの軌跡の近傍に配置された第１の電極のアレイと、
前記第１の電極のアレイの近傍に配置された第２の電極であって、前記第２の電極と前記第１の電極のアレイがそれらの間に静電場を生成するように適合されており、前記静電場が前記流入した空気の流れ内の粒子を帯電させるように適合されている、第２の電極とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のグループの粒子内の粒子の軌跡が、前記集束システムに向かって偏向されるように、前記少なくとも第１のグループの粒子を帯電させるように前記静電場が適合されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ターゲット表面は、５００ミクロン以下の直径を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ターゲット表面が
前記少なくとも第１のグループの粒子の粒子がその上に堆積される少なくとも第１の電極と、
前記少なくとも第１のグループの粒子の粒子がその上に堆積されない少なくとも第２の電極とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも第１のグループの粒子が、第２のグループの粒子が偏向されるよりもより大きな度合いで偏向されるように、前記粒子に静電荷を印加する工程と、
少なくとも前記第１のグループの前記粒子を、流入した空気の流れよりも細い集束された流れに静電気的に実質的に集束させる工程と、
前記集束された流れから、前記第１のグループの前記粒子をターゲット表面上に堆積させるように粒子堆積システムが適合される工程とを含む、流入した空気の流れ内に含まれている２つ以上の異なるグループの粒子を分離するための方法。
【請求項１１】
少なくとも第１のグループの粒子が、第２のグループの粒子が偏向されるよりも大きな度合いで偏向されるように、前記粒子に静電荷を印加するように適合されている粒子帯電システムと、
前記第１のグループの前記粒子をターゲット表面上に堆積させるように適合されている粒子堆積システムとを含む、
流入した空気の流れ内に含まれている２つ以上の異なるグループの粒子を分離するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照により本明細書に組み込まれた、２００３年９月１９日出願の（「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｏｒｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」と題された）アメリカ合衆国特許仮出願第６０／５０４，６８２号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般には空気のサンプリングに関し、より詳細には、空気サンプルからのエアロゾル粒子の収集と分類に関する。
【背景技術】
【０００３】
到来する空気サンプルから、対象とする粒子（例えば、エアロゾル粒子）を分類することができる、軍用、私用、個別用の空気サンプリング・システムへの増大する需要が存在する。粒子の分類は、分析技術（例えば、スペクトログラフを使用する識別）を実行する前に、サンプル中の無視される粒子の数を削減することにより、空気サンプルの内容物を、より高速で精密に分析することを可能にする。対象とする粒子は、一般的に、空気サンプル中の他の粒子と分離され、次にさらなる分析のために、ターゲット上または粒子捕集表面上に集束（ｆｏｃｕｓ）される。
【０００４】
現在の粒子分類システムは、サンプル空気流内の粒子を操作して集束させるために、空気力学的技術（例えば、ノズル）を使用している。そのような分類システムは、大きな（例えば、約５０μｍより大きい）粒子をかなりうまく分類することを達成する一方で、より小さい（例えば、約０．５μｍから１０μｍの範囲の）粒子を操作することが求められる場合には、しばしば信頼性にかける動作をする。さらにそのようなシステムは、多数の気流の流れの調整が困難であり、結果的に流れの直径が圧縮されるので、粒子の速度が増加するために、分類された粒子を、指定されたターゲット上または捕集表面上に集めることにおいて最適な精度を示さない。
【特許文献１】アメリカ合衆国特許仮出願第６０／５０４，６８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、当技術において、浮遊微粒子分類の改良された方法および装置への必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、浮遊微粒子を分類するための装置は、少なくとも第１のグループの粒子が、第２のグループの粒子が偏向されるよりも大きな度合いで偏向されるように、粒子に静電荷を印加するように適合されている帯電システムを含んでいる。集束システムは、少なくとも第１のグループの粒子を、流入した空気の流れよりも細い集束された流れに静電気的に実質的に集束させるように適合されている。堆積システムは、集束された流れから、第１のグループの粒子をターゲット表面上に実質的に堆積させるように適合されており、ここで、このターゲット表面は、その上に堆積された粒子を分析することができる分析システムに搬送されることができる。別の実施形態では、特により小さい粒子に対して、より精密な粒子の集束さえも可能にするイオン風が粒子分類システム内部に生成される。
