(57)【要約】ナノ粒子接触を非侵襲的に測定する機器は、エアロゾルの単極拡散荷電を実行するためイオンを生成するコロナ放電素子と、余分なイオンと閾値を超える電気移動度の荷電粒子の一部とを除去するためのイオントラップとを含む。下流では、導電性ＨＥＰＡフィルタまたはその他の回収素子が荷電粒子を堆積させ、結果として生じる電流を電位計増幅器に提供する。該機器は、粒子挙動、たとえば、呼吸器系の選択された領域におけるナノ粒子沈着を示す選択された関数とより緊密に一致するように電位計増幅器の出力を変更するよう調整可能である。調整は、イオントラップ、コロナ放電素子、および回収素子のうち１つまたは複数に印加される電圧の調節を含む。もしくは、調節は、直接、あるいは、エアロゾルと混合するようにイオンを導くガスの流速と比較して、エアロゾルの流速を調節することを含む。
2008542721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンガスを、粒子を含むエアロゾル流との合流点に導き、エアロゾルを単極荷電して荷電粒子を生成するように構成される荷電装置と、
エアロゾル流に沿って荷電装置の下流に配置され、エアロゾル流から余分なイオンおよび他の高電気移動度成分を静電的に除去するイオン抽出装置と、
荷電粒子を含むエアロゾル流を受け取るためにイオン抽出装置の下流に配置され、受け取られた粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって粒子濃度を表示するように構成される電荷応答装置と、
荷電装置、イオン抽出装置、および電荷応答装置のうちの少なくとも選択された１つに呼応して動作可能であり、選択された装置の動作パラメータを調節することによって、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数により緊密に一致するように粒子濃度の表示を選択的に変更するシステム調整部と
を備えるエアロゾル粒子サンプリング機器。
【請求項２】
イオン抽出装置は、導電性の電気的にバイアスをかけられた抽出素子を含む請求項１の機器。
【請求項３】
イオン抽出装置は、導電性構造と導電性構造によって囲まれ、導電性構造から電気的に絶縁された導電性素子とを含む静電集塵器を備え、
調整部は、導電性素子と導電性構造のうち選択された１つに電気的に接続される可変電圧源を備える請求項１の機器。
【請求項４】
導電性構造は環状で、ほぼ接地して保持され、
導電性素子は細長で、導電性構造と同軸で、導電性構造に対し可変電圧で導電性素子にバイアスをかけるように構成される可変電圧源に電気的に接続される請求項３の機器。
【請求項５】
調整部は、イオン抽出装置を通るエアロゾルの流速を制御可能に変動させる流速制御部を備える請求項１の機器。
【請求項６】
荷電装置はエアロゾルの拡散荷電を実行するように構成される請求項１の機器。
【請求項７】
荷電装置はコロナ放電を提供するように構成される導電性部材を備え、調整部は導電性部材に電気的に接続され、導電性部材に印加される電圧を変動させるように動作可能な電圧源を備える請求項１の機器。
【請求項８】
荷電装置はイオンを取り込み、取り込んだイオンを前記合流点に運ぶために導電性部材を越えてキャリアガス流を誘導する導管をさらに備え、調整部はエアロゾルの流速に対してキャリアガスの流速を選択的に変更させる流速制御装置を備える請求項７の機器。
【請求項９】
電荷応答装置は、荷電粒子を堆積するように構成される導電性コレクタと、コレクタからの電流を測定するためにコレクタに電気的に接続される測定回路とを備える請求項１の機器。
【請求項１０】
測定回路は、コレクタからの電流に比例して変動する電圧レベルを生成するように構成される演算増幅器を含む請求項９の機器。
【請求項１１】
電圧レベルに対応するデジタル出力を生成するために増幅器に接続されるアナログ−デジタル変換器と、Ａ／Ｄ変換器のデジタル出力を受け取るために接続されるマイクロプロセッサとをさらに備える請求項１０の機器。
【請求項１２】
マイクロプロセッサが、システムオペレータからのモード選択入力の受信に応じて選択された装置の動作パラメータを制御可能に調節するようにプログラムされている請求項１０の機器。
【請求項１３】
コレクタが空気を通過させつつ荷電粒子を捕捉する導電性フィルタを備え、調整部がフィルタに接続される可変電圧源を備える請求項９の機器。
【請求項１４】
電荷応答装置が、間隔を置いて配置された第１および第２の集塵器電極を備え、そのうちの選択された１つの電極が荷電粒子を堆積するように構成されるコレクタを提供し、調整部が電極のうちの少なくとも１つに接続される可変電圧源を備える請求項１の機器。
【請求項１５】
エアロゾル流から所定閾値を超える直径を有する粒子を除去するために荷電装置の上流に配置される粒子抽出部をさらに備える請求項１の機器。
【請求項１６】
粒子抽出部がフィルタおよび衝突装置からなる群から選択される請求項１５の機器。
【請求項１７】
エアロゾル粒子挙動を示す所定関数をエミュレートするためエアロゾルをサンプリングするプロセスであって、
イオンガスをエアロゾル流との合流点に導くことによってエアロゾル流内の粒子を荷電することと、
粒子の荷電後、エアロゾル流からイオンおよび他の高電気移動度成分を抽出することと、
イオンおよびその他の成分の抽出後、抽出後に存在する粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって濃度を表示することと、
前記イオンの生成、イオンの抽出、および濃度表示のうちの選択された１つに呼応して動作パラメータを制御し、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数とより緊密に一致するように粒子濃度表示を変更することと、
を備えるプロセス。
【請求項１８】
イオンの抽出は、導電性構造と導電性構造に囲まれて導電性構造から電気的に絶縁された導電性素子とを有する静電集塵器の使用を含み、動作パラメータの制御は、導電性構造と導電性素子のうちの選択された１つに印加される電圧の調節を含む請求項１７のプロセス。
【請求項１９】
動作パラメータの制御は、イオンおよび他の高電気移動度成分がエアロゾル流の所与のセグメントから抽出される滞留時間の変更を含む請求項１７のプロセス。
【請求項２０】
イオンの生成は、コロナ放電生成のための導電性部材への電圧印加を含み、動作パラメータの制御は前記電圧の変更を含む請求項１７のプロセス。
【請求項２１】
動作パラメータの制御は、エアロゾルとエアロゾル流との合流点にイオンを運ぶガスとのうち少なくとも１つの流速を、エアロゾル流の流速に対して変動させることを含む請求項１７のプロセス。
【請求項２２】
荷電粒子の受け入れは導電性コレクタ上の粒子の回収を含み、電気信号の生成はコレクタによって生成される電流の測定を含み、動作パラメータの制御はコレクタとコレクタに近接しコレクタから電気的に絶縁された導電性構造とのうち選択された１つに印加される電圧の変更を含む請求項１７のプロセス。
