(57)【要約】  本開示は、エアロゾルの元素分析を実施するためのシステムおよび方法に関する。特に、本明細書の開示は、励起源として大気高周波光放電（ｒｆ−ＧＤ）を生成するための新規なシステムを使用する。様々な実施形態では、エアロゾル粒子の流れが収集され、分析される。
2020525754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
入口および出口を画定するハウジングと、
前記入口に近接して配置されたコロナ電極と、
前記出口に近接して配置された接地電極とを有し、前記接地電極は、前記コロナ電極と同軸に整列され、間隙によって前記コロナ電極から分離されている、エアロゾル収集装置と、
前記コロナ電極と連通する高電圧源と、
前記コロナ電極と連通している高周波電源と、を備え、
前記コロナ電極は、前記高電圧源によって提供されるバイアス電圧に保持され、
光放電が、高周波電源によって前記コロナ電極で生成され、
前記光放電が、接地電極上に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする
システム。
【請求項２】
前記コロナ電極は、先端部で終端する円錐形の遠位端を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記接地電極は、エアロゾル粒子蓄積のための表面を提供する平坦な遠位端を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記接地電極は、前記側壁上への粒子の堆積を防止するために高い誘電率を有する側壁鞘をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記入口は、エアロゾル発生システムと連通している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ハウジングに希ガスが充填される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記希ガスは、前記入口を介して提供される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記出口は、前記ハウジングを通る一定の流量を提供するために、真空源と流体連通している、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記エアロゾル発生システムが、噴霧器、拡散乾燥機、微分移動度分析器、徐電器、及び静電集塵器の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
発光分光器システムをさらに含み、該発光分光器システムは、エアロゾル粒子のアブレーションから生じる発光スペクトルを記録する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記発光分光器システムは、さらに、レンズ、分光器、及びゲート強化電荷結合素子を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
発光分光器システムをさらに含み、該発光分光器システムが該エアロゾル粒子の質量スペクトルを記録する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
発光分光器システムをさらに含み、発光分光器システムがエアロゾル粒子の質量スペクトルを記録する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
携帯装置内でエアロゾル粒子を収集し、分析するための方法であって、
入口および出口を有するハウジングであって、エアロゾル粒子が入口から出口に流れるハウジングを提供することと、
前記入口付近及びエアロゾル粒子の流路内に配置されたコロナ電極にバイアス電圧を印加することと、
前記出口の近くに配置され、間隙によって前記コロナ電極から離間され、前記コロナ電極と同軸である接地電極を接地電位に保持することと、
エアロゾル粒子のハウジングへの一定の流れを提供することと、
高周波電源を用いて前記コロナ電極に前記接地電極上に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションする光放電電流を供給することと、
蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成された放出物を収集し、アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析することと、
を含む方法。
【請求項１５】
前記エアロゾル成分の質量電荷比を決定するために、前記蓄積されたエアロゾル粒子の前記アブレーションによって生成される発光を質量分析計で分析することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