【０００７】
前で言及された本発明の実施形態が達成される方法が詳細に理解されることができるように、前で簡潔に要約された本発明のより具体的な記述が、添付の図面に示される本発明の実施形態を参照することによって与えられることができる。しかしながら、添付された図面は本発明の典型的な実施形態を示すのみであり、したがって本発明は、他の同等に効果的な実施形態を許容できるので、それらが本発明の範囲を限定するものであると考えるべきでないことに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
理解を容易にするために、可能な場合には、図面に共通な同一の要素を示すために、同一の参照番号が用いられている。
【０００９】
本発明の実施形態は、一般には、浮遊微粒子を分類して、ターゲットの堆積表面上に分類された粒子を正確に堆積する装置を提供する。一実施形態では、現存する分類システムよりも実質的により正確な粒子の分類と堆積を達成するために、この装置は、静電気的な帯電メカニズムと集束メカニズムを使用している。さらに本発明の装置は、より小さい粒子に対してさえも、より効率的な分類と堆積を達成する。開示されたシステムが、浮遊微粒子の捕集、および微量の薬剤の堆積用途（例えば、吸入器）を含む、他の分野における用途を同様に有することができることが当業者には明らかであろう。
【００１０】
図１は、本発明による粒子分類システム１００の、一実施形態を示す模式図である。一実施形態では、このシステム１００は、４つの主要な構成要素、すなわちスペクトログラフィック識別サブシステム１０２、粒子帯電セクション１０４、粒子集束セクション１０６、および粒子堆積サブシステム１０８を含んでいる。
【００１１】
スペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、到来する空気サンプル（１つまたは複数の異なるタイプの粒子を含んでいる）を受領し、さらなる分析のために、その空気サンプル内の対象とする粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、フロー・シャフト１１０、およびこのフロー・シャフト１１０の周囲に位置する光検出ユニット１１２を含む。一実施形態では、光検出ユニット１１２は、蛍光、色、粒子サイズ、粒子形状等を含むがこれらに限定されない１つまたは複数の光学的に観察可能な特性に基づいて、粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、光検出ユニット１１２は、粒子がこの光検出ユニット１１２により形成されたビームを横切る際に、個々の粒子により生成される散乱光のパターンを検出することにより、対象とする粒子を識別するように適合されている。この光検出システム１１２はさらに、以下でより詳細に論ぜられるように、各々の粒子について、その粒子の最終到達地を示す信号を生成するように適合されている。
【００１２】
一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、それを通る粒子のごく一部のみを対象とする粒子として識別する。一実施形態では、識別される粒子と無視される粒子の比率は、約１対１，０００から１対１００程度である。
【００１３】
一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、仮想インパクタまたは一般的なサンプリング装置内部の他のシステムからの空気サンプルを受領するように適合されている。さらにこのスペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、シース流を受領するように適合されている。一実施形態では、このシース流は、フロー・シャフト１１０が空気サンプルを受領する位置の近傍で、フロー・シャフト１１０に注入されるガス（例えば、空気または他の混合ガス）である。粒子の軌跡が光検出ユニット１１２の視野（例えば、レーザのビーム）と交差するように、到来する空気サンプル中の粒子に空気力学的に焦点を合わせるために、シース流は使用されている。
【００１４】