【請求項２３】
粒子の荷電前に、所定閾値を越える空気動力学的直径を有する粒子をエアロゾル流から除去することをさらに含む請求項１７のプロセス。
【請求項２４】
エアロゾル流内の粒子の分布を選択的に変更する装置と、装置からエアロゾル流を受け取るように配置され、荷電粒子によって生成された総電荷に基づき粒子濃度表示を生成するように構成される機器との組み合わせであって、
選択された電気極性のイオンおよび荷電粒子を含むエアロゾル流を収容する流路を画定する導電性環状構造と、
環状構造内に配置され、環状構造から電気的に絶縁された、細長で軸方向に延在する導電性素子と、
環状構造と細長素子とのうち選択された１つに電気的に接続され、流路に沿って移動するエアロゾル流から、所与の電気移動度閾値を超える電気移動度を有するイオンと荷電粒子とを静電的に除去するのに十分な振幅のバイアス電圧をその選択された１つに印加する電圧源と
を備え、電圧源は、電圧振幅を変動させることによって、エアロゾル流が流路を横断する際、エアロゾル流内の荷電粒子の分布を選択的に変更するため電気移動度閾値を調節するように動作可能であり、それによって、エアロゾルの受け入れに応じて前記機器によって生成される濃度表示が、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数により緊密に一致するように変更される前記組み合わせ。
【請求項２５】
環状構造はほぼ接地して保持され、電圧源は細長素子に電気的に接続される請求項２４の組み合わせ。
【請求項２６】
細長素子は環状壁内に同軸で搭載される請求項２４の組み合わせ。
【請求項２７】
電圧源は、エアロゾル粒子挙動を示す複数の個々の関数にそれぞれ対応する複数の個々の電圧振幅レベルでバイアス電圧を供給するように動作可能である請求項２４の組み合わせ。
【請求項２８】
電圧源は、２ボルト〜３００ボルトの範囲でバイアス電圧を印加するように構成される請求項２７の組み合わせ。
【請求項２９】
機器は、荷電粒子を堆積するように構成される導電性コレクタと、コレクタからの電流を測定するためにコレクタに電気的に接続される測定回路とを備える請求項２４の組み合わせ。
【請求項３０】
コレクタは、空気を通過させつつ荷電粒子を捕捉するように構成される導電性フィルタを備える請求項２９の組み合わせ。
【請求項３１】
コレクタが、電気的に絶縁され、互いに間隔を置いて配置され、様々な電圧で保持される一対の電極のうちの１つを備える請求項２９の組み合わせ。
【請求項３２】
測定回路は、コレクタからの電流に比例して変動する電圧レベルを生成するように構成される演算増幅器を含む請求項２９の組み合わせ。
【請求項３３】
複数の荷電エアロゾル粒子の総電荷に基づき選択的に変更されるエアロゾル粒子濃度表示を生成するプロセスであって、
第１の電気極性のイオンおよび荷電粒子を含むエアロゾル流を提供することと、
エアロゾル流に沿った第１の位置に抽出装置を設けることと、
抽出装置にバイアス電圧を印加して、電気移動度閾値を超える電気移動度を有するイオンと荷電粒子をエアロゾル流から除去することと、
第１の位置の下流の第２の位置で、エアロゾル内に存在する荷電粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって、電気移動度閾値にしたがい変更される濃度表示を提供することと、
電気移動度閾値を選択的に変動させるようにバイアス電圧を調節することと
を備えるプロセス。
【請求項３４】
抽出装置に沿って軸流方向に放射状の電界強度を選択的に変動させることをさらに含む請求項３３のプロセス。
【請求項３５】
抽出装置は導電性抽出素子と抽出素子を囲む導電性環状壁とを備え、
電界強度の選択的変更は、
（ｉ）選択された形状の抽出素子を設けて、流の方向で抽出素子と環状壁間の間隙の放射方向幅を変動させることと、（ｉｉ）軸方向に間隔を置いて配置され、互いに電気的に絶縁された複数の導電性セクションを抽出素子内に設けて、様々な電圧レベルでセクションに電気的にバイアスをかけることと、のうち少なくとも１つを含む請求項３４のプロセス。
【請求項３６】
周辺環境内の個人に対するナノ粒子の接触を非侵襲的に評価するプロセスであって、
周辺環境をサンプリングするためのエアロゾル流を生成することと、
エアロゾル流に沿って、（ｉ）イオンをエアロゾル流との合流点に導いて、エアロゾル流内の粒子を単極荷電するように構成される荷電装置と、（ｉｉ）エアロゾル流から余分なイオンおよび他の高電気移動度成分を静電的に除去するように構成される、荷電装置の下流のイオン抽出装置と、（ｉｉｉ）粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって濃度表示を提供するように構成される、イオン抽出装置の下流の電荷応答装置とを設けることと、
呼吸器系内の領域、個人のタイプ、および物理的活動レベルから成る要因群から選択された要因に基づきナノ粒子沈着関数を選択することと、
荷電装置、抽出装置、および電荷応答装置のうちの選択された１つの動作パラメータを調節することによって、選択されたナノ粒子沈着関数に応じて、選択されたナノ粒子沈着関数とより緊密に一致するように濃度表示を変更することと
を備えるプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年５月２３日に提出された仮出願第６０／６３８６１５号と２００６年１月３１日に提出された仮出願第６０／７６３５５５号の優先権の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ナノメートルまたは超微細な粒子の濃度を測定するシステムおよび装置、特に、ナノメートル範囲内の粒子または粒子のセットの特定のサイズまたは電気移動度に対する感度を調節可能なシステムに関する。
【０００３】
物質がナノメートルサイズ範囲、すなわち、直径約０．１マイクロメートルから分子レベルまでで製造もしくは生成される場合、それらの物質は、物理的、化学的、および生物学的挙動に影響を及ぼす独自の特性を示す。このサイズ範囲での物質に関連する努力分野であるナノテクノロジーは、ナノ材料の新しい多様な使用法が業界の広範な範囲全体で発見および開発されるにつれて爆発的な成長を遂げてきた。
【０００４】
ナノ材料の製造と使用にかかわる職業上の健康リスクは明確に把握されていないため、こうした開発は懸念を招いている。多くのナノ材料は、エアロゾルまたはコロイド懸濁物として最初に作製されるナノ粒子で形成される。労働者らは、作業環境において大気レベルを大きく超える濃度のナノ粒子を吸入、皮膚接触、摂取により浴びている。本発明は、吸入による接触に関する。
【０００５】
