(57)【要約】空気サンプルから生物学的浮遊粉塵を収集する装置の実施形態は、液体を内部容積部を通り外側表面にポンプ輸送するようになされた中空チューブと、外側表面上に配設され、周囲の空気サンプルから空中浮遊微粒子を収集するようになされた収集表面とを含む。収集効率は、空中浮遊微粒子が収集表面に向かって屈折されるように空中浮遊微粒子に電荷を加える帯電機構によって高められる。装置動作の実施形態は、空気サンプルを供給する工程と、空気サンプルを中空チューブに誘導する工程と、空中浮遊微粒子が前記中空チューブの収集表面／外側表面に堆積するように空中浮遊微粒子に電荷を加える工程を含む。
2008500542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を中空チューブの内部容積部を通り前記中空チューブの外側表面にポンプ輸送するようになされた中空チューブと、
前記外側表面上に配設され、空気サンプルから空中浮遊微粒子を収集するようになされた収集表面と、
前記空中浮遊微粒子が前記収集表面に向かって偏向するように、前記空中浮遊微粒子を帯電するようになされた帯電機構とを備えることを特徴とする空気サンプルから空中浮遊微粒子を収集する装置。
【請求項２】
前記中空チューブが、前記液体を毛細管作用を介して前記内部容積部から孔を貫通して前記収集表面上に吸引するようになされた複数の前記孔を備える多孔質材料から形成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中空チューブが導電性または半導電性材料から形成される請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記中空チューブが、前記液体を前記内部容積部から開口端部を通して、前記収集表面上に吸引するようになされた前記開口端部を備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記収集表面が導電性材料の層を備える請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記帯電機構が
導電性材料の前記層によって形成される第１の電極と、
前記第１の電極と協働してその間に静電場を作り出すようになされた第２の電極を備える請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の電極と前記第２の電極が誘電材料によって分離されるとき、導電性材料の前記層が、前記第２の電極と協働して界面動電的ポンプを作り出すようになされた第１の電極を形成する請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記収集表面が前記中空チューブの一端に配置される回転可能ディスクである請求項１に記載の装置。
【請求項９】
空気サンプルをシステム内に吸引するための空気吸入アセンブリと、
中空チューブの内部容積部を通り中空チューブの外側表面に液体をポンプ輸送するようになされた中空チューブであって、さらに、前記外側表面上に配設され、かつ前記空気サンプルから前記空中浮遊微粒子を収集するようになされた収集表面を備えてなるものと、
前記空中浮遊微粒子が前記収集表面に向かって偏向するように前記空中浮遊微粒子を帯電するようになされた帯電機構と、
前記液体を前記収集表面から運搬するようになされた出口とを備えることを特徴とする空気サンプル中の空気浮遊微粒子を分析するためのシステム。
【請求項１０】
空気サンプルを供給すること、
前記空気サンプルを第１の端部および第２の端部を有する中空チューブに誘導すること、および
前記中空チューブの外側表面に向かって空中浮遊微粒子が偏向するように、前記空中浮遊微粒子に電荷を加え、空中浮遊微粒子を単一の段階で帯電し収集すること、
からなることを特徴とする空気サンプルから空中浮遊微粒子を収集する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２００３年６月２４日出願の（「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ  Ａｉｒｂｏｒｎｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ」という名称の）米国特許出願第１０／６０３１１９号明細書の一部継続出願であり、その内容全体を本明細書に引用してこの出願の一部とする。この出願はまた、２００４年５月２７日出願の（「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の）米国仮特許出願第６０／５７４８０３号明細書、および２００５年３月７日出願の（「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  Ｄｉｓｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の）米国仮特許出願第６０／６５９３６２号明細書の優先権を主張し、それらの両方の内容全体を本明細書に引用してこの出願の一部とする。
【０００２】
政府財政支援への言及
この発明は、米国国防総省高等研究計画局（Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙ）によって授与された契約番号ＤＡＡＤ１３−０３−Ｃ−００４１およびＵ．Ｓ．Ａｒｍｙ  Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍｏｒｒｉｓ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ｃｅｎｔｅｒ  によって授与された契約番号Ｗ９１１ＳＲ−０４−Ｃ−００２５の下で政府の支援を得て行われた。政府はこの発明にある種の権利を有している。
【０００３】