一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２はさらに、粒子分類システム１００の他の構成要素に空気サンプル内に含まれる粒子をより良好に搬送し集束するための複合の流れを形成するために、フロー・シャフト１１０内部で到来する空気サンプルをシース流と混合するように適合されている。
【００１５】
他の実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２はさらに、この複合の流れ内の対象とする粒子（例えば、所望の光学的特性を示す粒子）の識別に基づいて、粒子帯電セクション１０４に制御信号を提供するように適合されている。この制御信号は、粒子帯電セクション１０４が堆積のためにより効率的に粒子を帯電できるようにする。
【００１６】
粒子帯電セクション１０４は、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２の下流に配置され、以下により詳細に記述されているように、粒子集束セクション１０６の適切な部分に、複合の流れ内の粒子を帯電させて偏向させるように適合されている。一実施形態では、粒子帯電セクション１０４は、フロー・シャフト１１０の周囲の近傍に配置された放射状の静電気帯電メカニズム１１４を含んでいる。一実施形態では、この静電気帯電メカニズム１１４は、複数の尖った電極チップ（例えば、フロー・シャフト１１０の端部に機械的に形成された）を含んでいる。一実施形態では、静電気帯電メカニズム１１４は、フロー・シャフト１１０の周囲の近傍に配置された第１の電極（例えば、コロナ電極）のアレイ１１６と、このアレイ１１６に対してフロー・シャフト１１０の反対側に配置された第２の電極（例えば、グラウンド電極またはアレイ１１６より低い電圧の他の電極）１１８を含んでおり、アレイ１１６とグラウンド電極１１８はそれらの間に静電場１２０を生成するように適合されている。
【００１７】
具体的には、アレイ１１６および第２の電極１１８は、複合の流れ内の粒子を帯電する静電場１２０を生成するように適合されている。一実施形態では、静電気帯電メカニズム１１４は、対象とする粒子を静電気帯電メカニズム１１４が効率的に帯電させることができるようにするスペクトログラフィック識別サブシステム１０２からの制御信号を受領するように適合されている。一実施形態では、静電気帯電メカニズム１１４は、対象とする粒子としてスペクトログラフィック識別サブシステム１０２によって識別された粒子のみが帯電されるように制御される。他の実施形態では、静電気帯電メカニズム１１４は複合の流れ内のすべての粒子に電荷を印加し、したがって異なる比率の粒子が、それらの偏向の度合いを決定する異なる電荷対半径比を得る。生成された静電場は、対象とする粒子であると識別された粒子が、粒子集束セクション１０６の第１の位置に偏向されるような強度である。
【００１８】
一実施形態では、粒子は、細い複合の流れ内を、約１０から２０ｍ毎秒の間の速度で粒子帯電セクション１０４を通って流れ、したがって粒子が第２の電極１１８上に捕集されることを実質的に防止する。異なるサイズの粒子は、異なる度合いで偏向され、したがって個々の粒子の軌跡は、最大の粒子（例えば、最大の直径）が最も大きく偏向されるように、その粒子のサイズに従って変化する。同じ電荷対半径比を有する実質的にすべての粒子は、共通の軌跡に沿って偏向される。一実施形態では、静電場１２０は、対象とする粒子であると識別された粒子を完全に帯電させ、そのため所定の直径に対する帯電は均一であり、したがって偏向される粒子に対して再現可能な軌跡を保証する。
【００１９】
一実施形態では、粒子帯電セクション１０４は、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２によって対象とする粒子であると識別された粒子が偏向される場合にのみ起動される。これは、光検出ユニット１１２に害を与える可能性がある、潜在的な電磁放射相互作用を低減する。
【００２０】
粒子集束セクション１０６は、粒子帯電セクション１０４の下流に配置され、フロー・シャフト１１０から分岐する方向に枝分かれする第１の部分１２２および第２の部分１２４とを含んでいる。粒子集束セクション１０６の第１の部分１２２は、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２によって対象とする粒子であると識別され、粒子帯電セクション１０４によって適切に帯電され、偏向された粒子を受領するように適合されている。粒子集束セクション１０６の第１の部分１２２は、その内部に配置された第１の分類シャフト１２６、および偏向された粒子の流れを堆積のためのより細い流れへと集束するように適合されている静電気集束メカニズム１２８を含んでいる。一実施形態では、静電気集束メカニズム１２８は、静電気レンズ１３０を含んでいる。
【００２１】
