(57)【要約】  本発明は、微分型移動度分析器（ＤＭＡ）を含む走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）装置でエアロゾル粒径分布を得るための方法であって、（ｉ）第１のシース流量Ｑｓｈ１にて、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｍｉｎからＶｔ１まで変化させることによって、所定の最小サイズＤｍｉｎから中間サイズＤｔまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第１のデータセットを収集する工程と、（ｉｉ）シース流量を第１のシース流量Ｑｓｈ１から第２のシース流量Ｑｓｈ２に変更する工程と、（ｉｉｉ）第２のシース流量Ｑｓｈ２にて、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｔ２からＶｍａｘまで変化させることによって、中間サイズＤｔから所定の最大サイズＤｍａｘまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第２のデータセットを収集する工程と、（ｉｖ）ＤＭＡの装置関数と工程（ｉｉ）におけるシース流量Ｑｓｈ１およびＱｓｈ２とを用いて、工程（ｉ）の第１のデータセットを畳み込む工程と、（ｖ）工程（ｉｖ）の畳み込まれたデータセットを、工程（ｉｉｉ）の第２のデータセットと結合して、ＤｍｉｎからＤｍａｘまでのサイズ分布に対応するマージされたデータセットを形成する工程と、（ｖｉ）マージされたデータセットを逆畳み込みして、全サイズ範囲Ｄｍｉｎ〜Ｄｍａｘについてのサイズ分布を得る工程と、を含む方法を提供する。また、上記方法を実施するように設定されたＤＭＡ、ＳＭＰＳ、または高速移動度粒径測定器（ＦＭＰＳ）装置も提供する。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微分型移動度分析器（ＤＭＡ）を含む走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）装置でエアロゾル粒径分布を得るための方法であって、
（ｉ）第１のシース流量Ｑｓｈ１にて、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｍｉｎからＶｔ１まで変化させることによって、所定の最小サイズＤｍｉｎから中間サイズＤｔまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第１のデータセットを収集する工程と、
（ｉｉ）シース流量を該第１のシース流量Ｑｓｈ１から第２のシース流量Ｑｓｈ２に変更する工程と、
（ｉｉｉ）該第２のシース流量Ｑｓｈ２にて、該ＳＭＰＳの該ＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｔ２からＶｍａｘまで変化させることによって、該中間サイズＤｔから所定の最大サイズＤｍａｘまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第２のデータセットを収集する工程と、
（ｉｖ）該ＤＭＡの装置関数と工程（ｉｉ）における該シース流量Ｑｓｈ１およびＱｓｈ２とを用いて、工程（ｉ）の該第１のデータセットを畳み込む工程と、
（ｖ）工程（ｉｖ）の該畳み込まれたデータセットを、工程（ｉｉｉ）の該第２のデータセットと結合して、ＤｍｉｎからＤｍａｘまでのサイズ分布に対応するマージされたデータセットを形成する工程と、
（ｖｉ）該マージされたデータセットを逆畳み込みして、全サイズ範囲Ｄｍｉｎ〜Ｄｍａｘについてのサイズ分布を得る工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記第１のシース流量Ｑｓｈ１が前記第２のシース流量Ｑｓｈ２よりも高い、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳＭＰＳが、３ｎｍ〜４，０００ｎｍまたは５ｎｍ〜１，０００ｎｍの粒径分布を計測するように設定された、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
実質的に図３から図９の図面を参照しながら上記で説明したようにエアロゾル粒径分布を得るための方法。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の方法を実施するように設定されたＤＭＡおよび／またはＳＭＰＳ装置。