従来、空気中の粒子に関する健康関連の懸念は、単位体積当たり質量の粒子濃度に焦点を当ててきた。このアプローチでは、許容最高濃度基準が決定され、これらの基準に関して質量濃度が測定される。しかし、超微粒子（直径０．１ミクロン以下）を含む毒物研究が示唆するように、粒子数または粒子質量と比較して、粒子表面積は健康影響をより適切に示す指標である。このことは、任意の所与の形状（たとえば、球状）の場合、粒子が小さいほど、体積または質量と比して表面積が大きくなるという事実の結果であろう。比表面積（すなわち、質量で割った表面積）が比例的に大きくなるほど、粒子が体内の化学物質と反応する傾向が高くなる。さらに、ナノ粒子の質量の小ささのため、フィルタ上の粒子回収のような粒子堆積に基づく場合であっても、質量濃度の測定値を得ることが困難で必要な感度が得られない。個数濃度に基づく粒子測定はより感度が高いが、ロスが増大し、ナノメートルサイズ範囲での計数効率が低減する。したがって、表面積、特に、全体または総表面積に関して粒子濃度を測定する機器は、ナノ粒子との接触によるより高い健康リスクを与えると予想される。
【０００６】
ナノ粒子接触の作用に影響を及ぼすもう１つの大きな要因は、吸入したナノ粒子が沈着する呼吸器系領域である。頭（鼻咽腔）領域への沈着は、粒子が脳に到達するリスクを高める。ＴＢ領域では、繊毛が食道の方へ押しやることによって沈着した粒子を除去する傾向にある。しかし、歯槽領域に沈着した粒子は、有効な除去機構が少ないために、血液に移送される可能性が高く、排出される可能性は低い。図１のグラフは、直径１〜１００ｎｍの範囲の頭（Ｈ）、ＴＢ、およびＡ領域の沈着曲線（沈着パーセント対粒子直径）を示す。これらの沈着曲線は、国際放射線防護委員会（ＩＣＲＰ）線量測定モデルに基づき、より具体的には、英国放射線防護庁から入手可能な「ＬＵＤＥＰ」として知られるコンピュータプログラムを用いて得られた。曲線から分かるように、粒子直径が約６ナノメートルを超えて増えると、歯槽沈着が顕著になる。
【０００７】
ナノ粒子沈着、ひいては健康への作用に影響を及ぼすもう１つの要因は、物理的活動レベルである。図２のグラフは、鼻呼吸に関連する様々な活動レベルに対する粒子直径の関数として、パーセント沈着を示す。曲線はＩＣＲＰ線量測定モデルによる、約３．５〜４１０ｎｍの粒子直径範囲におけるＡおよびＴＢ領域での沈着を示す。超微細粒子範囲における歯槽領域では、高い活動レベルは、全体の沈着パーセントを高め、小さい粒子の割合が高い方向に沈着を移行させる。気管支領域では、高い活動レベルは、全体の沈着パーセントを低減するが、小さい粒子の割合が高い方向に沈着を移行させる。最後に、沈着は年齢、性別、体格および身体状況などの要因に基づき、個人によって異なる。
【０００８】
図３では、図１の頭、気管支および歯槽沈着曲線が、表面積濃度に関して沈着を示すために重みをかけられ、さらに、粒子直径の関数として感度を示すため、直径１００ｎｍでの１．０の感度に標準化される。これによって、粒子表面積に関する頭、気管支、および歯槽沈着をそれぞれ示す応答関数が提供される。グラフは幾何学的表面積（Ｄｐ２）関数と個数濃度（Ｄｐ０）関数も示し、両方とも対数／対数スケール上の直線として現れる。
【０００９】
１０〜１００ｎｍサイズ範囲の大半で、Ｈ、ＴＢおよびＡ領域の応答関数は略直線状で、Ｄｐ２関数よりもなだらかな勾配を有する。これらの関数は粒子直径が小さくなるにつれ、直線状から外れ、Ｄｐ２関数の方に分岐する。エアロゾル粒子の拡散荷電を採用して、結果として生じる電流を測定するために荷電粒子を回収する機器は、１０〜１００ｎｍの粒子直径範囲内では粒子表面積よりも粒子直径により密接に対応する傾向にある。しかし、電気エアロゾル検出器（ＥＡＤ）などの機器は、粒子サイズに基づく（粒子表面積に関する）粒子沈着とのより密接な相関関係を示すことが分かっている。この結果は、他の機器（すなわち、走査移動度粒子採寸器および微細濃度粒子カウンタ）と気管支（ＴＢ）および歯槽（Ａ）領域を反映する線量モデルとによって確認される。よって、電気エアロゾル検出器やＤｐ２関数近くの反応を有するその他の拡散荷電機器は、１０〜１００ｎｍサイズ範囲での測定を行うために使用することができる。
【００１０】
さらに需要の高い用途、たとえば、様々な活動レベルでの口および鼻呼吸の調整や、頭領域、Ａ領域、およびＴＢ領域の沈着の区別などでは、呼吸器系の肺やその他の箇所での実際の粒子沈着により緊密に対応する必要がある。たとえば、特定の健康との関連性を評価するには、気管支領域とは対照的に歯槽領域をより詳細にシミュレートする機器を提供することが望ましい。上述したように、その理由の１つは、ＴＢ領域内の繊毛が沈着粒子を除去しがちなのに対して、同じ粒子が歯槽領域では残ってしまうからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はいくつかの側面を有し、それぞれが以下の目的のうちの１つまたは複数に関連する。第１の目的は、呼吸器系の選択された領域、たとえば、気管支領域、歯槽領域、または鼻咽腔領域に沿ったナノ粒子沈着により密接に対応する結果を得ることのできる測定機器を提供することにある。
【００１２】
別の目的は、呼吸器系の様々な領域におけるナノ粒子沈着により密接に対応するように選択的に調節可能に構成された粒子測定機器を提供することにある。
さらに別の目的は、エアロゾル粒子挙動を表す所定関数をより詳細にシミュレートするために、選択可能な電気移動度閾値にしたがいサンプルエアロゾル内のイオンおよび荷電粒子を抽出するプロセスを提供することにある。
【００１３】
さらに別の目的は、呼吸器系の１つまたは複数の領域内の総表面積沈着に関するナノ粒子接触を非侵襲的にほぼリアルタイムで評価することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の１つの側面はエアロゾル粒子サンプリング機器である。該機器は、イオンガスを粒子を含むエアロゾル流との合流点に導き、エアロゾルを単極荷電して荷電粒子を生成するように構成される荷電装置を備える。イオン抽出装置は、エアロゾル流に沿って荷電装置の下流に配置され、エアロゾル流から余分なイオンおよび他の高電気移動度成分を静電的に除去するように構成される。電荷応答装置は、荷電粒子を含むエアロゾル流を受け取るためにイオン抽出装置の下流に配置される。電荷応答装置は、受け取られた粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって粒子濃度を表示するように構成される。該機器は、システム調整部をさらに備える。該調整部は、荷電装置、イオン抽出装置、および電荷応答装置のうちの少なくとも選択された１つに呼応して動作可能であり、選択された装置の動作パラメータを調節することによって、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数により緊密に一致するように粒子濃度の表示を選択的に変更する。