エアロゾル粒子流の中のエアロゾル粒子を蓄積するためのエアロゾル収集装置と、
エアロゾル収集装置内に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションするための光放電電流を供給するための高周波電源と、
アブレーションされたエアロゾル粒子からの発光スペクトルを分析するための発光分光器システムと、を備える、
システム。
【請求項１７】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に配置された陰極電極と、
前記誘電体基板上に配置され、前記陰極電極と整列された陽極電極とを有し、
前記陽極電極は、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、エアロゾル収集装置と、
前記陽極電極と連通している高周波電源と、を備え、
光放電が、前記高周波電源によって前記陽極電極で生成され、
前記光放電は、前記粒子堆積領域に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項１８】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
高電圧電極が接地電極に対向して配置され、分離間隙によって分離されている、粒子分離用の接地電極および高電圧電極アセンブリと、
前記接地電極上に配置された陽極電極および陰極電極を備え、前記陽極電極は、前記接地電極上に配置された陰極電極と整列され、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、光放電電極の１つまたは複数の対と、を有するエアロゾル収集装置と、
前記光放電電極の対の各陽極電極と連通する高周波電源と、を備え、
光放電が、高周波電源によって各陽極電極で生成され、
前記光放電は、粒子堆積領域において接地基板上に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項１９】
前記高電圧電極と連通する高電圧源であって、前記高電圧電極と前記接地電極との間の電圧差が、電気移動度またはサイズによって粒子を分離する、高電圧源をさらに備えた請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
各段がマイクロオリフィス入口によって分離された、１つまたは複数の段を画定する誘電体ハウジングと、
誘電体ハウジングの１つまたは複数の段のそれぞれの内部に配置された陰極電極と、
各段の前記マイクロオリフィス入口に近接して配置され、前記陰極電極に対向して整列された陽極電極であって、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、陽極電極と、を有するエアロゾル収集装置と、
前記陽極電極と連通している高周波電源と、を備え、
光放電が、前記高周波電源によって前記陽極電極で生成され、
前記光放電は、前記粒子堆積領域に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項２１】
各マイクロオリフィス入口は、各段内の粒子のサイズが異なるように、先行する入口よりも小さい直径を有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
携帯装置内でエアロゾル粒子を収集し、分析するための方法であって、
複数の段を有するハウジングを提供することであって、各段は入口および出口を含み、エアロゾル粒子は前記入口から前記出口に流れ、
各入口付近およびエアロゾル粒子の流路内に配置された１つ以上の陽極電極にバイアス電圧を印加することと、
１つまたは複数の陰極電極を接地電位に保持することであって、前記陰極電極は、各段内に配置され、各段内の粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陽極電極から離間され、
エアロゾル粒子のハウジングへの一定の流れを提供することと、
高周波電源を用いて前記陰極電極に光放電電流を供給することと、前記光放電は、各段の各粒子堆積領域に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションし、
各段で蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成される放出物を収集することと、
前記アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析することと、
を含む方法。
【請求項２３】