【請求項６】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の方法を実施するように設定された高速移動度粒径測定器（ＦＭＰＳ）装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル粒径分布を得るための方法に関する。より詳細には、本発明は、より広い粒径範囲において多分散粒子集団から単分散エアロゾル粒子を選別することを可能にする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、意図せずに空気中に排出されるナノ粒子およびマイクロ粒子の健康への影響が非常に懸念されている。例えば、近年の英国における呼吸器疾患およびアレルギーの大幅な増加は、ディーゼルエンジンやその他の燃焼過程によって排出された粒子にある程度結び付けられている。ディーゼル排出ガスが主な焦点となってきたが、注目は、化石燃料を用いた発電、焼却、原子力発電、および航空機排出ガスのような他の潜在的な発生源に移りつつある。煙を排出する過程を必要とする全ての重工業は、エアロゾル粒子の排出に潜在的な問題を抱えている。このような過程は、製錬、焼成、ガラス製造、溶接、はんだ付け、原子力発電、および焼却を含む。消費財企業にも、粉末洗剤、紛体塗料、および使い捨ておむつやその他の製品に用いられる繊維における酵素の使用が問題を引き起こす虞があるという懸念がある。また、米国環境保護庁（ＵＳＥＰＡ）は、ガソリンエンジン排出ガスへの懸念を強めている。
【０００３】
ナノ粒子およびナノ物体は毒性作用を及ぼすことが知られている。例えば、これらはヒトの血液脳関門を通過可能であり、金ナノ粒子は胎盤を通って母親から胎児へ移行し得る。直径約２０ｎｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を用いた初期の研究により、不活性と思われる不溶性材料の空気中濃度が５０μｇ／ｍ３未満であるとラットにとって致命的となり得ることが分かった。
【０００４】
健康の観点からの懸念に加えて、空気中浮遊粒子の排除または制御は、マイクロエレクトロニクス、製薬、医療、レーザ、およびファイバーオプティクス産業における何千ものクリーンルームにおいて水準を維持するうえで重要である。
【０００５】
小さい粒子は、下記の表１に示すように分類可能である。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
「ナノ粒子」という用語は、１ｎｍ〜０．１μｍの範囲の空気力学的粒径を有する粒子をいうために用いられる。
【０００８】
球形粒子の場合、空気力学的粒径は粒子の幾何学的な直径である。空気中の実際の粒子は複雑な形状を有していることが多い。非球形粒子の場合は、「直径」という用語を厳密に適用することはできない。例えば、薄片または繊維は方向によって寸法が異なる。同一形状の粒子が、異なる化学物質で構成され、異なる密度を有していることもあり得る。形状および密度の違いは、粒径を定義するうえでかなりの混乱を生じさせる。
【０００９】
したがって、「空気力学的粒径」または「空気力学的径」という用語は、任意の形状および密度を有する実際の非球形粒子を説明するための単一のパラメータを提供するために用いられる。本明細書中、用語「空気力学的径」は、対象となる粒子と空気中（標準の温度および気圧）で同じ慣性特性（終末沈降速度）を有する密度１ｇ／ｃｍ３の球形粒子の直径である。カスケードインパクタのような慣性サンプリング機器によって、空気力学的径の測定が可能である。用語「空気力学的径」は、いかなる形態および密度のクラスタおよび凝集体をも含む全ての粒子に好都合である。しかしながら、非球形粒子は通常は球形粒子よりも終末沈降速度が遅いため、空気力学的径は真の幾何学的サイズではない。別の好都合な相当径は、対象となる粒子と空気中で同じ拡散率を有する密度１ｇ／ｃｍ３の球体として定義される拡散径つまり熱力学的径である。
【００１０】
大気中のエアロゾル粒子の調査および監視は、広い粒径範囲での計測が可能であり、それでいて広く普及して用いられるのに十分に安価で頑丈で便利な機器が不足していることによって、妨げられている。
【００１１】