【００１５】
エアロゾル粒子挙動を表す関数は、直接数値濃度関数であってもよいし、あるいは、粒子、たとえば、粒子の直径、表面積、または質量を表すパラメータにしたがって重みをかけてもよい。呼吸器系におけるナノ粒子沈着の健康影響の評価に関連して、微細サイズ範囲における粒子質量に対する粒子表面積の高い重要性のため、好適なパラメータは粒子表面積である。したがって、濃度の指標は粒子濃度、粒子質量濃度、または粒子直径に基づく濃度であってもよいが、呼吸器系の沈着を評価する好適な濃度指標は粒子表面積濃度である。
【００１６】
イオン抽出装置は、導電性構造と、導電性構造によって囲まれ、導電性構造から電気的に絶縁された導電性素子とを含む静電集塵器を有することができる。次に、調整部は、導電性素子または導電性構造のいずれかに電気的に接続される可変電圧源を備えることができる。もしくは、調整部は、イオン抽出装置を通るエアロゾルの流速を変動させる流速制御部を備える。
【００１７】
好適な荷電装置は、コロナ放電を提供するように構成される導電性部材の形状のイオン生成装置を備える。次に、調整部は、導電性部材に電気的に接続される可変電圧源を備えることができる。荷電装置は、イオン生成装置を越えてキャリアガス流を誘導する導管をさらに含むことができ、その場合、調整部は、エアロゾルの流速に対してキャリアガスの流速を変動させる流速制御装置を備えることができる。
【００１８】
好適な電荷応答装置は、空気を通過させつつ荷電粒子を捕捉するように構成される導電性フィルタを備える。別の電荷応答装置は、間隔を置いて配置される第１および第２の集塵器電極を備える。調整部は、フィルタまたは集塵器電極のうちの１つに接続される可変電圧源を備える。
【００１９】
本発明の他の側面は、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数をエミュレートするためエアロゾルをサンプリングするプロセスであって、該プロセスは、
（ａ）イオンガスをエアロゾル流との合流点に導くことによってエアロゾル流内の粒子を荷電することと、
（ｂ）粒子の荷電後、エアロゾル流からイオンおよび他の高電気移動度成分を抽出することと、
（ｃ）イオンおよびその他の成分の抽出後、抽出後に存在する粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって濃度を表示することと、
（ｄ）前記イオンの生成、イオンの抽出、および濃度表示のうちの選択された１つに呼応して動作パラメータを制御し、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数とより緊密に一致するように粒子濃度表示を変更することと、
を備えるプロセスである。
【００２０】
好ましくは、高い方の電気移動度成分は、導電性素子と、導電性素子を囲み導電性素子から電気的に絶縁された環状導電性構造とを有する静電集塵器を用いて抽出される。次に、動作パラメータは、導電性構造または導電性素子のいずれかに印加される電圧を調節することによって制御できる。もしくは、制御される動作パラメータは、静電集塵器を通過するエアロゾルの滞留時間である。さらに、制御する別の動作パラメータとしては、イオンを生成するコロナ放電素子と、総電荷に比例する電気信号を生成するために使用される導電性コレクタとに印加される電圧を含む。
【００２１】
本発明の別の側面は、エアロゾル流内の粒子の分布を選択的に変更する装置と、装置からエアロゾル流を受け取るように配置され、荷電粒子によって生成された総電荷に基づき粒子濃度表示を生成するように構成される機器との組み合わせである。該装置は、選択された電気極性のイオンおよび荷電粒子を含むエアロゾル流を収容する流路を画定する導電性環状構造を含む。細長で軸方向に延在する導電性素子は、環状構造内に配置され、環状構造から電気的に絶縁される。電圧源は、環状構造と細長素子とのうち選択された１つに電気的に接続され、その選択された１つにバイアス電圧を印加する。バイアス電圧は、流路に沿って移動するエアロゾル流から、イオンと所与の電気移動度閾値を超える電気移動度を有する荷電粒子とを静電的に除去するのに十分な振幅を有する。電圧源は、電圧振幅を変動させることによって、エアロゾル流が流路を横断する際、エアロゾル流内の荷電粒子の分布を選択的に変更するため電気移動度閾値を調節するように動作可能であり、それによって、エアロゾルの受け入れに応じて前記機器によって生成される濃度表示が、エアロゾル粒子挙動を示す所定関数により緊密に一致するように変更される。
【００２２】
ある好適なアプローチによると、電圧源は、エアロゾル粒子挙動を示す個々の関数に対応する複数の個々の電圧振幅レベルでバイアス電圧を供給するように動作可能である。
本発明のさらに別の側面は、複数の荷電エアロゾル粒子の総電荷に基づき選択的に変更されるエアロゾル粒子濃度表示を生成するプロセスであって、該プロセスは、
（ａ）第１の電気極性のイオンおよび荷電粒子を含むエアロゾル流を提供することと、
（ｂ）エアロゾル流に沿った第１の位置に抽出装置を設けることと、
（ｃ）抽出装置にバイアス電圧を印加して、電気移動度閾値を超える電気移動度を有するイオンと荷電粒子をエアロゾル流から除去することと、
（ｄ）第１の位置の下流の第２の位置で、エアロゾル内に存在する荷電粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって、電気移動度閾値にしたがい変更される濃度表示を提供することと、
（ｅ）電気移動度閾値を選択的に変更するようにバイアス電圧を調節することと
を備える。
【００２３】
本発明の別の側面は、周辺環境内の個人に対するナノ粒子の接触を非侵襲的に評価するプロセスであって、該プロセスは、
（ａ）周辺環境をサンプリングするためのエアロゾル流を生成することと、
（ｂ）エアロゾル流に沿って、（ｉ）イオンをエアロゾル流との合流点に導いて、エアロゾル流内の粒子を単極荷電するように構成される荷電装置と、（ｉｉ）エアロゾル流から余分なイオンおよび他の高電気移動度成分を静電的に除去するように構成される、荷電装置の下流のイオン抽出装置と、（ｉｉｉ）粒子の総電荷に比例する電気信号を生成することによって濃度表示を提供するように構成される、イオン抽出装置の下流の電荷応答装置とを設けることと、
（ｃ）呼吸器系内の領域、個人のタイプ、および物理的活動レベルから成る要因群から選択された要因に基づきナノ粒子沈着関数を選択することと、
（ｄ）荷電装置、抽出装置、および電荷応答装置のうちの選択された１つの動作パラメータを調節することによって、選択されたナノ粒子沈着関数に応じて、選択されたナノ粒子沈着関数とより緊密に一致するように濃度表示を変更することと
を備える。
【００２４】