エアロゾル成分の質量電荷比を決定するために、前記蓄積されたエアロゾル粒子の前記アブレーションによって生成される発光を質量分析計において１つ以上の段で分析することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年４月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／４８４，３００号、発明の名称「大気光放電発光分光法を使用した浮遊粒子の迅速元素分析のためのシステムおよび方法」の優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、エアロゾル粒子の収集および分析のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
浮遊粒子は、地球規模の気候、大気の質、人間の健康に影響を与える。特に、有毒粒子状物質を長期間吸入すると、職業環境などの浮遊粒子状物質に日常的に曝露されている人々に重大な健康リスクをもたらす可能性がある。金属への曝露の測定は、環境および労働衛生研究に不可欠である。
【０００４】
既存のエアロゾル分析法は、数時間にわたるフィルター上での粒子収集を必要とし、続いて、実験室分析を必要とし、これは労働的にも時間的にもコストがかかる。これらの限界に対処するために、エアロゾルの化学分析のための低コストで現場に持ち運び可能な、ほぼリアルタイムで分析可能な装置が望まれている。エアロゾルの元素分析には、スパークマイクロプラズマ、レーザ誘起マイクロプラズマ、マイクロ波誘起プラズマなどの励起源を用いた、いくつかのプラズマベースの技術が用いられてきた。しかしながら、これらの方法で使用される励起源は、かさばり、高価であり、エアロゾル元素分析のための手持ち式かつ低コストのモニターには適していない。
【０００５】
この文脈において、光放電励起源は、低コストのエアロゾル機器の開発のための魅力的な代替物を提供する。液体溶液の元素分析のために、溶液陰極光放電（ＳＣＧＤ）と液体サンプリング大気圧光放電（ＬＳ‐ＡＰＧＤ）が開発されている。これらの技術は、ＩＣＰ−ＡＥＳと同様の検出限界（１０億分の１）を提供することができるが、はるかに低いコストと電力消費を有するという利点がある。他は、空気力学的レンズシステムを通して低圧光放電プラズマ中への粒子の直接注入によるエアロゾルの元素分析を行い、数十ナノグラムのオーダーの検出限界（ＬＯＤ）を得た。しかし、空気力学的レンズ法では、光放電に直接入射する粒子ビームを作るために大型の真空ポンプを使用する必要があり、手持ち式計装には不向きであった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、概して、大気浮遊粒子状物質中の元素濃度のほぼリアルタイム測定のための大気高周波光放電発光分光法（ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳ）の適用に基づく、新しい、低コストアプローチのためのシステムおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この方法は、同軸微小電極系の接地電極の先端にエアロゾル粒子を付着させ、ｒｆ‐ＧＤを用いて粒子状物質を噴霧および励起することを含む。他の実施形態では、本方法は、電極先端上にエアロゾル分析物の蓄積または微量濃度を含んでもよい。次いで、粒子状分析物は、電極先端と別の同軸電極との間のアルゴン浴中で開始される大気光放電を用いて噴霧され、励起される。構成にかかわらず、得られた原子発光は捕捉され、分光計を用いて分析される。一態様では、光放電プラズマは、気温（３７５〜１５００Ｋ）および電子密度（２〜５×１０１４ｃｍ−３）によって特徴付けられてもよい。
【０００８】
別の態様では、本方法は、絶対元素質量に関して０．０５５〜１．０ｎｇの範囲の検出限界を提供する。別の態様では、本方法は、携帯型エアロゾル元素分析装置を使用して、性能のために縮小することができる。
【０００９】
一実施形態では、エアロゾル粒子の分光分析のための携帯型システムは、入口および出口を画定するハウジングと、入口に近接して配置されたコロナ電極と、出口に近接して配置された接地電極とをさらに含む、エアロゾル収集装置を有する。接地電極は、コロナ電極と同軸に整列され、間隙によってコロナ電極から分離される。このシステムはまた、コロナ電極と連通する高電圧源と、コロナ電極と連通する高周波電源とを含む。コロナ電極は、高電圧源によって提供されるバイアス電圧に保持される。光放電は高周波電源によってコロナ電極で発生し、光放電は接地電極上に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする。
【００１０】
別の実施形態では、エアロゾル粒子の分光分析のための携帯型システムは、エアロゾル粒子の流れの中にエアロゾル粒子を蓄積するエアロゾル収集装置と、エアロゾル収集装置の中に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションするための光放電電流を提供する高周波電源とを含む。このシステムはまた、アブレーションされたエアロゾル粒子からの発光スペクトルを分析するための発光分光器システムを含む。