図３は、粒子分類システム１００に使用される、静電気レンズ１３０の一実施形態を示す上面図である。一実施形態では、静電気レンズ１３０は、レンズ・ハウジング３００、および収束型レンズ３０２を含んでいる。一実施形態では、レンズ・ハウジング３００は、その内部に備えられた収束型レンズ３０２を保護するように構成された円筒形ハウジングである。一実施形態では、レンズ・ハウジング３００は、誘電体材料で形成されている。
【００２２】
一実施形態では、収束型レンズ３０２は、複数の薄い壁面の導電性チューブ３０４１〜３０４ｎ（以下では、集合的に「チューブ３０４」と呼称する）を含んでいる。複数の導電性チューブ３０４の各々は異なる直径を有し、チューブ３０４の直径がより小さいほど、チューブ３０４が半径方向のさらに内側であるように、導電性チューブ３０４は同心円状に配置されている。一実施形態では、各々のチューブ３０４が隣とは半径方向のギャップ３０６１〜３０６ｎ（以下では集合的に「エア・ギャップ３０６」と呼称する）により隔てられ、かつ静電気レンズ１３０の中心軸である、共通の中心軸Ｃをチューブ３０４が共有するように、チューブ３０４は、相互にレンズ・ハウジング３００内部に精密に配列されている。
【００２３】
収束型レンズ３０２の効率は、一連のチューブの直径、連続的なチューブ３０４の間の異なる電圧、個々のチューブの長さ、および隣接するチューブ３０４間の半径方向のエア・ギャップ３０６を含む複数のパラメータに依存する。一実施形態では、これらのパラメータは、静電気分析ソフトウェアを使用して最適化されてもよい。
【００２４】
一実施形態では、静電気レンズ１３０の個々の集束セクション（例えば、チューブ３０４）は、交番する極性モードに構成されている。他の実施形態では、静電気レンズ１３０の個々のチューブ３０４は、連続ステップ電圧構成に構成されている。連続ステップ電圧構成は、一般に、結果としてよりコンパクトでより効率的なデザインになるが、使用されているチューブ３０４の数に依存して、最も内側のチューブ３０４のピーク電圧がかなり高くなることがある。これにより、静電気レンズ１３０の中心軸Ｃに向かって、より大きな粒子がより小さい粒子よりも急速に移動することになり、したがって一実施形態では、静電気レンズ１３０の中心軸Ｃは、より小さい粒子の偏向軌跡と同心的に配置されている。このようにして、より小さい粒子は、静電気レンズ１３０の中心軸Ｃに到達するために横断する最小の距離を有する。
【００２５】
一実施形態では、複数の同心円のチューブ３０４は、最外周のチューブ３０４１から最内周のチューブ３０４ｎへと内側に延伸する２つ以上の半径方向フィン３０８１〜３０８ｎ（以下では、「フィン３０８」と呼称する）により支持されている。一実施形態では、半径方向フィン３０８は、以下でより詳細に論じるように、チューブ３０４を通る流れを妨害することがないように、可能な限り薄く形成される。
【００２６】
動作中、静電気レンズ１３０内部に方向転換された複合の流れの一部は、この複合の流れがレンズの入り口から出口へ（例えば、中心軸Ｃに向かって）流れるように、静電気レンズ１３０の連続した各々のエア・ギャップ３０６を通って流れる。この複合の流れは連続したエア・ギャップ３０６を通って流れるので、複合の流れは静電気レンズ１３０から出るまで、段々により狭くなって集束される。最外周（最大直径）または入り口のチューブ３０４１を通る流れの速度は、最内周（最小直径）または出口のチューブ３０４ｎを通る流れの速度と実質的に等しい。各々のチューブ３０４の内側の体積流速は、半径方向の内側に向かって低下する。反対に、各々のチューブ３０４の外側の体積流速は、静電気レンズ１３０の入り口から出口へ粒子が進行するので、半径方向の外側に向かって上昇し、以下でより詳細に論じられるように、その地点で複合の流れの大部分が粒子堆積サブシステム１０８から離れて導かれ、粒子集束セクション１０６の第２の部分１２４へ向かう。
【００２７】
再び図１を参照すると、粒子集束セクション１０６の第２の部分１２４は、第１の分類シャフト１２６から分岐する第２の分類シャフト１３２を含んでおり、大部分の無視される粒子を含む複合の流れの一部を搬送するように適合されている。一実施形態では、第２の分類シャフト１３２は、これらの無視される粒子を捕集システムまたは廃棄のためのセクションへ搬送する。
【００２８】
粒子堆積サブシステム１０８は、粒子集束セクション１０６の下流に配置され、より具体的には、静電気集束メカニズム１２８（例えば、静電気レンズ１３０の最内周チューブ３０４ｎ）の最も細い部分（例えば、最内周チューブ３０４ｎ）の下流に配置されている。粒子堆積サブシステム１０８は、分類され集束された対象とする粒子（例えば、粒子Ｐ）が、（例えば、ラマン検出システム１３６または他のスペクトログラフィック調査システムによる）さらなる分析のために堆積されるターゲット表面１３４を含んでいる。一実施形態では、このターゲット表面１３４は、堆積された粒子を粒子分析システム（図示せず）へ搬送する、テープなどの移動表面である。一実施形態では、その上に粒子が堆積されるターゲット表面１３４のその部分は、５００ミクロン以下の直径を有する。