本発明は、一般に空気のサンプリングに関し、より詳しくは空気サンプルからの病原体（ｐａｔｈｏｇｅｎ）および浮遊粉塵微粒子（ａｅｒｏｓｏｌ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）の収集に関する。
【背景技術】
【０００４】
空気浮遊および病原菌微粒子または胞子を収集することのできる、軍事用、民間用または個人用の空気サンプリング・システムに対する需要が増大している。現行の空気サンプリング・システムは信頼性が高く機能することが立証されてきているが、それらはしばしば非常に大きく、したがって多量の電力を消費するのみならず、多くの騒音を生じる。これらのシステムは、非常に多量の液体サンプルを生じさせる傾向にもあり、それらの分析に数日または数週間すらかかる場合がある。したがって、現行の空気サンプリング・システムは民間用または個人用に対して、または空気サンプルの分析が迅速に行われなければならない環境または状況に対して実用的ではない。
【特許文献１】米国特許出願第１０／６０３１１９号
【特許文献２】米国仮出願第６０／５７４８０３号
【特許文献３】米国仮出願第６０／６５９３６２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、迅速な分析のために比較的少容量の液体サンプルしか生じさせないことが可能なコンパクトで、高効率なバイオ空中浮遊物収集器（ｂｉｏ−ａｅｒｏｓｏｌ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）がこの分野で求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
空気サンプルから生物学的浮遊粉塵粒子を収集する装置の実施形態は、液体を中空チューブの内部容積部を通り外側表面にポンプ輸送するようになされた中空チューブと、外側表面上に配設され、周囲の空気サンプルから空中浮遊微粒子を収集するようになされた収集表面とを含む。収集効率は、空中浮遊微粒子が収集表面に向かって屈折されるように空中浮遊微粒子に電荷を付与する帯電機構によって高められる。装置動作の実施形態は、空気サンプルを供給する工程と、空気サンプルを中空チューブに誘導する工程と、空中浮遊微粒子が前記中空チューブの収集表面／外側表面に堆積するように空中浮遊微粒子に電荷を付与する工程を含む。
【０００７】
本発明の上記で述べた実施形態を達成し詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本発明のさらなる具体的な説明を添付の図面に図示されたその実施形態を参照して行う。しかしながら添付の図面は、この発明の典型的な実施形態のみを示し、したがってこの発明は他の等しく有効な実施形態を許容することができるため、その範囲を限定するものと考えるべきではないことに注意されたい。
【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、図に共通な同一の要素を示すために、可能な場合同一の参照符号を使用した。
【０００９】
本発明の実施形態は、一般に、呼吸吸入性空中浮遊微粒子を収集し、それらを小さな液体容積内に収束又は集中させることができるコンパクトな、軽量の、低電力かつ低騒音の装置を提供する。一実施形態では、この装置は約１から１０ミクロンの微粒子の濃縮を達成することが可能で、かつ１分間に約１０００リットル（ｌｐｍ）までのサンプリング速度を達成することができる。
【００１０】
図１は本発明による微粒子収集装置１００の一実施形態の切欠図である。図示の実施形態では、装置１００は実質的に円筒形の形状で構成される。しかしながら当業者は、本発明の実施形態は本発明の範囲から逸脱することなくあらゆる代替の形態および形状で構成できることを理解するであろう。この装置１００は、その中に空気吸入アセンブリ１０４を含むハウジング１０２、サンプル分離区域１０６、および微粒子収集ゾーン１０８を備える。
【００１１】
空気吸入アセンブリ１０４は、収集装置１００内に空気流を吸引するようになされ、モータ１１０、第１および第２のファン１１２Ａ、１１２Ｂ、および空気ダクト１１４を備える。第１のファン１１２Ａは、収集装置１００の第１の端部１０１に近接して配設され、ファン・モータ１１０に連結される。任意選択の第２のファン１１２Ｂは、装置１００の長手方向軸に沿って第１のファン１１２Ａの内側方向に配置され、一実施形態ではこの第２のファン１１２Ｂは第１のファン１１２Ａより小さい。空気ダクト１１４は装置１００の第２の端部１０３の開口部１１６のところで始まり、動作中ファン１１２Ａ、１１２Ｂによって吸い込まれる空気用の入口通路をもたらすようにそれを通り少なくとも部分的に延びる。一実施形態では、このダクト１１４は、ハウジング１０２の中央部１０５を貫通して配設される。任意選択で、この空気吸入アセンブリ１０４はダクト１１４とファン１１２Ａ、１１２Ｂの間に配置され、プレフィルタとして働くようになされたインパクタ（ｉｍｐａｃｔｏｒ）１５０をさらに備えることができる。すなわち、このインパクタ１５０は、大きな粒子をそれが装置１００内に吸い込まれるとき１次流から外に濾過するための複数のチューブまたは流路１５２を含む。
【００１２】
サンプル分離区域１０６は、装置１００の中央部１０５の外向き半径方向に（すなわち、図１に示す実施形態では、空気ダクト１１４の外向き半径方向に）配置されるサイクロン１１８の実質的に環状の配列および（図２および４に示す）渦遮断器１２０を備える。図３は、図１に示すサイクロン配列の上面図である。図３は８つのサイクロン１１８の配列を示すが、当業者はより多くのまたはより少ない数のサイクロンを有利に使用することも可能であることを理解するであろう。図１および３を同時に参照すると、配列中のそれぞれのサイクロン１１８は接線方向の入口１２４を介して空気ダクト１１４に結合される。この入口１２４は、入ってくる空気をダクト１１４からサンプル分離区域１０６に運搬するようになされている。それぞれのサイクロン１１８は、空中浮遊微粒子を１次空気流から分離するようになされている。サイクロン１１８の第１の端部１０７に近接して配置される渦探知器（ｖｏｒｔｅｘ  ｆｉｎｄｅｒ）１５４が、１次流用の第１の出口穴（ポート）１２２を形成するようにサイクロン１１８内に突き出す複数の短い流路を備える。すなわち、それぞれのサイクロン１１８の第１の端部１０７のところの第１の出口穴１２２は、１次流が分離区域１０６から排出され得るようにサイクロン１１８から出る１次流を平行にし、案内するようになされている。それぞれのサイクロン１１８の第２の端部１０９に近接して配置される第２の出口穴（ポート）１２６は、分離された微粒子の流れを渦遮断装置１２０へ運搬する。