エアロゾル粒子を計測および選別するための機器は、粒子の電気移動度に基づき得る（例えば、Flagan, R. C. (1998): History of electrical aerozol measurements, Aerosol Sci. Technol., 28(4), pp.301-380を参照）。１つのこのような機器は、エアロゾル中の粒子の粒径分布を測定するために利用可能な微分型移動度粒径測定器（Differential Mobility Particle Sizer）（ＤＭＰＳ）である。ＤＭＰＳは、ある特定のサイズの粒子のみを透過させる微分型移動度分析器（Differential Mobility Analyzer）（ＤＭＡ）と、粒子を計数する凝縮型粒子計数器（Condensation Particle Counter）（ＣＰＣ）とからなる。
【００１２】
微分型移動度分析器は、典型的には、エアロゾルガス試料用の入口および出口と清浄なキャリアガス（「シースエア」または「シースガス」）用の入口および出口とを有するチャンバを含み、該キャリアガスは、エアロゾルガス試料をチャンバに沿って搬送する。チャンバには、エアロゾル試料中の帯電した粒子が引き寄せられる、反対の極性を有する一対の電極が収容される。いくつかのＤＭＡ装置においては、棒状電極がチャンバの中心に沿って配置され、チャンバの円筒状外壁が他方の電極として機能する、同心円状の電極配置が採用される。他のＤＭＡ装置においては、電極は、一対の対向電極板であり得る。
【００１３】
使用時には、エアロゾル試料が入口からチャンバに導入され、シースエアによってチャンバに沿ってエアロゾルガス出口に向けて搬送される。エアロゾルがチャンバに沿って進むにつれて、エアロゾル中の帯電した粒子が電極の一方または他方へ引き寄せられる。帯電した粒子の経路がエアロゾル入口とエアロゾル出口とを結ぶ線から逸れる程度は、粒子の電気移動度、電極への印加電位、およびシースエアの流量によって決まる。粒子の電気移動度は、粒子のサイズと電荷の関数である。よって、所与の電極電位、粒子電荷、およびシースエア流量において、より小さい粒子はより大きい粒子に比べて電極に引き寄せられやすい。したがって、電極の電位を変えることによって、エアロゾル試料のどのサイズ分画をエアロゾル出口に到達させるかを選別することが可能である。電極の電位を変え、電位ごとに計測を繰り返すことによって、エアロゾルの粒径分布を得ることが可能である。
【００１４】
大気またはその他から採取されたエアロゾル試料中に存在する粒子には、典型的には、帯電した粒子と帯電していない粒子の両方がランダムで未知の割合で含まれる。したがって、チャンバへの導入前に、エアロゾルガス試料は、エアロゾル中の中性粒子に対して電荷を与え、エアロゾル中の既に帯電している粒子に対しては再帯電させるかまたはその電荷を調節する帯電装置に通されるのが一般的である。帯電装置は、所定の一定の電荷を粒子に印加するように設定される。
【００１５】
普通、ＤＭＡは、約５００ｎｍまでの粒径を計測するために用いることができ、場合によっては、より長いＤＭＡカラムを用いることによって約１，０００ｎｍまでのサイズを有する粒子を計測するために用いることができる。しかしながら、多くの実際的状況においては、数ナノメートルから１０マイクロメートル（ＰＭ１０と定義される）まで及び得るサイズの粒子を計測することが必要であるかまたは望ましい。この広い範囲では、粒子の移動度は数桁にわたって異なり、実際上、このような広範囲の粒径を単一のＤＭＡ装置によって計測することは非常に難しい。
【００１６】
広い粒径範囲にわたる粒径分布を計測可能であることが有利なことは疑いの余地がなく、２つの装置、つまり電気移動度分析器とインパクタとを用いて計測を実施することによってこの課題を解決しようとする試みがなされている。まず、小さい粒子のサイズ分布を計測するために電気移動度分析器を用い、その後、より大きい粒子のサイズ分布を測定するためにエアロゾルをインパクタへ向かわせる。この手法の一例が米国特許第７，１４０，２６６号に開示されている。米国特許第７，１４０，２６６号には、電気移動度分析器とインパクタとが移動度分析器の底板がインパクタの入口部分として兼用されるように相互に接続された装置が記載されている。しかしながら、米国特許第７，１４０，２６６号の装置にはいくつかの潜在的な欠点がある。第１に、この装置はインパクタ用の大きいポンプを必要とし、このことは、装置を携帯可能な機器として作ることが難しいことを意味している。第２に、カスケードインパクタは粒子を拡散径とは異なる空気力学的径によって分級するため、結果としてインパクタとＤＭＡとから得られた結果を結合することによって得られる粒径分布を解釈することがやや困難になり得る。