【００２９】
動作の一実施形態では、空気サンプル（例えば、エアロゾル流）は、粒子分類システム１００により受領され、より具体的には、スペクトログラフィック識別サブシステム１０２により受領される。同時に、シース流も同様に粒子分類システム１００により受領され、このシース流は空気サンプルと混合されて、光検出ユニット１１２を通り過ぎて搬送される複合の流れを形成する。光検出ユニット１１２は、前で論じられた、１つまたは複数の光学的に観察可能な特性に基づいて、複合の流れ内の対象とする粒子を（例えば、その粒子の最終到達地を表わす、各々の粒子に対する制御信号を生成することにより）識別する。一実施形態では、このスペクトログラフィック識別サブシステム１０２は、光検出ユニットによる対象とする粒子の観察に基づいて、制御信号を粒子帯電セクション１０４に供給する。
【００３０】
複合の流れは、粒子帯電セクション１０４を通って搬送されるので、第１の電極１１６のアレイは、この複合の流れ内に含まれている粒子を帯電させる静電場１２０を第２の電極１１８と共に生成する。対象とする粒子であると識別された粒子が、複合の流れの中心から（例えば、粒子集束セクション１０６の第１の分類シャフト１２６に向かって）偏向されるように、粒子は帯電される。一実施形態では、この光検出ユニット１１２により生成される信号は、粒子帯電セクション１０４へ出力され、粒子帯電セクション１０４は、粒子の偏向を容易にするために、適切な方法により静電場１２０を調節する。一実施形態では、この静電場１２０は、高速スイッチング回路により調節される。
【００３１】
無視される粒子（例えば、粒子ｐ）は、対象とする粒子が偏向されるよりもより小さい度合いで偏向され、したがって、大部分の無視される粒子を含んでいる複合の流れの第１の部分は、第２の分類シャフト１３２へ搬送され、第２の分類シャフト１３２は、最終的に複合の流れの第１の部分を捕集装置またはその他の廃棄用の装置に届ける。
【００３２】
偏向された粒子（すなわち、対象とする粒子）を含んでいる複合の流れの第２の部分は、第１の分類シャフト１２６に搬送される。複合の流れのこの第２の部分は、次いで静電気レンズ１３０を通って流れ、偏向された粒子はそこで、段々と細くなるようにして集束される。静電気レンズ１３０の最も狭い部分（例えば、チューブ３０４ｎ）を通って集束された後に、偏向された粒子は粒子堆積サブシステム１０８に届けられ、偏向された粒子はそこで、ターゲット表面１３４上に堆積される。堆積された粒子を含んでいるターゲット表面１３４は、次いでその上に堆積された粒子の分析のために、粒子分析システムに届けられる。
【００３３】
この粒子分類システム１００は、現存する分類システムよりも、実質的により正確な粒子の堆積を達成し、さらに、より小さい粒子に対してさえも、より効率的な分類と堆積を達成する。これは、粒子の集束用の静電気メカニズム（例えば、静電気レンズ１３０）を使用することに部分的に起因し、静電気のメカニズムは、ターゲット表面１３４上への堆積を容易にする、低い速度のしっかりと集束された粒子の流れを達成する。このようにして、集束された粒子の堆積位置全体への、従来の空気力学技術と比較してより大きな制御が達成される。
【００３４】
図２は、本発明による粒子分類システム２００の第２の実施形態を示す模式図である。一実施形態では、このシステム２００は、図１に示された粒子分類システム１００と実質的に同様であり、４つの主要な構成要素、すなわちスペクトログラフィック識別サブシステム２０２、粒子帯電セクション２０４、粒子集束セクション２０６、および粒子堆積サブシステム２０８を含んでいる。しかしながら、このシステム２００の４つの主要な構成要素は、粒子分類システム１００の構成に対してわずかに異なる方法で構成されている。
【００３５】
一実施形態では、粒子帯電セクション２０４は、到来する空気サンプル（１つまたは複数の異なるタイプの粒子を含んでいる）を受領するように適合されているフロー・シャフト２１０を含んでいる。さらにフロー・シャフト２１０は、この粒子分類システム２００の他の構成要素に空気サンプル内に含まれている粒子をより良好に搬送するための複合の流れを形成するために、到来する空気サンプルと組合せられるシース流を受領するように構成されている。粒子帯電セクション１０４と同様に、粒子帯電セクション２０４は、複合の流れ内に静電場２２０を生成してその内部に含まれている粒子を帯電させる第１の電極のアレイ２１６および第２の電極２１８を含んでいる。
【００３６】