【００１３】
図１、２、４を参照すると、この渦遮断装置１２０はサイクロン１１８の第２の端部１０９に近接して配置され、一実施形態では一連のチャンバ１２８を備える。１つのチャンバ１２８は、それぞれのサイクロン１１８の第２の端部１０９に隣接して配置され、サイクロン１１８から運ばれる微粒子流を比較的濃い、低速の流れに濃縮するようになされた内部容積部を有する。別法として、１つのチャンバ（図示せず）は形状が実質的に環状であってもよく、また浮遊粉塵の流れを全てのサイクロン１１８から受け取ることができるようにすることもできる。渦チャンバ１２８の壁１３８内の接線方向スロット１３６によって、浮遊粉塵の流れがチャンバ１２８から引き出され、そして捕捉区域１０８に向かうように導かれる。
【００１４】
この渦遮断装置１２０は、制御可能な空気／流体境界部１３０によって捕捉区域１０８から分離されている。この空気／流体境界部１３０は、渦チャンバ１２８の外側に隣接して配置され、一実施形態ではこの機構はその上に配設される高多孔質の疎水性膜１３４を有する液体プレート１３２を備える。この疎水性膜１３４は、空気または微粒子流（すなわちガス状の媒体）を収容するようになされた渦チャンバ１２８と、本明細書でさらに説明するように液体を収容するようになされた捕捉区域１０８との間の液体シールまたは境界を形成するようになされている。一実施形態では、この膜１３４は捕捉区域１０８の少なくとも１部分上に熱的に埋め込まれたナイロン網目を備える。このナイロン網目は任意選択で、その疎水特性を増加させるためにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはそれと同等の物質を用いて処理される。
【００１５】
図１および５を参照すると、捕捉区域１０８は、その中に導かれ収束された浮遊粉塵または他の微粒子を運搬するための小容量の液体がその中に収容される少なくとも１つのマイクロ流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）またはナノ流体（ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃ）流路１４０を備える。一実施形態では、上記で説明したようなナイロン網目が少なくとも１つの流路１４０上に熱的に埋め込まれる。この捕捉区域１０８は、（その中に導かれ収束された微粒子を含む）液体流が収集され、または別法としてこの流れを別の分析または収集装置（図示せず）に運搬するための手段と連結することができる液体収集チャンバ１４２をさらに備えることができる。
【００１６】
上記で説明した空気／流体境界部１３０は、微粒子の液体内への誘導または収束を高めるために微粒子を静電的に取り扱うためのコロナ帯電区域５００などの静電的誘導収束機構を捕捉区域１０８の少なくとも１つの流路１４０内に任意選択で含む。コロナ帯電区域５００の１実施形態を図６に概略図で示す。このコロナ帯電区域５００は、コロナ配列６０２および接地電極６０４を備える。コロナ配列６０２は、捕捉ゾーン１０８の少なくとも１つの流路１４０に近接して配置される複数のコロナ先端部（チップ）６０６を備える。電極６０４はこの配列からある距離離れて配置され、一実施形態では配列６０２から流路１４０を横切って配置される。それによって静電場６０８が配列６０２と電極６０４の間に発生する。この静電場６０８が液体流の中の微粒子を帯電させ、それらを流路１４０の中央に向かって駆動する。それによってこのコロナ帯電区域５００は、微粒子をより迅速な、かつより効率的な運搬のために液体の中央内に押しやることによって、微粒子の液体内への操作性を高めるようになされている。コロナ帯電区域５００によって発生する静電場は、実質的に均一に帯電された微粒子流も保証する。
【００１７】
図７は、コロナ帯電区域７０２を含む収集区域７００の第２の実施形態の概略図である。この実施形態では、収集区域７００は、コロナ配列７０４および電極７０６、テープ７０８などの移動微粒子収集材料（ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ  ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）、液溜め７１０および微粒子除去装置７１２を含む。一実施形態では、この収集テープ７０８は第１の表面７０１および第２の表面７０３を有し、いくつかの（例えば、３つ以上の）軸受７１４の周りを閉ループで移動するようになされている。一実施形態では、この閉ループは三角形に似ている。コロナ配列７０４および電極７０６は、微粒子を流路７４０の開口部７２２を通り、収集テープ７０８の隣接する第１の表面７０１上に駆動する静電場７１６を発生させる。液体溜め７１０は下側の軸受または複数の軸受７１４に隣接して配置され、テープが液体溜め７１０を過ぎてまたは通り移動するときテープ７０８の第１の表面７０１上に液体の薄い層７１８を吸い上げるようになされている。この液体層７１８は、浮遊粉塵のテープ表面７０１上への収集を高める。微粒子除去装置７１２は、微粒子が堆積された後、ただしテープ７０８が液溜め７１０を過ぎて移動する前にテープ７０８から微粒子を取り除くように配置される。この収集装置７１２は、液体層内の液体および微粒子が収集チャンバ７２０に移送されるように、テープ７０８から液体層７１８を取り除くことができるスキージ（ゴム板）、ブレード、真空装置または任意の装置とすることができる。任意選択で、テープ７０８の第１の表面７０１は親水性になるように処理され、第２の表面７０３は疎水性になるように処理される。この収集テープ７０８の面積は、粒子のより高い濃縮を可能にするように非常に小さい。