【００１７】
米国特許出願第２００６０２６６１３２号には、分析用の帯電した粒子を含むエアロゾルを受け入れるための少なくとも１つの入口つまり注入スリットを含む第１の電極またはグリッドと当該第１の電極から離間された第２の電極またはグリッドとを含むエアロゾル計測用マルチステージ微分型移動度分析器が開示されている。第２の電極は、その長さに沿って複数の異なる距離に配置された少なくとも１つのサンプリング出口を有する。入口つまり注入スリットと上記複数のサンプリン用出口のうちの遠位の出口との間の第１および第２の電極またはグリッドの間の空間は、分級領域を形成する。第２の電極における少なくとも１つの入口つまり注入スリットは、分級領域の上流端へシースガス流を受け入れる。各サンプリング出口は、独立したＤＭＡステージとして機能し、異なるサイズ範囲の帯電した粒子を電気移動度に基づいて同時に分級する。米国特許出願第２００６０２６６１３２号に開示された分析器は、計測可能な粒径範囲を拡大することを可能にするが、装置の寸法が必然的に大きくなり、よって機器の小型化および携帯可能版の構築に不利であるという短所がある。
【００１８】
微分型移動度分析器を用いたより大きい粒径の計測に伴う問題のいくつかは、図１に示した公知のタイプのＤＭＡの概略図を参照して説明することができる。
【００１９】
図１は、公知のタイプの走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）装置に用いられるプレーナーＤＭＡユニットの概略側断面図である。このＤＭＡは、ＤＭＡにシースガス流を導入するために用いられるシースガス入口１と、シース流用のシースガス出口２と、エアロゾル入口４と、エアロゾル出口５と、ＤＣ電源に接続された一対の対向電極６および７とを有するチャンバを含む。ポンプとエアロゾルフィルタ（図示せず）とを含む流れ維持システム３と、それに結合された配管８とが、チャンバを流れるシースガスの定常流を提供する。
【００２０】
動作時には、帯電したエアロゾル粒子（好ましくは、それぞれが単一電荷を有する）がエアロゾル入口４からＤＭＡに導入され、ＤＭＡの内部チャンバに沿って、エアロゾル出口５とシースガス出口２とを含む端に向かって移動する。電極６および７に印加された電圧の結果として、粒子は電極６に引き寄せられ、その引き寄せの程度は、電圧と粒子の電気移動度とによって決まる。所与の電圧およびシースガス流量のとき、粒子の一部（同じ電気移動度を有する粒子）が軌道９を辿り、エアロゾル出口５を通って出て行き、そこから、粒子の計数が行われるＣＰＣもしくは電位計へ送られる。電圧を変えることにより、異なる電気移動度を有する粒子を出口５へ向かわせることができる。粒子の電気移動度は一般に粒子のサイズに比例するため、電極６および７への印加電圧を変えることによって、エアロゾル粒子をサイズによって分別することが可能である。一般に、粒子のサイズが大きいほど、粒子を選別し出口５へ向かわせるのに必要な電圧が大きくなる。
【００２１】
上記の原理で作用する微分型移動度分析器は、約５００ｎｍまでの粒子の選別には非常に有効に用いることができるが、より大きい粒径については問題が生じる。より大きいサイズの粒子を選別するためには、より高い電極電圧が必要となり、このことが、ＤＭＡにある一定の実用上の限界を設ける。電圧が高過ぎると、コロナ放電（または完全な電界破壊さえも）が電極間で発生しやすくなる。このことは、電極間ギャップが比較的狭いＤＭＡ装置について特に問題となる（例えば、小型のまたは携帯可能な装置）。
【００２２】
電極電圧を上げることに代わる１つの方法は、ＤＭＡチャンバの長さを長くすることであるが、この方法では、非実用的な長さのＤＭＡチャンバになってしまい、小型化および携帯可能な手持ち型のＤＭＡ装置の構築にさらに不利である。
【００２３】