よって、本発明によると、エアロゾルサンプリング機器は、ナノ粒子挙動を表す選択された関数、たとえば、呼吸器系の選択された領域上の表面積に関してナノ粒子の沈着を示す関数により緊密に一致する結果を生み出すように調整可能である。調整は、Ｔイオントラップ、コロナ放電素子、導電性フィルタまたはその他の電荷応答装置などの、選択された機器の構成要素に印加される電圧を調節することによって達成される。もしくは、エアロゾルまたはイオン含有空気の流速は、機器を調整するように調節可能である。
【００２５】
さらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面を考慮するとより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図面を参照すると、図４には、エアロゾル粒子サンプリング機器または装置１６が示されている。装置１６は、肺または呼吸器系のその他の場所の粒子沈着をシミュレートするための調節を簡易化するように構成されている。エアロゾルは入口導管１８で受け取られ、サイクロン２０などの大型粒子分離装置を通って方向付けられ、１ミクロンを超える空気動力学的直径を有する粒子を除去する。エアロゾルは２．５  ｌｐｍで流れて接合部２２に到達し、そこで１．０  ｌｐｍの補助流は活性炭フィルタ２４および高効率粒子空気（ＨＥＰＡ）フィルタ２６を通って分岐し、正常な気流を提供する。フィルタ２４および２６の下流にはコロナ放電ニードル２８があって、端子３０から高正電圧（たとえば、２キロボルト）Ｖ１にバイアスをかけられる。その結果、ニードル２８はその先端３２から正イオンを生成する。清浄な気流はイオンを取り込み、開口部３６を介して先端３２から混合チャンバ３４へと導く。その間、１．５  ｌｐｍの残りの気流は、エアロゾル中に浮遊する粒子の拡散荷電を達成する正イオンとの攪拌混合のために、開口部３６に対向する開口部３８を介してチャンバ３４内に導かれる。補助流導管に沿ったバルブ４０および圧力トランスデューサ４２は、所望のエアロゾル流／補助流比１．５対１を維持するように協働する。
【００２７】
混合チャンバ３４を出るエアロゾルには、正荷電粒子と正イオンの浮遊物が含まれる。エアロゾルは、接地して保持される円筒壁４６と端子５０から電圧Ｖ２にバイアスをかけられる同軸ロッド４８とを含むイオントラップ４４にぶつかる。比較的高い電気移動度を有するエアロゾル成分、主に余分な正イオンはロッド４８から離れるように押し返され、壁４６と接触し、エアロゾル流から除去される。よって、イオントラップ４４は静電集塵器として機能し、電圧Ｖ２によって決定される閾値を越える電気移動度を有する正イオンおよび正荷電粒子を除去する。電圧Ｖ２は、電気移動度閾値を選択的に変動させるように調節することができる。
【００２８】
ここで、所与の粒子の抽出は、特に粒子の移動度が閾値に近い場合、ロッドと壁間の放射方向の位置によって影響を受けるため、「閾値」は定性的または相対的な意味で用いられる。しかしながら、一般的には、移動度閾値が高まると、エアロゾル流から除去される成分の割合が増える。
【００２９】
代替例では、ロッド４８を負電圧にバイアスをかけて正イオンと荷電粒子を引き寄せることができると理解されたい。さらに別の代替例では、壁４６は接地して保持する必要はなく、その代わりにロッドに対する電圧差を増大または低減するように電圧を印加することができる。
【００３０】
イオントラップ４４から、エアロゾル流は荷電粒子を取り込む導電性ＨＥＰＡフィルタ５２へと進む。通常は接地して保持されるフィルタ５２は、静電シールドとして機能するファラデーケージ５４内に収容される。フィルタ５２に連結される導体５６は、フィルタ内の粒子の堆積による電荷を除去する。電位計測定回路５８は、導体５６内の電流レベルを示す信号を生成し、次に、入ってくるデジタル信号に基づき粒子濃度を決定するように構成されるマイクロプロセッサ６０にデジタル入力を提供する。図５により具体的に示されるように、電位計回路は、導体５６内の電流レベルに比例する電圧レベルを生成する演算増幅器６２を含む。マイクロプロセッサにデジタル入力を生成するアナログ−デジタル変換器６４に対して電圧が与えられる。任意に、端子６５からフィルタ５２にバイアス電圧Ｖ３を印加することができる。
【００３１】
開口部７０両端の圧力差を監視する圧力トランスデューサ６８とともに動作可能な真空ポンプ６６は、エアロゾルをＨＥＰＡフィルタ７２を通って排出するように導く際、総流量を２．５  ｌｐｍに一定に保持する。
【００３２】
図６を参照すると、マイクロプロセッサ６０は、電位計電流を表すＡ／Ｄ変換器６４からの入力、トランスデューサ４２および６８からの入力７８および８０、システムユーザがたとえば、歯槽沈着をエミュレートするために動作モードまたは粒子挙動関数を選択する手動選択入力８２など、様々なソースからのデジタル入力を受け取る内部レジスタ７４とオペレーティングソフトウェアとを組み込む。内部レジスタ８４とオペレーティングソフトウェアは、電位計電流入力を表面積濃度を示す関数に変換し、それをマイクロプロセッサに接続されたビデオ端子８６またはプリンタ８８に供給することができる。
【００３３】
９０で示される他の内部レジスタとソフトウェアは、コロナ放電ニードル２８、イオントラップ４４、およびフィルタ５２にそれぞれ印加される電圧レベルＶ１、Ｖ２およびＶ３を制御するために入力７６〜８２に応じて動作可能である。トランスデューサ４２および６８からの入力に基づき、ソフトウェアプログラム９０は、選択されたエアロゾル流速（ＦＡ）と、エアロゾル流速と混合チャンバにイオンを運ぶ清浄空気の流速との流速比（ＦＲ）を維持する。選択入力８２は、流速および流速比を選択するのに使用することができる。
【００３４】
サンプリング装置１６は、特に超微粒子サイズ範囲全体で、肺の粒子沈着をより綿密にシミュレートするように調節可能である。この目的を達成する１つのアプローチは、たとえば、イオントラップ４４に関しては端子５０で、イオントラップに調節可能な電圧を提供することである。電圧は広範囲、たとえば、２〜３００ボルトで調節することができる。このようにイオントラップを「調整」する効果は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの異なる９つの粒子サイズに関して、イオントラップバイアス電圧の関数である標準化感度のグラフである図７を参照して理解することができる。大きな粒子に対する感度はイオントラップ電圧を上昇させてもほぼ影響を受けず、最小の粒子（直径１０ｎｍ）に対する感度は電圧上昇にほぼ比例して低減し、最高電圧レベルで大幅に低下することは明らかである。代替装置では、イオントラップ電圧は負電圧であるため、「上昇」と「最高」という用語は大きさを指す。
【００３５】