粒子集束セクション２０６は、粒子帯電セクション２０４の下流に配置され、フロー・シャフト２１０と、フロー・シャフト２１０から分岐する方向に枝分かれする廃棄シャフト２３２とを含んでいる。この粒子集束セクション２０６内部に配置されたフロー・シャフト２１０の一部分は、その内部に配置された静電気集束メカニズム２２８をさらに含み、また堆積のためのより細い流れへと帯電された粒子の流れを集束するように適合されている。一実施形態では、静電気集束メカニズム２２８は、図３に示された静電気レンズ１３０と同様の収束型静電気レンズ２３０を含んでいる。廃棄シャフト２３２は、フロー・シャフト２１０から分岐し、複合の流れの集束されない部分を、粒子分類システム２００から取り除くように適合されている。
【００３７】
スペクトログラフィック識別サブシステム２０２は、粒子集束セクション２０６の下流に配置され、集束される複合の流れ内の対象とする粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム２０２は、光検出ユニッ２１２と、集束されたフロー・シャフト２２６とを含んでいる。光検出ユニット２１２は、静電気集束メカニズム２２８の最も狭い部分の近傍の、集束されたフロー・シャフト２２６の第１の端部２２７に配置されている。一実施形態では、光検出ユニット２１２は、蛍光、色、粒子サイズ等を含むがこれらに限定されない１つまたは複数の光学的に観察可能な特性に基づいて、粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム２０２は、以下により詳細に記述されるように、対象とする粒子をより効率的な方法で堆積させるために、極性が切り換えられるターゲット表面に制御信号を提供するように適合されている。
【００３８】
粒子堆積サブシステム２０８は、集束されたフロー・シャフト２２６、極性切り換えスイッチ２４０、および選択された粒子がさらなる分析のためにその上に収集されるターゲット表面（例えば、図４の４００）を含んでいる。極性切り換えスイッチ２４０は、光検出ユニット２１２の下流の、集束されたフロー・シャフト２２６の遠端部２３９に配置されている。ターゲット表面は、極性切り換えスイッチ２４０の近傍の、集束されたフロー・シャフト２２６の遠端部に同様に配置されている。
【００３９】
極性スイッチ２４０は、対象とする粒子としてスペクトログラフィック識別サブシステム２０２により識別された粒子が、ターゲット表面上に引き寄せられて捕集され、無視される粒子が偏向されて遠ざけられるか、または代わりの表面上に捕集されるように、ターゲット表面の極性を切り換えるように適合されている。ターゲット表面は、図１のターゲット表面１３４と実質的に同様の方法で構成されてもよく、またはその代わりに異なる構成を有してもよい。
【００４０】
図４は、図２に示された粒子分類システム２００に用いられるターゲット表面４００の一実施形態の上面図である。一実施形態では、ターゲット表面４００は、第１の電極４０２、および少なくとも１つの第２の電極４０４１〜４０４ｎ（以下では、「第２の電極４０４」と呼称する）を含んでいる。一実施形態では、第１の電極４０２は、実質的に円形の断面を有し、また第２の電極４０４は、第１の電極４０２の周囲に同心円的に配置された、実質的にリング形の断面を有する。一実施形態では、第２の電極４０４は、単一のリング形の電極である。他の実施形態では、第２の電極４０４は、その各々がリングの断片を形成する複数の電極４０４を含んでいる。
【００４１】
第１の電極４０２と第２の電極４０４の間の電場の極性を変化させることにより、帯電された粒子は、第１の電極４０２あるいは１つまたは複数の第２の電極４０４のどちらかに、捕集のために選択的に引きつけられることができる。例えば、ターゲット表面４００の極性は、対象とする粒子が第１の電極４０２上に堆積され、無視される粒子が第２の電極４０４上に堆積されるように、またはその逆になるように設定されてもよい。一実施形態では、粒子は、電極４０２または４０４の表面上に直接堆積する。他の実施形態では、電極４０２および４０４の表面は、それを通して電場が広がる（例えば、電極の表面の上に）、取り除くことができる半導体材料で被覆されており、粒子はこの取り除くことができる材料の上に堆積する。ターゲット表面４００が、実質的に円形またはリング形の断面を有する電極４０２および４０４を含むように図示されているが、任意の構成、形状、および電極の数が用いられてもよいことを当業者は認識するであろう。
【００４２】
動作の一実施形態では、空気サンプル（例えば、エアロゾル流）は、粒子分類システム２００により受領され、より具体的には、粒子帯電システム２０４により受領される。同時に、シース流も同様に粒子分類システム２００により受領され、このシース流は、コロナ電極のアレイ２１６とグラウンド電極２１８の間に生成される静電場２２０を通って搬送される複合の流れを形成するために、空気サンプルと混合される。粒子はコロナ電極のアレイ２１６に形成されるイオンにより帯電され、コロナ電極のアレイ２１６と集束電極の間に形成される電場により、集束メカニズム２２８に向けられる。
【００４３】