電極電圧を上げることやＤＭＡチャンバの長さを長くすることに代わる別の方法は、シースガスの流量を低減し、それによって各粒子がより長い時間を電界中で過ごすことを可能にすることである。しかしながら、流量を低減することによって、粒子が拡散によってランダムな動きをする時間も長くなり、それにより分解能が低下する。このことを、様々なシース流量で得られたエアロゾル粒径分布の概略図である下記の図２によって説明する。図２において、実線は、より高いシース流量Ｑｓｈ１で得られたサイズ分布に対応し、破線は、同じエアロゾルについてより低いシース流量Ｑｓｈ２＜Ｑｓｈ１を用いて得られたサイズ分布を表す。上記低い方のシース流量では、上記高い方のシース流量で得られたサイズ分布に比べて、観察されたサイズ分布が著しく大きくかつあまり明確ではない。
【００２４】
したがって、現在、独立型のＤＭＡ装置かまたはＳＭＰＳ装置の一部としてのＤＭＡを用いて広い粒径範囲でエアロゾル粒径分布を得る方法、特に、小型のまたは携帯可能なＳＭＰＳ装置を用いて実施可能な方法の必要性が残っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、広い粒径範囲にわたってサイズ分布定量化装置、例えば、携帯可能な走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）装置と共に用いることができるエアロゾル粒子定量化方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
第１の局面において、本発明は、微分型移動度分析器（ＤＭＡ）を含む走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）装置でエアロゾル粒径分布を得るための方法であって、
（ｉ）第１のシース流量Ｑｓｈ１にて、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｍｉｎからＶｔ１まで変化させることによって、所定の最小サイズＤｍｉｎから中間サイズＤｔまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第１のデータセットを収集する工程と、
（ｉｉ）シース流量を第１のシース流量Ｑｓｈ１から第２のシース流量Ｑｓｈ２に変更する工程と、
（ｉｉｉ）第２のシース流量Ｑｓｈ２にて、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｔ２からＶｍａｘまで変化させることによって、中間サイズＤｔから所定の最大サイズＤｍａｘまでのサイズ範囲についての粒子濃度対サイズの第２のデータセットを収集する工程と、
（ｉｖ）ＤＭＡの装置関数と工程（ｉｉ）におけるシース流量Ｑｓｈ１およびＱｓｈ２とを用いて、工程（ｉ）の第１のデータセットを畳み込む工程と、
（ｖ）工程（ｉｖ）の畳み込まれたデータセットを、工程（ｉｉｉ）の第２のデータセットと結合して、ＤｍｉｎからＤｍａｘまでのサイズ分布に対応するマージされたデータセットを形成する工程と、
（ｖｉ）マージされたデータセットを逆畳み込みして、全サイズ範囲Ｄｍｉｎ〜Ｄｍａｘについてのサイズ分布を得る工程と、を含む方法を提供する。
【００２７】
これにより、本発明の方法によると、第１のシース流量Ｑｓｈ１にて、ＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｍｉｎからＶｔ１まで変化させることによって、所定の最小サイズＤｍｉｎから中間サイズＤｔまでのサイズ範囲について粒子濃度対サイズの第１のデータセットが得られる。
【００２８】
中間サイズＤｔ（本明細書中、「遷移サイズ」ということもある）は、典型的には、ＳＭＰＳを用いて初期流量Ｑｓｈ１で記録され得る最大サイズ（または最大に近いサイズ）である。
【００２９】
第１のデータセットの収集後、シース流量を第１のシース流量Ｑｓｈ１から第２の（典型的にはより低い）シース流量Ｑｓｈ２に変更し、ＳＭＰＳのＤＭＡカラムへの印加電圧をＶｔ２からＶｍａｘまで変化させることによって、中間サイズＤｔから所定の最大サイズＤｍａｘまでのサイズ範囲について粒子濃度対サイズの第２のデータセットが収集される。
【００３０】