【００１１】
さらに別の実施形態では、エアロゾル粒子の分光分析のための携帯型システムは、誘電体基板と、誘電体基板上に配置された陰極電極と、誘電体基板上に配置され陰極電極とに対して整列された陽極電極とをさらに含むエアロゾル収集装置を含む。陽極電極は、粒子堆積領域を画定する間隙によって陰極電極から分離される。このシステムはまた、陽極電極と連通する高周波電源を含み、光放電は、高周波電源によって陽極電極で生成される。光放電は、粒子堆積領域に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする。
【００１２】
一実施形態では、エアロゾル粒子の分光分析のための携帯型システムは、接地電極と、粒子分離のための高電圧電極アセンブリとをさらに有するエアロゾル収集装置を含み、高電圧電極は、接地電極に対向して配置され、分離間隙によって分離される。エアロゾル収集装置は、１つまたは複数の光放電電極対をさらに備え、光放電電極は、陽極電極および接地電極上に配置された陰極電極を備え、陽極電極は、接地電極上に配置された陰極電極と整列され、粒子堆積領域を画定する間隙によって陰極電極から分離される。このシステムは、光放電電極対の各陽極電極と連通する高周波電源をさらに含む。光放電は高周波電源によって各陽極電極で発生し、光放電は粒子堆積領域で接地基板上に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする。
【００１３】
別の実施形態では、エアロゾル粒子の分光分析のための携帯型システムは、各段がマイクロオリフィス入口によって分離される１つ以上の段を画定する誘電体ハウジングをさらに有するエアロゾル収集装置を含む。収集装置はまた、誘電体ハウジングの１つ以上の段のそれぞれの内部に配置された陰極電極と、各段のマイクロオリフィス入口に近接して配置され、陰極電極に対向して整列された陽極電極とを含む。陽極電極は、粒子堆積領域を画定する間隙によって陰極電極から分離される。このシステムはまた、陽極電極と連通する高周波電源を含む。光放電は、高周波電源によって陽極電極で発生し、粒子堆積領域に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする。
【００１４】
一実施形態では、携帯型装置においてエアロゾル分析を実施する方法は、入口および出口を有するハウジングを提供するステップを含み、エアロゾル粒子は、入口から出口に流れる。本方法は、さらに、入口付近に位置し、エアロゾル粒子の流路内に位置するコロナ電極にバイアス電圧を印加し、接地電極を接地電位に保持するステップを含み、接地電極は、コロナ電極と同軸であり、出口付近に位置し、間隙によってコロナ電極から離間している。本方法は、さらに、エアロゾル粒子の一定の流れをハウジングに提供するステップと、高周波電源を使用してコロナ電極に光放電電流を提供するステップであって、光放電は、接地電極上に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションし、蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成された放出物を収集するステップと、アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析するステップとを含む。
【００１５】
別の実施形態では、携帯型装置においてエアロゾル分析を実施する方法は、複数の段を有するハウジングを提供することを含み、各段は注入口および排出口を含み、エアロゾル粒子は注入口から排出口に流れる。本方法は、さらに、各入口付近およびエアロゾル粒子の流路内に配置された１つ以上の陽極電極にバイアス電圧を印加し、１つ以上の陰極電極を接地電位に保持するステップを含み、陰極電極は、各段内に配置され、各段内の粒子堆積領域を画定する間隙によって陽極電極から離間される。本方法はさらに、エアロゾル粒子の一定の流れをハウジングに提供することと、高周波電源を使用して光放電電流を陰極電極に提供することとを含み、光放電は各段の各粒子堆積領域に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションする。また、この方法は、各段において蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成された放出物を収集することと、アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本特許または出願は、カラーで作成された少なくとも１つの図面を含む。彩色図面を伴っているこの特許又は特許出願公開の写しは，請求及び必要な手数料の納付によって特許商標庁が提供する。
【００１７】
【図１】一実施形態による、迅速な元素分析のためのシステムの概略図である。
【図２】エアロゾル分析システムの様々な実施形態のための較正エアロゾルを生成するために使用される原材料の表である。