【００１８】
図９は本発明による捕捉区域９００の第３の実施形態の概略図である。この捕捉区域９００は、流路９０２、疎水性膜９０４、静電収束電極９０６および電気泳動電極９０８を備える。この疎水性膜９０４は、前に本明細書で説明したものと大体において同様であるが、さらに導電性であるように作られ、渦遮断区域（図示せず）に隣接する流路９０２の一部分上に埋め込まれる。電気泳動電極９０８は、疎水性膜９０４から流路９０２を横切って配置される。静電収束電極９０６は流路９０２の外側に、電気泳動電極９０８が配置される側面に近接して配置される。差動電圧Ｖが、電気泳動ポンピング・セル（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  ｐｕｍｐｉｎｇ  ｃｅｌｌ）を流路９０２内に作り出すために、疎水性膜９０４と電気泳動電極９０８の間に流路９０２を横切って印加される。静電収束電極９０６によって作り出される静電効果が疎水性膜９０４を通り液体流内に入る微粒子の操作性を高める。ポンピング・セルによって作り出される電気泳動効果は液体流内の微粒子を帯電させ、それらをより迅速な、かつより効果的な運搬のために液体流の中央に向かって駆動する。静電効果と電気泳動効果の間に干渉がある場合、２つの競合する効果は、微粒子流中の効果的な静電的運搬を可能にし、かつ液体流中の微粒子の電気泳動的運搬も可能にする確立された最適周波数でサイクリック方式で動作させることができる。
【００１９】
図８は、収集装置８００がやはり静電集塵器区域８０２を含む本発明の別の実施形態を示す。一実施形態では、静電集塵器区域８０２は複数の集塵器プレート８０４および少なくとも１つのコロナ電極８０６を含み、両者共サイクロン８１０の入口８０１（すなわち、第１の端部）に近接して配置される。この静電集塵器区域８０２は、サイクロン８１０から逃れた小さな帯電（すなわち、少なくとも１つのコロナ電極８０６によってサイクロン８１０内で帯電された）微粒子を、捕捉区域８０８に通過させるのではなく、出て行く１次流とともに引き付けるようになされている。
【００２０】
図１に戻り参照すると、動作では吸入アセンブリ１０４が空気ダクト１１４を介して装置１００内に空気を引き込むように起動される。空気はダクト１１４を通過し、空気流をサイクロン１１８に運搬する接線方向入口１２４に到達する。
【００２１】
サイクロン１１８は１次空気流から微粒子を分離する。流れ場がサイクロン１１８内で急速に回転させられると、遠心力が浮遊粉塵微粒子をサイクロン１１８の壁に向けて強制的に駆動し、そこで微粒子は壁表面に接触する摩擦によって摩擦帯電され得る。流れがサイクロン１１８を通り第２の端部１０９に向かって螺旋を描き続けると、さらなる微粒子が流れから分離される。浮遊粉塵微粒子の流れは第２の端部１０９を通りサイクロン１１８を出て、渦遮断装置１２０のチャンバ１２８に入り、そこでより濃度の高い、低速の流れに濃縮される。
【００２２】
１次流は方向を反転させ、サイクロン１１８の中央部を通り流れ戻り、そこでサイクロン１１８の第１の端部１０７から外へ通過し、ファン１１２Ａ、１１２Ｂを通過して運ばれ、ハウジング１０２の第１の端部１０１の排気穴（ポート）１４４を通り収集装置１００を出る。図８に示すもののような集塵器区域が組み込まれている場合は、サイクロン１１８によって１次流量から分離されなかった小さな帯電微粒子は、１次流が排気穴１４４への途中で集塵器プレートを通過するとき集塵器プレートに引き付けられるであろう。浮遊粉塵および１次流を分離するために（例えば、単一の大きなサイクロンではなく）小さなサイクロン１１８の配列を使用することは、低圧力降下で改善された分離効率を可能にし、それによって、より少ない電力を消費するより静粛なよりコンパクトな装置１００を提供する。例えば、一実施形態では、装置１００全体はわずか直径で１５２．４ｍｍ（６インチ）である。
【００２３】
濃化された浮遊粉塵の流れは渦遮断装置チャンバ１２８の壁１３８の接線方向スロット１３６を通り引き寄せられる。微粒子がチャンバ１２８から外側に向かって流れるとき、微粒子は疎水性網目膜１３４によって形成される毛細管の配列中に静電的に導かれ収束される。微粒子は網目１３４の毛細管を通り収集区域１０８の液体中に引き寄せられ、そこでマイクロ流体流路１４０を通る連続液体流が捕捉された微粒子を収集チャンバ１４２内に運搬する。別法として捕捉区域１０８を、収集装置１００から出る液体を例えば、別の収集容器または分析装置内に運搬するようになされた穴またはライン（図示せず）に接続することができる。
【００２４】
微粒子の流れが空気／流体インターフェイス（すなわち、疎水性膜１３４）に到着すると、液体の流れ速度がゼロに近づく境界層内に微粒子が滞留する。液体中の微粒子運搬は、コロナ電極（図６の６０４）を収集チャンバ１４２に隣接して、ただし収集液体から絶縁して配置することによって高められる。このようにすると、微粒子が捕捉区域１０８のマイクロ流体流路１４０内の収集液体に入った後も静電場６０８が微粒子に作用し続け、それが、微粒子が迅速に運び去られることができるように流路１４０の中央部分のより高い速度の流れ内に微粒子を押しやる。電極６０４のこの配置は、浮遊粉塵微粒子を引き付けるために流路１４０内の液体を高電圧に付勢する必要性も軽減させる。液体中の微粒子運搬を高めるための他の手段には、界面動電的ポンピング、パルス・ポンピング、超音波技術およびインクレメンタル・ポンピングが含まれる、これらに限定されるものではない。
【００２５】