シース流量の低減は、粒子の拡散が起こる時間があることを意味し、その結果、より低いシース流量で計測された見かけのサイズ分布は、実際の粒径分布よりも幅が大きくなる。また、ピークの幅は、シース流量とエアロゾル流量との比率の影響を受ける。この比率は、ＤＭＡ内の粒子軌道の広がりに影響する。この「ピークの広がり」つまり分解能の損失の程度は、ＤＭＡの、装置固有の特性である「装置関数（apparatus function）」によって決定され、とりわけ、電極とエアロゾルおよびシースガスの入口および出口とを含むチャンバの幾何学的形状と大きさとに依存する。装置関数は、ＤＭＡ／ＳＤＭＳ装置が顧客へ出荷される前に工場で決定されて、もよく、その後で計算または経験的手段により決定されてもよい。装置関数を決定する１つの方法は、ポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）粒子（例えば、５０ｎｍまたは１００ｎｍ）のような既知の粒径の単分散エアロゾルを用いて装置を較正することである。異なるシース流量で計測を行い、見かけの（すなわち、観察された）粒径分布を実際の粒径と比較することによって、装置関数を公知の標準の方法に従って算出することができる（例えば、Hinds W. C. (1999) Aerosol technology. Properties, behavior and measurement of airborne particles. N.-Y.: J. Wiley and Sons, pp. 233-259を参照）。
【００３１】
一例として、Naneum社のＮＰＳ５００機器の装置関数を、シース流量３ｌ／分および０．６ｌ／分と、単分散５０ｎｍセバシン酸エステルエアロゾル（sebacate aerosol）とを用いて決定した（下記図８を参照）。
【００３２】
本発明の方法において、電圧Ｖｔ１およびＶｔ２は、中間（または遷移）粒径Ｄｔにおけるサイズの連続性を可能にするように実験によって選択される。このため、第１のデータセットの最後のサイズは第２のデータセットの最初のサイズと等しいはずである。
【００３３】
第１および第２のデータセットが合わせられると、その結果は下記図４に示すように破損した分布曲線となる。この曲線の破損は、装置関数の第２のデータセットを広がらせる効果に起因している。
【００３４】
したがって、本方法の工程（ｉｖ）において、工程（ｉ）の第１のデータセットが、工程（ｖ）において第２のデータセットとマージされたときに滑らかな複合サイズ分布が得られるように、ＤＭＡの装置関数と工程（ｉｉ）におけるシース流量Ｑｓｈ１およびＱｓｈ２とを用いて畳み込まれる（下記図５を参照）。第１のデータセットは畳み込みによって「ダウングレード」されているため、図５の観察されたサイズ分布が真のサイズ分布とは異なることが理解されよう。
【００３５】
最後に、本発明の方法の工程（ｖｉ）において、マージされたデータセットが逆畳み込みされ、全サイズ範囲Ｄｍｉｎ〜Ｄｍａｘについての実質的に真のサイズ分布が得られる。
【００３６】
本明細書中、「畳み込み」および「逆畳み込み」という用語は、それらの従来の数学的意味で用いられる。データセットの畳み込みおよび逆畳み込みのための方法は、当業者によく知られている。
【００３７】
本発明の方法を用いることによって、ＳＭＰＳを、ＤＭＡチャンバの長さを長くしたり電極電圧を過度に上げたりする必要なく、３ｎｍ〜４，０００ｎｍまたは５ｎｍ〜１，０００ｎｍの粒径分布を計測するように設定することができる。
【００３８】
別の局面において、本発明は、本発明の方法を実施するように設定されたＤＭＡおよび／またはＳＭＰＳを提供する。
【００３９】
本発明のさらなる局面において、本方法は、エアロゾル粒子の性状を特定するために高速移動度粒径測定器（Fast Mobility Particle Sizer）（ＦＭＰＳ）に適用される。
【００４０】
本発明のさらなる局面および特徴は、以下に説明し、図１〜図９に示す特定の実施形態から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、ＳＭＰＳ装置に用いられる公知のタイプのプレーナーＤＭＡユニットの概略側断面図である。
【図２】図２は、より高いシース流量（実線）とより低いシース流量（破線）とに対応する様々な装置関数において得られたエアロゾル粒径分布の概略図である。
【図３】図３は、ＤｔがＡＢ間の２つの線によって示された、図２に示すエアロゾル粒径分布の概略図である。
【図４】図４は、ＤｔにおいてＱｓｈ１からＱｓｈ２に変わる２つの異なる流量で得られた生のエアロゾル粒径分布の概略図である。
【図５】図５は、第１のデータセットの畳み込みおよび第２のデータセットとの結合（方法の工程５）後の、ＤｔにおいてＱｓｈ１からＱｓｈ２に変わる２つの異なる流量で得られたエアロゾル粒径分布の概略図である。
【図６】図６は、工程６における逆畳み込み後のエアロゾル粒径分布の概略図である。