【図３】一実施形態によるエアロゾル分析システムについての、ガス温度（ａ）および電子密度（ｂ）の分散の、電極間距離の関数としてのグラフを含む図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、エアロゾル分析システムの様々な実施形態に関する収集電極上に分析物が存在しない状態で光放電プラズマの軸に沿って取得された空間分解ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳスペクトルのグラフである。（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ（ａ）および（ｂ）に対応する収集電極先端で取得されたスペクトルのグラフである。
【図５】一実施形態による、（ａ）光放電が収集電極先端上の粒子の存在下で開始された後０〜４秒間に取得された時間分解ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳスペクトルのグラフある。（ｂ）ｔ＝０ｓで取得されたスペクトル；および（ｃ）ｔ＝４ｓで取得されたスペクトルのグラフである。
【図６】一実施形態による、収集電極上に粒子が存在する状態で光放電プラズマの軸に沿って取得された空間分解ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳスペクトルのグラフである。
【図７】一実施形態による、光放電がオンまたはオフであった時間に伴う電極における温度の変化のグラフである。
【図８】一実施形態による、単一光放電イベント中の時間の関数としてのＡｒ  ＩおよびＰｔ  Ｉ信号強度の変化のグラフである。
【図９】一実施形態による、光放電時間を有する異なる粒子状炭素質量に対する信号応答の変化のグラフである。
【図１０】一実施形態によるエアロゾル分析システムを使用して得られたＣ、Ｃｄ、Ｎａ、およびＭｎの較正曲線のグラフである。
【図１１】エアロゾル分析システムの様々な実施形態についての検出限界と、マイクロプラズマ分光法を使用する他のエアロゾル測定方法との比較を示す表である。
【図１２Ａ】一実施形態による、堆積粒子を有する誘電体基板の、それぞれ、線Ａ−Ａに沿って見た上面図である。
【図１２Ｂ】一実施形態による、堆積粒子を有する誘電体基板の、それぞれ、線Ａ−Ａに沿って見た断面図である。
【図１３Ａ】一実施形態による図１２Ａ〜１２Ｂに示される電極システムの多重化構成の上面図である。
【図１３Ｂ】一実施形態による図１２Ａ〜１２Ｂに示される電極システムの多重化構成の側面図である。
【図１４】一実施形態による、電極システムの多重化構成の側面図である。
【図１５】一実施形態による、空力的サイズに基づいて粒子を分離するカスケード衝突システムを有するエアロゾル分析システムの一部の実施形態の断面図である。
【図１６】一実施形態によるエアロゾル分析システムの概略図である。
【図１７】一実施形態による、高周波電源を使用する、大気圧におけるアルゴンガス中の高周波光放電の電圧および電流波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
元素定量のための励起源としての光放電は、低コスト、低温、低電力消費、および分析汎用性において、手持ち式センサの開発に関してユニークな利点を有する。光放電発光分光法（ＧＤ‐ＯＥＳ）と光放電質量分析（ＧＤＭＳ）を無機固体試料のバルク元素分析と定量的深さプロファイル分析に適用した。光放電システムでは、試料は陰極として機能する。サンプルは、イオンおよびプラズマの中性原子または分子の衝撃によって連続的に侵食される。試料から放出された自由原子はプラズマプルーム中に拡散され、そこで電子、準安定ガス原子およびイオンとの衝突によって励起され、元素固有の光学発光をもたらす。
【００１９】
本開示のシステムおよび方法の一態様は、低コストの大気高周波光放電（ｒｆ−ＧＤ）励起源を使用するエアロゾル要素のほぼリアルタイムの方法分析を提供する。別の態様では、コロナベースの微量濃縮法が、浮遊粒子の顕微的収集のために使用され、続いて、高周波光放電発光分光法（ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳ）を使用する元素分析が行われる。様々な実施形態では、システムおよび方法は、エアロゾルの自動および半連続分析のために構成される。ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳエアロゾル分析システム１０は、堅牢なスペクトル特徴および信号安定性を有する。一態様では、光放電プラズマは、適切な分光法を使用して、そのガス温度および電子密度を測定することによって特徴付けることができる。
【００２０】