帯電された粒子を含む複合の流れは、次に静電気レンズ２３０を通って流れ、静電気レンズ２３０は粒子を細い低速度の流れへと集束させる。静電気レンズ２３０の最も狭い部分（例えば、チューブ３０４ｎ）を通って集束された後に、粒子は、スペクトログラフィック識別サブシステム２０２の光検出ユニット２１２に届けられる。光検出ユニット２１２は、前で論じたように、１つまたは複数の光学的に観察可能な特性に基づいて、複合の流れ内の対象とする粒子を識別する。
【００４４】
極性切り換えスイッチ２４０は、対象とする粒子として光検出ユニット２１２により識別された粒子（例えば、粒子Ｐ）が、第１の電極４０２などのターゲット表面上に引き寄せられて捕集され、無視される粒子（例えば、粒子ｐ）が、第２の電極４０４の少なくとも１つの表面上に堆積されるように、ターゲット表面の極性を切り換える。堆積された粒子を含んでいるターゲット表面は、次いでその上に堆積された粒子の分析のために、粒子分析システムに届けられる。
【００４５】
代替の実施形態では、粒子帯電セクション２０４は、粒子が集束されかつ識別された後にのみ帯電されるように、スペクトログラフィック識別サブシステム２０２の上流よりもむしろ下流に配置されてもよい。この実施形態では、粒子帯電セクション２０４を形成する第１の電極のアレイ２１６は、ターゲット表面の電極４０２および４０４を使用して、それらの間にイオン風が生じるように、電場を生成する。このイオン風は、複合の流れ内の粒子をさらに集束するための機械的な手段として機能し、小さい粒子の軌跡を集束させ制御するためには特に有用である。
【００４６】
粒子分類システム１００と同様に、粒子分類システム２００は、現存する分類システムよりも実質的により正確な粒子の堆積を達成し、さらに、より小さい粒子（例えば、スペクトログラフィック調査の後に帯電が実行される場合）に対してさえもより効率的な分類と堆積を達成するように構成されることができる。また、スペクトログラフィック調査に先立つ粒子の帯電は、光検出ユニットの動作と干渉する、粒子帯電セクションからの電磁放射の可能性を大幅に低減する。いくつかの実施形態では、粒子分類システム２００は、粒子分類システム１００よりもコンパクトとなるように製造されてもよい。
【００４７】
図５は、本発明による粒子分類システム５００の第３の実施形態を示す模式図である。一実施形態では、この粒子分類システム５００は、４つの主要な構成要素、すなわちスペクトログラフィック識別サブシステム５０２、粒子帯電セクション５０４、粒子集束セクション５０６、および粒子堆積サブシステム５０８を含んでいる。しかしながら、このシステム５００の４つの主要なこれらの構成要素は、前で論じた、粒子分類システム１００および２００の構成要素の構成とは異なる方法で構成されている。
【００４８】
一実施形態では、粒子帯電セクション５０４は、空気サンプル・シャフト５４０および電極のアレイ５１６を含んでいる。空気サンプル・シャフト５４０は、この粒子分類システム５００に空気サンプルを（例えば、仮想インパクタまたはその他のサンプル捕集手段から）届けるように適合され、より大きなフロー・シャフト５１０または堆積チャンバー内に開口する第１の端部５４２を含んでおり、空気サンプルはそこで、シース流と組合せられて複合の流れを形成する。電極のアレイ５１６は、この開口した第１の端部５４２の近傍で、空気サンプル・シャフト５４０の周囲を取り囲んで配置されている。電極のアレイ５１６は、この空気サンプル・シャフト５４０の開口した第１の端部５４２の領域に電場を生成するように適合されている。
【００４９】
スペクトログラフィック識別サブシステム５０２は、粒子帯電セクション５０４の下流に配置され、複合の流れ内の対象とする粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム５０２は、フロー・シャフト５１０の周囲の附近に配置されている光検出ユニット５１２を含んでいる。一実施形態では、光検出ユニット５１２は、蛍光、色、粒子の形状、粒子サイズ等を含むがこれらに限定されない１つまたは複数の光学的に観察可能な特性に基づいて、粒子を識別するように適合されている。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム５０２は、粒子堆積サブシステム５０８に制御信号を送信するように適合されている。
【００５０】
粒子堆積サブシステム５０８は、スペクトログラフィック識別サブシステム５０２の下流に配置され、複合の流れ内の粒子がその上に堆積するターゲット表面５５０を含んでいる。一実施形態では、ターゲット表面５５０は、少なくとも１つの第１の電極５５２、少なくとも１つの第２の電極５５４、および極性切り換えスイッチ５５６を含んでいる。極性切り換えスイッチ５５６は、対象とする粒子が、第１の電極５５２または第２の電極５５４のうちの一方の上に（例えば、スペクトログラフィック識別サブシステム５０２から受領した制御信号に従って）選択的に堆積されるように、ターゲット表面５５０の極性を切り換えるように適合されている。一実施形態では、ターゲット表面５５０の電極５５２および５５４は、図４に示されたターゲット表面４００と同様の方法で形成されている。さらに、第１と第２の電極５５２および５５４は、粒子帯電セクション５０４の電極のアレイ５１６と共に第２の電場を生成するように適合され、したがって粒子集束セクション５０６が、この第２の電場の領域内に確立される。