【図７】図７は、本発明に係る方法における様々な工程を示すブロック図である。
【図８】図８は、Ｄ＝５０ｎｍについて得られた、ＮＰＳ５００（Naneum社のＳＭＰＳ）機器の典型的な装置関数Ａ（Ｄ−Ｄｖ）である。
【図９】図９は、ＮＰＳ５００（Naneum社のＳＭＰＳ）機器で得られたセバシン酸エステルエアロゾルのサイズ分布に対する本発明の方法の効果を示す図である。実線は、計測されたサイズ分布（ｄＮ／ｄＬｏｇＤ）であり、２５０ｎｍに偽のピークが存在する。破線は、本発明の方法を用いて得られた改善後の分布である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
ここで、以下に記載し、添付の図面図１〜図９に示す特定の実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００４３】
図１は、ＳＭＰＳ装置に用いられ、本出願の導入部で上述したように機能する、公知のタイプのプレーナーＤＭＡユニットの概略側断面図である。図２に、様々なシース流量で得られたエアロゾル粒径分布の概略図を示す。
【００４４】
本発明によると、図１に示す装置（および他のＤＭＡ／ＳＭＰＳ装置）は、遷移サイズＤｔにおいて変わる２つの異なるシース流量を用いて実現することができる。最初に、シース流量Ｑｓｈ１にてサイズ分布の一部が記録される（図３を参照）。この計測は最小サイズからＡ点までわたり、Ａ点が遷移サイズＤｔに対応する。このＡ点で、走査が停止され、シース流量がＱｓｈ１からより小さい値Ｑｓｈ２に変更される。図２に概略的に示すように、この小さい方のシース流量では、個数／サイズ分布は、サイズ分布に対する装置関数の効果のために、上記高い方のシース流量で得られた分布とは異なる（Ｂ点）。
【００４５】
図２において、実線は、装置関数の幅が狭い、例えば無視できるほど狭い場合に、シース流量Ｑｓｈ１で得られたサイズ分布に対応する。破線は、同じエアロゾルについて上記低い方のシース流量Ｑｓｈ２＜Ｑｓｈ１で得られたサイズ分布を表す。上記低い方のシース流量Ｑｓｈ２の場合、装置関数はより幅が大きく、したがってサイズ分布に影響する、すなわち、分布の幅を広げ、それによって分解能を低下させるため、無視することができない。理想的には、より高いシース流量（Ｑｓｈ１）でサイズ分布を得ることが好ましい。
【００４６】
シース流量を変更することによって、原則的には、携帯可能なＳＭＰＳを用いてより広いサイズ範囲にわたってサイズ分布を記録するという課題が解決されるが、異なる流量で得られたサイズ分布の２つの部分の不一致というさらなる課題が生じる。このようにして記録されたサイズ分布は、より低いシース流量で記録された部分の装置関数によって破損しており、偽の極大を含み得る（例えば、図４を参照）。なお、Ｄｔにおける第２のピークは、装置関数を変更することによって生じたアーティファクトであり、本当のエアロゾル分布特徴ではなく偽のピークである。
【００４７】
異なるシース流量で得られたサイズ分布のこの歪みは、分布に対する装置関数の効果によって生じる。［Hinds W. C. (1999) Aerosol technology. Properties, behavior and measurement of airborne particles. N.-Y.: J. Wiley and Sons, pp. 223-259］によると、計測されたサイズ分布ｆｍ（Ｄ）は、下記のように装置関数Ａ（Ｄ−Ｄｖ）に関連付けられる。
【００４８】
【数１】
2016529476.tif 000004
【００４９】
ここで、Ｄは粒子径であり、Ｄｖは積分変数であり、ＤｍａｘおよびＤｍｉｎは積分区間を定める。真の分布はｆ（Ｄ）である。装置関数がその幅を無視できるほど狭い場合、式（１）は次のようになる。
【００５０】
【数２】
2016529476.tif 000005
【００５１】
式（２）によって、真の分布関数ｆ（Ｄ）を計測された分布ｆｍ（Ｄ）から直接得ることが可能になる。
【００５２】