所望される場合、サンプリング装置１６は端子３０での負電圧の印加を通じてエアロゾル粒子を負に帯電するように構成することができると理解されたい。この場合、端子５０からイオントラップに印加される電圧は、イオンと荷電粒子をロッド４８に引き寄せるために正電圧であってもよいし、あるいは、壁４６の方にそれらを反発させるため負電圧であってもよい。別の代替例として、サンプリング装置は、ユーザが粒子を帯電させるのに正電圧か負電圧かを選択できるように構成することができる。
【００３６】
図８は、粒子直径１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で、５つの異なるイオントラップ電圧レベルに関する応答関数として、図７のデータを示すグラフである。異なる電圧の応答関数は、４０ｎｍ未満の直径で、互いに分岐し始める。比較的高い電圧レベル（再び振幅の観点で）では、イオントラップ４４に沿ってエアロゾルから抽出される小粒子の割合が増える。よって、小直径での標準化感度がより急激に低減する。
【００３７】
図９および１０は、図３から選択された応答関数と比較して、測定された応答関数を示す。具体的には、図９はイオントラップ４４が気管支沈着の応答関数と比較して１００ボルトにバイアスをかけられたときの測定応答を示し、図１０はイオントラップが歯槽沈着の応答関数と比較して２００ボルトにバイアスをかけられたときの測定応答を示す。いずれの場合も、測定値は、１０〜１００ｎｍ範囲の対応する応答関数に一致する。１０ｎｍ未満のサイズの場合、測定値は、感度が低下する方向に応答関数から分岐する。しかし、１０ｎｍ未満の直径の粒子は、特に粒子表面積の観点から、ナノ粒子範囲における総沈着の極一部を担う。その結果、この偏移による誤差は無視できる程度である。
【００３８】
図９および１０は肺、特に気管支領域または歯槽領域での粒子沈着をより正確にシミュレートできるように、装置１６を有効に調整するためのイオントラップバイアス電圧の調節方法を示す。
【００３９】
図１１は、測定された電位計電流の関数として、粒子表面積に関するナノ粒子沈着を示すグラフである。１００ボルトのイオントラップ電圧は、電流（ピコアンペア）単位当たり単位表面積沈着（１立法センチ当たりミクロン）で８８．４の勾配を備えた直線９２をもたらす。２００ボルトでのイオントラップのバイアスに対応する直線９４は、４１３のより急な勾配を有する。直線９２および９４は、気管支領域と歯槽領域の沈着にそれぞれ対応する。いずれの場合も、略一定の勾配は、総表面積での測定電位計電流と粒子沈着との単純で信頼性の高い関係を示す。
【００４０】
図７および８に示されるデータは、様々なナノ粒子沈着関数に対して最適なイオントラップバイアス電圧を選択するために使用することができる。たとえば、頭、気管支、および歯槽の表面積沈着（図３）の標準化感度と特定の電圧レベルに対応する測定値に基づく標準化感度（図７）とを、測定値が得られる電圧間の標準化感度を求めるように補間することによって比較することができる。次に、２つの関数間の自乗差を、様々な電圧で求めることができる。頭、気管支、および歯槽の沈着結果は、図１２の曲線９６、９８および１００によってそれぞれ示される。各曲線における最小値、すなわち、計算された関数と測定された関数間の最近似値が最適なイオントラップ電圧となる。
【００４１】
上述したように、装置１６における電圧トラップの主要な機能は、混合チャンバを出た後にエアロゾル流から余分な正イオンを除去することである。印加電圧によってロッドと周壁との間に電界が生じ、その結果、正イオンと正荷電粒子がロッドによって押しやられる。もしくは、イオントラップバイアス電圧は負電圧でもよく、その結果生じる電界が放射方向内向きにロッドの方に正イオンと荷電粒子を引き寄せることも指摘しておくべきである。いずれの場合でも、エアロゾル流から除去された成分は高い電気移動度を有する。これらの成分は主にイオンから成るが、小さなサイズまたは異常に高い荷電レベルのために高い移動度を有する荷電粒子も含む。
【００４２】
イオントラップロッドへの電圧の振幅が増大する、すなわち、２０ボルトから１００ボルトまたは２００ボルトに増えると、上述したように、結果的にイオントラップ内の電界強度が高まる。移動度がイオンよりも低いが他の荷電粒子よりも高い小さな荷電粒子は、もはやエアロゾルとともにイオントラップを通過して流れず、その代わりにロッドまたは周壁で回収されて、エアロゾルから除去される。よって、図７および８に示唆されるように、イオントラップバイアス電圧の振幅を上昇させることは、主に小さな荷電粒子に影響を及ぼす。肺または呼吸器系の他の場所の粒子表面積沈着により緊密に一致させるため装置１６を調整するには、特定の粒子直径または粒子直径の範囲に関して沈着と機器応答を合致させる必要はないことを理解されたい。むしろ、目的は、微細サイズ範囲全体での総粒子表面積の予想粒子沈着と機器応答とを合致させることである。このことは、沈着粒子の表面積は、超微粒子接触の健康影響を判定する主要な要因であるという、毒物専門家の間で次第に認められつつある見解に一致する。
【００４３】
イオントラップバイアス電圧の調節は、イオントラップを出るエアロゾルの構成に選択的に影響を及ぼすための好適なアプローチだが、別のアプローチでは、イオントラップを通るエアロゾルの流速を調節する。具体的には、エアロゾルの流速を低減するようにポンプ６６を調節すると、イオントラップ内のエアロゾルの各セグメントの「滞留時間」が増し、その結果、高移動度の（主に小さな）荷電粒子の捕捉量が増大する。よって、流速を低下することは、バイアス電圧振幅を高めることとほぼ同じ効果を有する。
【００４４】
図１３は、別の実施形態のエアロゾルサンプリング装置１０２を概略的に示す。装置１０２は、エアロゾルを受け入れ、そのエアロゾルをエアロゾル内に浮遊する粒子が正に帯電される混合および荷電チャンバ１０６へと導く入口導管１０４を備える。別の導管１０８は、空気をフィルタ１１０に導き、コロナ放電ニードル１１２を介して、正イオンを取り込んでチャンバ１０６に運ぶ。ニードルは、端子１１４で正電圧Ｖ４を印加してバイアスをかけられる。エアロゾルとイオン流は高速ジェット流として互いに対向するように方向付けられて、より完全な混合とエアロゾル粒子の高度な拡散荷電のために乱流を生成する。
【００４５】
チャンバ１０６の下流には、接地して保持される円筒壁１１８と、壁１１８内に同軸で配置され、壁から電気的に絶縁され、端子１２２から印加される比較的低電圧Ｖ５で保持されるロッド（もしくはチューブ）１２０とを含むイオントラップ１１６が設けられる。エアロゾルがチャンバ１０６を出て、イオントラップ１１６を通過すると、取り込まれた正荷電粒子および正イオンがロッド１２０によって壁１１８の方向に反発する。最高の電気移動度を有する正イオンは壁１１８に達し、エアロゾル流から除去される。
【００４６】