【００５１】
動作の一実施形態では、空気サンプルは、粒子分類システム５００により受領され、より具体的には、空気サンプル・シャフト５４０により受領される。空気サンプル内の粒子は、この空気サンプル・シャフト５４０の開口した第１の端部５４２を通って流れるので、これらの粒子は、粒子帯電セクション５０４と遭遇して、電極のアレイ５１６に形成されるイオンにより帯電される。
【００５２】
帯電された粒子が空気サンプル・シャフト５４０から出ると、粒子はシース流と組合せられて複合の流れを形成する。この複合の流れはスペクトログラフィック識別サブシステム５０２を通って流れ、それが複合の流れ内の対象とする粒子（例えば、粒子Ｐ）を識別する。一実施形態では、スペクトログラフィック識別サブシステム５０２は次に、対象とする粒子をより効率的に粒子堆積サブシステム５０８が捕集できるようにする極性スイッチ５５６に制御信号を送信する。
【００５３】
複合の流れは、粒子集束セクション５０６を通って搬送されるので、粒子帯電セクション５０４を形成する電極のアレイ５１６と、粒子堆積サブシステム５０８の第１の電極５５２および第２の電極５５４とは、それらの間に第２の電場を生成する。第２の電場は、複合の流れ内の対象とする粒子をさらに集束させるイオン風を生成する。一実施形態では、このイオン風は、複合の流れ内の粒子の軌跡を制御し、かつ対象とする粒子を意図される電極５５２または５５４上に集束させる、実質的に円錐形の風である。
【００５４】
極性スイッチ５５６は、第１の電極５５２または第２の電極５５４のいずれかが対象とする粒子をその上に捕集するように適合されるかを制御する。図示された実施形態では、極性スイッチ５５６は、第１の電極５５２が対象とする粒子をその上に捕集するように設定されている。無視される粒子（例えば、粒子ｐ）は、第２の電極５５４の表面上に捕集される。
【００５５】
この実施形態では、粒子帯電セクション５０４を形成する電極のアレイ５１６と、粒子堆積サブシステム５０８の第１の電極５５２および第２の電極５５４との間における風の生成は、特により小さい粒子に対する、改善された軌跡の制御を提供する。したがって、粒子分類システム５００は、小さい粒子（例えば、約０．５μｍから１０μｍの範囲）さえも、精密なターゲット表面上に正確に堆積することができる。
【００５６】
このようにして、本発明は、浮遊微粒子を分類する分野において、顕著な進歩を表わしている。現存する分類システムよりも実質的に正確な粒子堆積を達成するために、静電気帯電および集束メカニズムを採用した装置が提供される。さらに、本発明の装置は、より小さい粒子に対してさえも、より効率的な分類と堆積を達成する。開示されたシステムが、浮遊微粒子の捕集と、微量の薬剤の堆積の用途を含む他の分野における用途も同様に有することを、当業者は認識するであろう。この新規な方法が、本発明の実施形態による装置を示す図面を同時に用いて説明されていることに留意されたい。
【００５７】
以上の記述は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態も、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく考案されることができ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により決定される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明による粒子分類システムの、一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明による粒子分類システムの、第２の実施形態を示す模式図である。
【図３】粒子分類システムに用いられる静電気レンズの一実施形態を示す上面図である。
【図４】図２に示された粒子分類システムに用いられるターゲット表面の一実施形態の上面図である。
【図５】本発明による粒子分類システム５００の第３の実施形態を示す模式図である。
【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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【国際調査報告】
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