実際上は、携帯可能な装置で異なる流量にて記録されたエアロゾル粒子数サイズ分布は、２つのサブ分布を含む。一方の分布は、小さい粒子Ｄ＜Ｄｔについてのものであり、他方は、より大きい粒子Ｄ＞Ｄｔについてのものである。真の分布または装置関数を無視できる分布は、Ｄ＜Ｄｔについて最も高いシース流量で得られると想定することができる。より低いシース流量で得られた他方の分布は、装置関数によって広げられている。サイズ分布の質を改善する１つの理論的に可能な方法は、Ｄ＜Ｄｔにおいて記録されたサイズ分布の第２の部分を逆畳み込みすることである。逆畳み込みは、広く用いられている、当業者によく知られた数値手法を用いて、等式（１）に従って実施することができる。しかしながら、サイズ分布の一部を単に逆畳み込みするだけでは、良い結果が得られず、信頼性のあるデータを得られないことが見出された。例えば、余分のまたは変形したピークが観察されることがたびたびあった。
【００５３】
サイズ分布の第２の部分をただ逆畳み込みして第１の分布と結合する代わりに、本発明の方法（上記の工程４および５についての言及を参照）は、より高いシース流量で得られた第１の分布（Ｄ＜Ｄｔ）を畳み込み、それから当該畳み込まれた第１の分布を、Ｄ＞Ｄｔについて得られた第２の分布と結合することを含む。畳み込みステップは、簡単な積分ステップであり、非常に信頼性の高い結果を得られることが分かっている。第１の分布を畳み込み、当該畳み込まれた第１のデータセットを第２の分布についてのデータセットと結合すると、図５に示すように、人為的に（数値的に）幅が広げられた分布が得られる。この分布が、２つの部分から再構成されたものであり、広いサイズ範囲にわたる全分布を表していることが理解されるであろう。この全分布を、確実に逆畳み込み（工程６）して真の分布に変換することができる（図６を参照）。このようにして得られたサイズ分布は、より小さい粒子（Ｄ＜Ｄｔ）について直接計測された高分解能の分布と、より大きい粒子（Ｄ＞Ｄｔ）について本発明に従って算出された高分解能の分布とを結合したものである。
【００５４】
本発明の方法に含まれる様々な工程を図７のフローチャートに概略的に示す。
【００５５】
本発明を、単一の中間（遷移）サイズを用いる方法を参照しながら説明したが、サイズ分布を再構成して改善するために、複数のＤｔサイズひいてはシース流量を本方法において使用してもよい。
【００５６】
本方法に用いられる装置関数の一例を図８に示す。この関数は、Naneum社のＮＰＳ５００機器についてシース流量を３ｌ／分および０．６ｌ／分として得られた。単分散５０ｎｍエアロゾルが用いられた。得られた装置関数は、よく知られておりかつ多くの出版物に記載されている伝達関数に近い（例えば、ＩＳＯ１９５００標準を参照）。
【００５７】
図９は、ＮＰＳ５００（Naneum社のＳＭＰＳ）機器で得られた、セバシン酸エステルエアロゾルのサイズ分布に対する本発明の方法の効果を示す図である。実線は、２つの異なるシース流量で得られたサイズ分布（ｄＮ／ｄＬｏｇＤ）を結合したものを表す。２００ｎｍと２５０ｎｍとに２つのピークがある。エアロゾルは、２００ｎｍに極大を有する単峰性エアロゾルであった。したがって、２５０ｎｍにおける第２のピークは本当のピークではなく偽のピークである。図７に示し上記で説明した方法をデータに適用すると、Ｄ＞Ｄｔでのサイズ分布の一部が改善され、その結果、偽のピークは消失した。
【００５８】
装置関数Ａ（Ｄ，Ｄｖ）は、２つの指数関数で近似でき、例えば、Ｄｖ＜ＤではＡ（Ｄ，Ｄｖ）＝ｅｘｐ［−Ｃ（Ｄ−Ｄｖ）］、Ｄｖ＞ＤについてはＡ（Ｄ，Ｄｖ）＝ｅｘｐ［−Ｃ（−Ｄ＋Ｄｖ）］であり、式中、Ｄは粒子径、Ｄｖは積分変数（式１を参照）、Ｃは装置関数の定量化時に求められるパラメータである。パラメータＣは、当業者であれば誰でも知っている方法で実験によって求めることができる。普通、Ｃは、計測された装置関数と上記式から算出されたものとの差の最小化において求められる。
【００５９】
本方法に用いられるエアロゾル流量とシース流量（例えば、Ｄｔ）とを含む流量の選択は、機器ごとに異なり、ＤＭＡの幾何学的形状およびＳＭＰＳの各パラメータによって左右される。普通は、通常の試行錯誤によってこれらを選択することができる。
【００６０】
均等物
本発明の基礎となる原理から逸脱することなく、上記の本発明の特定の実施形態に対する多くの変形および改変がなされ得ることは容易に理解されよう。このような変形および改変の全ては本出願に包含されるものである。
【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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【国際調査報告】
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