動作の過程にわたり、疎水性網目膜１３４は、大きな粒子、埃または細片によって目詰まりする可能性がある。そのような場合、流路１４０内の水を網目膜１３４の保持圧力を超えるレベルに加圧することができる。結果として、膜１３４によって形成された境界が破られ、水が網目１３４から外に流れ出し、埃および細片を流れと一緒に運び去るであろう。水圧は次いで下げられ、網目膜１３４が液体シールを再形成することができる。したがって、疎水性膜１３４は、収集装置１００を分解することなく容易に清掃することができる。
【００２６】
本発明による収集装置はここまでは実質的に円筒状の形態を有する装置として説明してきたが、収集装置は本発明の範囲から逸脱することなく代替の形状または形態で構成できることを当業者は理解するであろう。例えば、図１０Ａ〜１０Ｂは、実質的に箱形状のハウジング１００２を有する収集装置１０００の実施形態を示す。
【００２７】
この収集装置１０００は、空気サンプルの吸入用の空気入口側面１００４、および入口側面１００４と対向する分離された１次流れ空気の排除用の出口側面１００６を有する箱として構成される。入口および出口側面１００４、１００６は空気の吸入および排除用の複数の開口部１０１０を有する。さらに、少なくとも１つの捕捉液体出口１００８が液体およびその中に捕捉された微粒子を収集または分析装置（図示せず）に運搬するためにハウジング１００２に接続することができる。
【００２８】
図１０Ｂに示すように収集装置１０００は、空気吸入区域１０１８、分離区域１０１２、渦遮断区域１０１４および捕捉区域１０１６を備える。空気吸入区域は、ハウジング１００２の入口側面１００４に形成される開口部１０１０に接続される複数の流路１０２０を備える。それぞれの流路１０２０は、空気サンプルを分離区域１０１２に運搬するために分離区域１０１２に接続される接線方向の入口１０２２を有する。
【００２９】
前の実施形態のように、この分離区域１０１２は、空気サンプルを受けサンプル内の空中浮遊微粒子を１次流から分離するための入口１０２２に接続される少なくとも１つのサイクロン１０２４を備える。この少なくとも１つのサイクロンは、第１の出口穴１０４０を通り清浄な１次流を吐き出し、第２の出口穴１０２６を通り分離された微粒子を吐き出す。
【００３０】
この第２の出口穴１０２６が分離された微粒子を渦遮断装置区域１０１４のチャンバ１０２８に運搬し、そこで微粒子流は捕捉区域１０１６を通過するために濃縮される。
【００３１】
捕捉区域１０１６は渦遮断装置区域１０１４に接続される。濃縮された微粒子流は、渦チャンバ１０２８の出口穴１０３０を通過し捕捉区域流路１０３２に到達する。この流路１０３２は、この微粒子を収集または分析装置に（すなわち、図１０Ａに示す捕捉液体出口１００８を介して）運搬するための液体を収容する。本明細書で論じた疎水性網目および／またはコロナ付勢アセンブリなどの静電収束機構を流路１０３２内の微粒子操作性を高めるために使用することができる。
【００３２】
本発明による第４の実施形態を図１１に示す。この収集装置１１００は、図８に示す装置８００に大体において似ているが、静電析出区域の代わりにこの装置１１００は凝縮区域１１０２を含む。一実施形態ではこの凝縮区域１１０２は、サイクロン１１０６から出て行く１次流とともに逃れた小さな空中浮遊微粒子を冷却し凝縮するようになされた排気容積部１１０４備える。この凝縮区域１１０２は、分析または抽出装置（図示せず）に、例えば、凝縮した微粒子を装置１１００から外に運搬する穴または接続部によって接続するようになされることができる。任意選択で、装置１１００は、または本明細書で説明するどんな代替の実施形態も、捕捉区域１１１０内に収集され凝縮された微粒子を分析するための装置（図示せず）を保持するために、捕捉区域１１１０に隣接して配置される検出器区域１１０８を含むことができる。この分析装置は、装置１１００と一体で形成することができることができ、あるいはこの検出器区域１１０８は多数の別の互換性のある分析装置と接続するように製造することもできる。
【００３３】
図１４は本発明による、浮遊粉塵微粒子を液体中に堆積させるための微粒子収集装置１４００の第５の実施形態を示す概略線図である。この微粒子収集システム１４００は、例えば空中浮遊微粒子を液体媒体中に収集し濃縮するための前に開示した機構（例えば、サンプル分離および微粒子捕捉ゾーン）の代わりに実施することができる。しかしながら微粒子収集システム１４００は、収集装置の別の（例えば、最初の分離器前面端部なしの装置などの）形態でも同様に実施することができる。
【００３４】
微粒子収集システム１４００は、浮遊粉塵の流れを収容する空気ダクト１４０４内に同軸に配設される中空のチューブ１４０２を備える。この中空のチューブ１４０２は、第１の端部１４０６および対向する第２の端部１４０８の両方のところで開口している。一実施形態では、この中空チューブ１４０２は、焼結金属、焼結ガラスおよび焼結高分子のうちの少なくとも１つから構成される。
【００３５】
動作の一実施形態では、液体は中空チューブ１４０２の第１の端部１４０６の近くで（例えば、図示しない液溜めまたは他の液体源に接続される少なくとも１つの入口１４１２を介して）受けられ、中空チューブ１４０２の内部容積部を通り中空チューブ１４０２の開口する第２の端部１４０８に向かってポンプ輸送される。液体が中空チューブ１４０２の開口する第２の端部１４０８に接近すると、液体は中空チューブ１４０２を出て中空チューブ１４０２の第２の端部１４０８上に、かつ中空チューブ１４０２の外側表面に沿ってこぼれる。この結果、中空チューブ１４０２の外側表面のところで蒸発が起こるにつれて、さらなる液体が自動的に中空チューブ１４０２の表面に供給される。空気ダクト１４０４内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、この中空チューブ１４０２の外側表面上の液体中に堆積する。この堆積した微粒子を含む液体は、（例えば、中空チューブ１４０２の外側表面の近くに配置される出口１４１４を介して）中空チューブ１４０２の外側表面に沿って微粒子収集または分析装置に流れる。