イオントラップ１１６を超えて、エアロゾル流は、端子１２８から高正電圧Ｖ６にバイアスをかけられるプレート１２６と、接地して保持されるコレクタプレート１３０とを含む間隔を置いて配置された一対の導電性プレートを囲む沈着チャンバ１２４内に導かれる。導体１３２は、コレクタプレート１３０を電位計測定回路１３４に連結する。正荷電粒子がコレクタプレート１３０によって回収されると、それらの総電荷は導体１３２を通過する電流として排出される。測定回路１３４は、導体１３２を通過する電流を表す電圧レベルを生成する。電圧レベルは、導体１３２内の電流を表すデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換器１３６に供給される。デジタル出力は、電流を表すデジタル値に基づき粒子濃度の表示を生成するように構成されたマイクロプロセッサ１３８に供給される。真空ポンプ１４０は、２．０ｌｐｍの一定速度で、サンプリング装置を通過するエアロゾルとイオン混入空気とを吸い込む。
【００４７】
イオントラップの調節後、装置１６および１０２は、肺の粒子沈着をシミュレートする他の方法で調整することができる。図４および１３をさらに参照すると、コロナ放電ニードルに対する電圧源３０および１１４は、正イオン生成速度を上昇または低下するように調整することができる。もしくは、エアロゾルおよびイオン混入空気を混合チャンバに送る流速を互いに調節することができる。たとえば、エアロゾル流速を低下させつつ補助流速度を上昇させるために接合部で流路を変更すると、粒子が荷電のために混合チャンバ３４または１０６に供給される速度が低下し、予測される結果は、コロナ放電ニードルへの電圧上昇のためそれと類似する。
【００４８】
これらの調整のためのアプローチは、主に超微粒子サイズ範囲の上部領域に影響を及ぼし、感度を高め、移動度曲線を横ばいにさせる。このアプローチは、粒子電荷飽和限界の影響も受ける。
【００４９】
さらに別のアプローチは、サンプリング装置１０２内の端子１２８で電圧Ｖ６を調節する、あるいは、正常に接地されたフィルタ５２にバイアス電圧Ｖ３を印加することによって、電位計ステージを調節することである。このアプローチは、粒子の荷電度合いの調節と同様、主に超微粒子サイズ範囲の上部領域で粒子に影響を及ぼす。このアプローチの欠点は、構造の静電容量への振動などの環境影響によって電位計ステージでノイズが生成されることである。
【００５０】
本発明は、肺シミュレーション以外の使用にも適用可能である。たとえば、図１４は、高性能液体クロマトグラフィ分離測定システム１４２を示す。該システムは高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）ポンプ１４４を採用し、注入ループバルブ１４８と空気噴霧器１５０との間にＨＰＬＣカラム１４６を介在させている。注入ループバルブは、水または他のキャリア液流に注射器１５２から液体サンプルイオンをほぼ即時に注入する。噴霧器の下流には、必要のない場合、バイパスすることのできる拡散乾燥器１５４が設けられ、いずれの場合でも、エアロゾルが検出器１５６に入る際、浮遊成分が液滴ではなくほぼ乾燥した粒子となるように確保する。余分なエアロゾルはフィルタ１５８から排出される。
【００５１】
検出器１５６は、サンプリング装置１６またはエアロゾルサンプリング装置１０２のいずれかに略類似していてもよい。いずれの場合も、検出器１５６は、その出力が所定関数をより厳密にシミュレートするように、上述したように、イオントラップの調節、粒子荷電ステージ、または電位計ステージを通じて調節することができる。
【００５２】
特にイオントラップの形状および電気バイアスを参照すると、サンプリング装置１６および１０２は、ＩＣＲＰ線量測定モデルに基づく具体的な肺沈着曲線により厳密に一致する結果を生み出すように修正することができる。図１５は、導電性環状壁１６２と、壁内に同軸で配置される導電性イオン抽出素子１６４とを含むイオントラップ１６０を示す。素子１６４は段状構造で、セクションはエアロゾル流方向に進むほど次第に直径が小さくなる。壁の直径が一定であるとすると、素子１６４と壁１６２間の放射方向の間隙は流方向に段階的に増大する。電源１６６は壁に対する抽出素子にバイアス電圧を印加し、このバイアス電圧は正荷電粒子およびイオンを引き寄せるように負電圧であってもよいし、これらの粒子およびイオンをはね返すように正電圧であってもよい。
【００５３】
平均流速を用いると、所与の粒子サイズに関するイオントラップの最大カットオフ長は、壁直径と素子直径の比の対数に比例する。また、カットオフ長は粒子移動度と逆に変動する。加えて、イオントラップに沿う析出は、主に２つの対抗する要因によって左右される。まず、壁１６２と素子１６４との間の間隙が小さいほど、電界が強くなる。したがって、イオンと高移動度粒子は析出量を増すため、放射方向に素子１６４または壁１６２に向かって、より迅速に移動する。しかし、間隙が小さいほどエアロゾル流速が早くなるので、析出量は低減する傾向にある。段状セクションの軸方向長と、１つの段状セクションから次のセクションへの直径の低減は、これらの対抗要因を念頭に置きつつ有用に選択される。
【００５４】
図１６は、環状壁１７０が円錐状の抽出素子１７２を囲むイオントラップ１６８を示す。電源１７４は、抽出素子にバイアス電圧を印加する。
素子１７２が次第に先細りになっているため、素子と壁１７０との間の間隙はエアロゾル流方向に増大する。同じ２つの対抗要因が存在する。イオントラップ１６０と比較した場合のイオントラップ１６８の利点の１つは、段状形状により生じる乱流渦が存在しないためエアロゾル流がよりスムーズになることである。
【００５５】
別の変形例（図示せず）は、エアロゾル流方向に間隙の放射方向幅が低減するように素子１７２の方向を逆転させることである。
図１７は、エアロゾル流速を変更せずに段階的に電界を変動させるように構成されたイオントラップ１７６を示す。環状壁１８０に囲まれた一定直径の抽出素子１７８は、電気的に絶縁された障壁１８２によって、一連の電気的に絶縁された導電性セクション１８４、１８６、１８８、１９０、および１９２に分割され、それぞれが異なる電圧でバイアスをかけられる。各セクションの長さとそのバイアス電圧は、所与のセグメントのカットオフ長は電界強度に反比例するという原則に従って選択される。
【００５６】
通常、すべてのセクションは同じ極性の電圧にバイアスをかけられるが、結果的に生じる応答曲線を急勾配にするために逆の極性で１つまたは複数のセクションにバイアスをかけることもできる。
【００５７】
図１８は、抵抗コーティング１９８で被覆される抽出素子１９６が環状壁２００に囲まれ、電源２０２および２０４によって対向端でバイアスをかけられるイオントラップ１９４を示す。これによって、放射状の電界は軸方向に継続的に強度が変動する。コーティング１９８は一定であってもよいし、応答関数を調整するために別のオプションを提供するように厚さを変動させてもよい。
【００５８】