【００３６】
動作の別の実施形態では、空気ダクト１４０４内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、中空チューブ１４０２の乾いた外側表面上に堆積する。この堆積した微粒子は次いで、上記で説明したように液体を中空チューブ１４０２を通りポンプ輸送することによって、中空チューブ１４０２の外側表面から「すすぎ落とされる」。
【００３７】
微粒子収集システム１４００の別の実施形態は、中空チューブの表面のところに第１の電極１４１８を、かつ微粒子流を含む、入ってくる空気サンプルを受ける領域に近接して第２の電極の少なくとも１つの配列１４２０（すなわち、コロナ・チップ）を備える帯電区域を設けることによって高めることができる。一実施形態では、この第１の電極１４１８は、（例えば、中空チューブ１４０２の外側表面が接地電極として機能するように）中空チューブ１４０２の外側表面に配設される（例えば、錫、チタン等などのスパッタ金属用に蒸着された）導電性材料の薄い（例えば、約０．０１２７〜０．０５０８ｍｍ（０．０００５〜０．００２インチ）厚さの）層を備える。別の実施形態では、中空チューブ１４０２を構成する材料は、中空チューブ１４０２自体が（すなわち、被覆なしで）第１の電極１４１８として機能するように、焼結金属（例えば、ステンレス鋼、チタン等）または焼結高分子と焼結金属の混合物（例えば、導電性プラスチック）などの導電性または半導電性材料とすることができる。一実施形態では、コロナ・チップの配列１４２０は、例えば、空気ダクト１４０４の内側周辺の周りに半径方向に配設される。
【００３８】
コロナ・チップの配列１４２０は、第１の電極１４１８と協働してその間に静電場を発生させる。コロナ・チップの配列１４２０がコロナ放電を作り出すのに十分な電圧に付勢されるとき、この静電場を通過する微粒子は、電界帯電に起因して（すなわち、Ｐａｕｔｈｅｎｉｅｒの式に応じて）電荷を取得する。その結果、帯電した微粒子の軌跡は、それぞれの微粒子が中空チューブ１４０２の外側表面上の液体中に堆積する（例えば、微粒子は第１の電極１４１８に向かって屈折される）高い蓋然性を有するように影響される。一実施形態では、入ってくる微粒子を帯電させることによって、約２μの寸法の微粒子に対して約９９パーセントまたはそれ以上の収集効率を達成する。ここで収集効率は、第１の電極上１４１８で収集される微粒子の数を入ってくる（例えば、空気ダクト１４０４の入口のところで測定される）微粒子の全数で割って定義される。別の実施形態では、中空チューブ１４０２の実質的に全長に沿って微粒子の屈折を高めるために、コロナ・チップの追加の配列を空気ダクト１４０４の長さに沿って、中空チューブ１４０２の長さにさらに沿った近い点に（例えば、中空チューブ１４０２の第１の端部１４０６により接近して）実装することができる。
【００３９】
したがって、微粒子収集システム１４００は、空中浮遊微粒子のより効率的な収集を達成するために、帯電機構（例えば、第１の電極１４１８と関連して動作するコロナ・チップの配列１４２０）を収集機構（例えば、中空チューブ１４０２）と組み合わせる。それによって微粒子は（例えば、微粒子を第１の段階で帯電し、その微粒子を第２の段階で収集表面上に堆積させる標準的な方法とは対照的に）単一段階プロセスで帯電され収集される。単一段階帯電および収集機構の採用は、中空チューブ１４０２の外側表面上に捕捉される空中浮遊微粒子の量を実質的に増加させ、その結果既存の収集装置によって現行で達成されるものよりもより良いサンプル濃縮を分析用に提供する。
【００４０】
図１２は本発明による、浮遊粉塵を液体中に堆積させる微粒子収集システム１２００の第６の実施形態を示す概略線図である。微粒子収集システム１４００と同様に、この微粒子収集システム１２００は、例えば、空中浮遊微粒子を液体媒体中に収集し濃縮するための前に開示した機構（例えば、サンプル分離および微粒子捕捉ゾーン）の代わりに実施することができる。
【００４１】
微粒子収集システム１２００は、微粒子収集システム１４００に大体において似ており、微粒子収集装置の空気ダクト１２０４内に同軸に配設される中空チューブ１２０２を備える。この中空チューブ１２０２は、第１の端部１２０６のところで開き、対向する第２の端部１２０８のところで閉じている。中空チューブ１２０２は液体をその表面上に吸い上げることができる多孔質の材料から構成される。その目的のために、この中空チューブ１２０２は複数の孔１２１０を備える。例えば、一実施形態では、この中空チューブ１２０２は焼結ガラスまたは焼結高分子のうちの少なくとも１つから構成される。
【００４２】
動作の一実施形態では、液体は（例えば、図示しない液溜めまたは他の液体源に接続された少なくとも１つの入口１２１２を介して）中空チューブ１２０２の開口する第１の端部１２０６の近くで受けられ、中空チューブ１２０２の内部容積部を通り中空チューブ１２０２の閉じた第２の端部１２０８に向かってポンプ輸送される。液体が中空チューブ１２０２を通りポンプ輸送されるとき、液体は毛細管作用によって中空チューブ１２０２の孔１２１０を貫通して、中空チューブ１２０２の外側表面上に引き寄せられる。この結果、中空チューブ１２０２の外側表面のところで蒸発が起こるにつれて、さらなる液体が自動的に中空チューブ１２０２の表面に供給される。空気ダクト１２０４内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、この中空チューブ１２０２の外側表面上の液体中に堆積する。この堆積した微粒子を含む液体は、中空チューブ１２０２の外側表面に沿って（例えば、中空チューブ１２０２の外側表面の近くに配置される出口１２１４を介して）微粒子収集または分析装置に流れる。
【００４３】
動作の別の実施形態では、空気ダクト１２０４内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、中空チューブ１２０２の乾いた外側表面上に堆積する。次いでこの堆積した微粒子は、上記で説明したように液体を中空チューブ１２０２を通り孔１２１０を貫通して外へポンプ輸送することによって、中空チューブ１２０２の外側表面から出口１２１４に「すすぎ落とされる」。
【００４４】
微粒子収集システム１４００と同様に、微粒子収集システム１２００の別の実施形態は、入ってくる微粒子を中空チューブ１２０２の外側表面上の液体中に屈折させる静電場を発生させることによって高めることができる。一実施形態では、この静電場は微粒子流を含む、入ってくる空気サンプルを受ける領域に近接してコロナ・チップの少なくとも１つの配列１２２０を設けることによって発生する。このコロナ・チップの配列１２２０は、図１４を参照して上記で説明したように、中空チューブ１２０２の外側表面上に蒸着された第１の電極１２１８とともに、入ってくる微粒子中空チューブ１２０２の外側表面上の液体中に屈折させるように働く。一実施形態では、コロナ・チップの配列１２２０は、例えば、空気ダクト１２０４の内側周辺の周りに半径方向に配設される。別の実施形態では、中空チューブ１２０２の実質的に全長に沿って微粒子の屈折を高めるために、コロナ・チップの追加の配列を中空チューブ１２０２の長さにさらに沿った近い点に（例えば、中空チューブ１２０２の第１の端部１２０６により接近して）実装することができる。別の実施形態では、中空チューブ１２０２を構成する多孔質材料は、中空チューブ１２０２自体が（すなわち、被覆なしで）第１の電極１２１８として機能するように、焼結金属（例えば、ステンレス鋼、チタン等）または焼結高分子と焼結金属の混合物（例えば、導電性プラスチック）などの導電性または半導電性材料とすることができる。
【００４５】
別の実施形態では、中空チューブ１２０２は、中空チューブ１２０２の孔１２１０を貫通する液体の流れを高めるため界面動電的ポンプをさらに備える。この界面動電的ポンプは、第３の電極が第１の電極から絶縁体（例えば、中空チューブ１２０２それ自体、この実施形態ではそれは例えば、焼結ガラスまたは焼結高分子で形成され、その上に第１の電極１２１８が被覆として蒸着される）によって間隔が開けるように、中空チューブ１２０２内に同軸に配設される。この第３の電極１２１６および第１の電極１２１８は異なる電位であり、第３の電極１２１６と第１の電極１２１８の間の電場が付勢されるとき、界面動電的に誘起された圧力が液体メニスカスを中空チューブ１２０２の孔１２１０のところで外側に向かって屈折させる。
【００４６】
図１３Ａおよび１３Ｂは、中空チューブ１２０２の典型的な孔１２１０を示す概略線図である。具体的には、図１３Ａは界面動電的ポンプ輸送の効果のない孔１２１０を示し、一方図１３Ｂは、同じ孔１２１０に加えられる上記で説明した界面動電的ポンプ輸送の効果を示す。図示のように、界面動電的ポンプ輸送の効果は、中空チューブ１２０２の外側表面が少なくとも液体の薄い層で実質的に被覆されるように、液体のメニスカス１３００Ｂを孔１２１０を貫通して外側に向かって押しやる。いくつかの実施形態ではこれは、界面動電的ポンプ輸送が適用されない（例えば、メニスカス１３００Ａを参照）実施形態と比較して、入ってくる空気サンプルから微粒子を収集する微粒子収集システム１２００の能力を高めることができる。
【００４７】
界面動電的ポンプの位置が微粒子収集表面（例えば、中空チューブ１２０２の外側表面）に近いことは、いくつかの利点をもたらす。例えば、そのような配置は多数ユニット構成での液体の分布を容易にする。さらに、この界面動電的ポンプは通常は占有されないままであろう空間を使用し、したがって、高められた微粒子収集能力を達成するための追加の体積を全く必要としない。その上界面動電的ポンプを含む微粒子収集システム１２００の構成は、実質的に向きに無関係であり、微粒子を収集するために最小容積の液体しか必要としない。
【００４８】
図１５は本発明による、浮遊粉塵を液体中に堆積させるための微粒子収集システム１５００の第７の実施形態を示す等角投影図である。微粒子収集システム１２００および１４００と同様に、微粒子収集システム１５００は、例えば、空中浮遊微粒子を液体媒体中に収集し濃縮するための前に開示した機構（例えば、サンプル分離および微粒子捕捉ゾーン）の代わりに実施することができる。
【００４９】
この微粒子収集システム１５００は、いろいろな意味で微粒子収集システム１２００および１４００に似ており、微粒子収集装置の空気ダクト内に同軸に配設されるようになされた中空チューブ１５０２を備える。この中空チューブ１５０２は第１の端部１５０６および対向する第２の端部１５０８の両方のところで開口している。
【００５０】
さらに、この微粒子収集システム１５００は、中空チューブ１５０２の第２の端部１５０８のところに配置される回転可能ディスク１５０４を備える。この回転可能ディスク１５０４は、回転可能ディスク１５０４の回転軸が中空チューブ１５０２の長手方向軸と実質的に同軸に向くように配置され、したがって、この回転可能ディスク１５０４は、中空チューブ１５０２の長手方向軸の周りを回転することができる。
【００５１】
この回転可能ディスク１５０４は、実質的にその中心に配設される穴１５１４および第１の半径ｒ１を有する平らな表面１５１０を備える。この第１の半径ｒ１は、回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０と回転可能ディスク１５０４の外側円周の間に溝１５１２が形成されるように、回転可能ディスク１５０４全体の半径ｒ２より小さい。
【００５２】