図１９では、イオントラップ２０６は、別個の電源２１２および２１４によって対向端でバイアスをかけられた抵抗コーティング２１０を有する円錐状の抽出素子２０８を囲む壁２０７を特徴とする。このデザインは、イオントラップ１６８および１９４の利点を組み合わせている。
【００５９】
図２０では、イオントラップ２１５は、５つの電気的に絶縁された導電性セグメント２１８から成る段状形状の抽出素子２１６を備える。セグメント２１８は個別に５つの個々の電圧源によってバイアスをかけられ、イオントラップ１６０および１７６の結合された性能を提供する。セグメントは絶縁障壁２１７によって分離される。壁２１９は素子２１６を囲む。
【００６０】
図２１は、導電性ＨＥＰＡフィルタの代わりに電位計出力電流を生成する別の実施形態の電荷応答装置２２０を示す。該装置は、コレクタ電極２２４と第２の電極２２６を含む一対の集塵器電極間の間隙にエアロゾルを向ける導管２２２を備える。電源２２８は電極２２６に対して正電圧のバイアスをかけ、コレクタ電極に対して負電圧のバイアスをかける（正に帯電されたエアロゾル粒子の場合）。コレクタ電極は荷電粒子を蓄積し、電位計演算増幅器２３０に電流を供給して、電流に比例する電圧を生成する。この設計は、応答関数の大粒子側にカットオフを課す。電極２２４に搭載されるサンプルコレクタ２３２は、回収された粒子の顕微検査と化学的分析を簡易化するために取り外すことができる。
【００６１】
上述したように、装置１６は、直径が１ミクロンを超える粒子を空気力学的に除去するサイクロン２０を含む。この特徴は有益であるが、比較的高いサイクロン横断圧力降下（たとえば、８０インチＨ２Ｏ）は高いエネルギー所要量を課し、それは携帯型のバッテリー作動サンプリング機器にとっては特に不都合である。
【００６２】
図２２は、サイクロン衝突器の代わりに使用されるように設計された変形衝突器２３４を示す。衝突器２３４は、エアロゾル入口導管２３６、エアロゾルを混合チャンバに導く出口導管２３８、および、導管２３８を介した混合チャンバへの所望の流速を確保するように測定された流を導く排出導管２４０を備える。
【００６３】
衝突器内部には、カットオフサイズを超える粒子を捕捉しつつ空気を通過させるように設計された、頂部が平面で切断された円錐状の多孔性ライナまたはフィルタ２４２が設けられる。フィルタ２４２の孔はカットオフサイズよりもずっと大きく、たとえば、直径１０〜５０ミクロン超である。
【００６４】
サイクロン衝突器２０を超える利点は、衝突器の横断圧力降下の低減である。さらに、導管２４０を通る測定排出量が増えることで、圧力降下をサイクロンの圧力降下より低く維持しつつ、カットオフサイズを低減できることである。好適なバージョンでは、カットオフサイズは１ミクロンではなく４００ｎｍで、衝突器両端の圧力降下は８０インチＨ２Ｏよりも相当小さい。衝突器２３４のもう１つの利点は、フィルタ２４２が、フィルタによって捕捉された大きな粒子断片の検査および測定を簡易化するように脱着可能に搭載されていることである。この断片は、呼吸器系の鼻咽腔領域に吸収される粒子の断片と一致するため重要である。
【００６５】
図２３は、入口導管２４６、混合チャンバに至る出口導管２４８、および排出導管２５０を有する別の衝突器２４４を示す。導電性ライナまたはフィルタ２５２が、衝突器の残りの部分と電気的に絶縁するため絶縁体２５４を介して搭載される。導体２５６は、フィルタ２５２からの電流を電位計増幅器２５８に伝える。
【００６６】
フィルタ２５２は、フィルタによって回収された粒子に基づき粒子沈着のリアルタイム表示を提供することができる。もちろん、エアロゾルは衝突器に達する前に荷電される。
図２４は、入口導管２６２とエアロゾルを混合チャンバに運ぶ出口導管２６４とを含む別の衝突器２６０を示す。衝突器は、多孔性フィルタではなく固い壁２６６を採用する。壁に装着される導入ヘッド２６８とヘッドに電気的に接続される制御監視回路２７０とを含む水晶質量モニタは、粒子沈着を継続的に表示する。この表示は、粒子沈着から質量増大により低減される結晶の共振周波数に基づく。
【００６７】
したがって、本発明によると、粒子サンプリング機器は、粒子挙動を示す選択された関数により緊密に一致するリアルタイム表示を提供するように調節可能である。より具体的には、周辺環境に関連して、サンプリング機器は、呼吸器系の選択された領域における粒子表面積沈着の非侵襲的なリアルタイム表示を提供するように調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】呼吸器系の様々な領域に関連するナノ粒子沈着曲線を示すグラフである。
【図２】様々な活動レベルに対応するナノ粒子沈着曲線を示すグラフである。
【図３】図１の沈着曲線に対応する標準化応答関数を示すグラフである。、
【図４】本発明によるエアロゾルサンプリング機器の構造の概略図である。
【図５】機器の電位計回路の概略図である。
【図６】機器のマイクロプロセッサを示す図である。
【図７】イオントラップ電圧設定範囲での様々な直径の粒子に関する標準化感度を示すグラフである。
【図８】粒子直径範囲での様々なイオントラップ電圧の設定に関する標準化感度を示すグラフである。
【図９】対応する応答関数のグラフに重畳されるエアロゾル粒子濃度測定値を示す。
【図１０】対応する応答関数のグラフに重畳されるエアロゾル粒子濃度測定値を示す。
【図１１】測定された電流と表面積濃度を関連付ける変換係数を示すグラフである。
【図１２】最適なイオントラップバイアス電圧を示すグラフである。
【図１３】別の実施形態のエアロゾル粒子サンプリング機器と粒子サンプリングシステムとをそれぞれ示す。
【図１４】別の実施形態のエアロゾル粒子サンプリング機器と粒子サンプリングシステムとをそれぞれ示す。
【図１５】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図１６】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図１７】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図１８】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図１９】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図２０】別の実施形態のイオントラップ構造を示す。
【図２１】別の実施形態の電荷回収装置である。
【図２２】別の実施形態の機器およびシステムで使用される大粒子抽出部を示す。
【図２３】別の実施形態の機器およびシステムで使用される大粒子抽出部を示す。
【図２４】別の実施形態の機器およびシステムで使用される大粒子抽出部を示す。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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