動作の一実施形態では、液体は（例えば、図示しない液溜めまたは他の液体源に接続される少なくとも１つの入口を介して）中空チューブ１５０２の第１の端部１５０６の近くで受けられ、中空チューブ１５０２の内部容積部を通り中空チューブ１５０２の第２の端部１５０８に向かってポンプ輸送される。液体が中空チューブ１５０２の第２の端部１５０８に近づくと、この液体は回転可能ディスクの穴１５１４を通り中空チューブ１５０２１５０２から出て、回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０上を覆ってこぼれる。その結果、回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０のところで蒸発が起こるにつれて、さらなる液体が回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０に自動的に供給される。空気ダクト内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０上の液体上に堆積する。回転可能ディスク１５０４が回転するとき、この回転動作が堆積した微粒子を含むこの液体を穴１５１４から引いて離し、遠心的に溝１５１２に向かってポンプ輸送し、そこで液体が収集される。次いでこの堆積した微粒子を含む収集された液体は、（例えば、溝１５１２または中空チューブ１５０２の外側表面の近く配置される、図示しない出口を介して）サイホンで、ポンプ輸送で、またはその他の方法で微粒子収集または分析装置に運搬される。
【００５３】
動作の別の実施形態では、空気ダクト内の、入ってくる空気サンプルからの空中浮遊微粒子は、回転可能ディスク１５０４の乾いた表面１５１０上に堆積する。次いでこの堆積した微粒子は上記で説明したように、液体を中空チューブ１５０２を通りポンプ輸送し、回転可能ディスク１５０４を回転させることによって回転可能なディスク１５０４の平らな表面１５１０から「すすぎ落とされる」。
【００５４】
微粒子収集システム１２００および１４００と同様に、微粒子収集システム１５００の別の実施形態は、コロナ・チップの少なくとも１つの配列を微粒子流を含む、入ってくる空気サンプルを受ける領域に近接して設けることによって高めることができる。コロナ・チップのこの配列は、図１４を参照して上記で説明したように、中空チューブ１５０２の外側表面上に蒸着された第１の電極１２１８とともに、入ってくる微粒子を回転可能ディスク１５０４の平らな表面１５１０上の液体中に屈折させるように働く。一実施形態では、コロナ・チップの配列は、例えば、空気ダクトの内側周辺の周りに半径方向に配設される。
【００５５】
一実施形態では、この回転可能ディスク１５０４は、重力が実質的に重要でなくするのに十分な高速で回転する。そのような実施形態では、微粒子が堆積した液体を運搬するのに重力に依存しないので、微粒子収集システム１５００は、微粒子収集装置が微粒子収集システム１５００を組み込むのにより大きな度合いで向きを決めることが可能になる。
【００５６】
別の実施形態では、この回転可能ディスク１５０４は、ダクトを通る空気流に対して実質的に垂直な運動方向に、空気ダクトを出入りして移動する移動テープまたはワイヤ収集手段などの異なる機構に代替することができる。
【００５７】
したがって、本発明は、バイオ浮遊粉塵収集の分野で重要な利点を示す。病原体、浮遊粉塵または他の望ましくない微粒子の検出のために容易に分析可能な小さな液体容積内への空中浮遊微粒子の高効率な収集を達成する装置が提供される。この装置の効率は、装置を容易に携帯型微粒子収集装置に組み込むことを可能にするこの装置のコンパクトな寸法にそぐわないものである。さらに、この装置の向きに関係しない構成によって、この装置は様々な環境および機器に使用するのに適したものになる。
【００５８】
前述は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の別のおよびさらなる実施形態をその基本的な範囲から逸脱することなく考え出すことができる。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって決められる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の空中浮遊微粒子収集装置の一実施形態の切断図である。
【図２】図１に示す空中浮遊微粒子収集装置の分解図である。
【図３】図１に示すサイクロン配列の上面図である。
【図４】図１に示す渦遮断装置区域の上面図である。
【図５】図１に示す捕捉区域の分解図である。
【図６】図１および５に示す捕捉区域とともに使用するようになされたコロナ帯電区域の概略図である。
【図７】捕捉区域およびコロナ帯電区域の第２の実施形態を示す図である。
【図８】本発明による収集装置の第２の実施形態の図である。
【図９】本発明による捕捉区域の第３の実施形態の概略図である。
【図１０Ａ】本発明による収集装置の第３の実施形態の平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す収集装置の切欠図である。
【図１１】本発明による収集装置の第４の実施形態の切欠図である。
【図１２】本発明による、浮遊粉塵微粒子を液体中に堆積させる微粒子収集システムの第５の実施形態を示す概略線図である。
【図１３Ａ】図１２の微粒子収集装置の典型的な孔を示す概略線図である。
【図１３Ｂ】図１２の微粒子収集装置の典型的な孔を示す概略線図である。
【図１４】本発明による、浮遊粉塵微粒子を液体中に堆積させる微粒子収集システムの第６の実施形態を示す概略線図である。
【図１５】本発明による、浮遊粉塵微粒子を液体中に堆積させる微粒子収集システムの第７の実施形態を示す等角投影図である。
【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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【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
2008500542.tif 000020