エアロゾルまたは浮遊粒子の収集および分析のための、エアロゾル分析システム１０の一実施形態のための実験装置の概略図を図１に示す。図示されるように、エアロゾル分析システム１０は、（ｉ）１２として一般的に示されるエアロゾル発生システム、（ｉｉ）１４として一般的に示されるエアロゾル収集システム、および（ｉｉｉ）１６として一般的に示される高周波光放電発光分光法（ｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳ）システムなどのサブシステムを含む。エアロゾルの発生と回収システムは、以前に発表された研究で説明されたものと類似していた。エアロゾル収集システム１４の一実施形態の簡略化された概略図が、図１６に示される。図１は、エアロゾル発生システム１２、エアロゾル収集システム１４、およびｒｆ−ＧＤ−ＯＥＳシステム１６の様々な構成要素を識別するが、本明細書に開示される特定の機械、構成要素、モデル、および製造業者は、参照のためにのみ提供され、開示の範囲を参照される特定の構成要素に必ずしも限定しない。
エアロゾル生成システム
【００２１】
様々な実施形態では、エアロゾル発生システム１２は、分析物を含む溶液を噴霧するための空気噴霧器２０を含む。限定ではなく例として、空気噴霧器２０は、米国ミネソタ州ショアビューのＴＳＩ  Ｉｎｃ．によって製造されたモデル３０８０空気噴霧器であってもよい。噴霧された粒子は次に拡散乾燥器２２を通過する。乾燥器２２の後、微分移動度分析器（ＤＭＡ）２４、徐電器２６、および電気集塵器（ＥＳＰ）２８を使用して、較正目的のために非荷電粒子のほぼ単分散を得た。一例として、一実施形態では、ＤＭＡによって分類された直径１００ｎｍの粒子を較正に使用した。図２に示すように、一実施形態では、Ｃ、Ｎａ、Ｃｄ、およびＭｎを含む材料を較正に使用した。所望の元素を含むストック標準溶液を用いて、さらなる較正を行った。検体に応じて１００〜１０００μｇ／ｍＬの範囲の較正溶液を得るために、限外ろ過した脱イオン水を使用して溶液を希釈した。
エアロゾル回収システム
【００２２】
次に、試験エアロゾル粒子をコロナエアロゾル微小濃縮器（ＣＡＭ）３０に導入した。一実施形態では、ＣＡＭ３０は、４ｍｍの電極間距離３４を有する２つの同軸電極ＸＸＸ  ３２Ａ−Ｂからなる。高正電圧（〜５ｋＶ）が、ＤＣ電源３６によってコロナ電極３２Ａに印加された。限定ではなく例として、ＤＣ電源は、ニューヨーク州ハウッピーのスペルマン社によって製造されたＢｅｒｔｒａｎ  Ｓ−２３０電源であってもよい。一実施形態では、コロナ電極３２Ａは、タングステンから構成されてもよく、約２００μｍのシャフト直径を有し、約５０μｍの半径を有するテーパ状の先端３８を有する。接地電極３２Ｂは、白金から構成することができ、約５００μｍの直径を有し、粒子堆積のための平坦な表面を提供するために比較的平坦な先端４０を有する。ＣＡＭ３０に入るエアロゾル粒子は、接地電極３２Ｂの先端に集められた。様々な実施形態では、接地電極３２Ｂの側壁は、高絶縁耐力鞘で覆われる。限定ではなく例として、鞘は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から構成されてもよく、約１．５８ｍｍの外径および約０．４０ｍｍの壁厚を有する。アース電極３２Ｂの平坦な先端４０は、エアロゾル試料収集を可能にするために裸であった。
【００２３】
ＣＡＭ電極３２Ａ〜３２Ｂは、収集電極３２Ａの先端３８で高周波光放電を生成するためにも使用される。光放電は、ＲＦ電源４２によって提供される。限定ではなく例として、ＲＦ電源は、ニューハンプシャー州アマーストのＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄによって製造されたモードＰＶＭ５００  ＲＦ電源であってもよい。一実施形態では、ＲＦ電源は、２７．６ｋＨｚの周波数で約１．６  ｋＶの最大出力電圧を提供する。ある範囲の周波数でより大きな出力電圧およびより小さな出力電圧を生成する同様の電源もまた使用されてもよい。様々な実施形態において、エアロゾル分析システム１０を携帯型手持ち式機器として構成することができるように、低電力を消費する安価でコンパクトで軽量な電源を使用することが望ましい。
【００２４】
図１に示すように、ＣＡＭ３０で発生した光放電は、アルゴン雰囲気中で発生した。システム１０および関連する使用方法は、アルゴンガス環境に関連して説明されるが、他の希ガスを含むがこれに限定されない他の適切なガスを使用してもよい。粒子捕集後、あらかじめ精製されたアルゴンガスがチャンバーに導入される。一実施形態では、ガスは、０．９Ｌ／分の一定流量で大気圧で導入される。
【００２５】
光放電が開始されると、接地電極表面４０上に集められた粒子状物質は、マイクロ秒から１０秒の範囲の時間にわたってアブレーション（浸食除去）された。一態様では、試料の完全なアブレーションに必要な時間は、粒子の質量に依存する。システム１０の一実施形態に対するＣＡＭ３０内の電極間距離について測定された電圧および電流波形を図１７に示す。
【００２６】
１．５Ｌ／分の一定流量のエアロゾルがＣＡＭ３０を通して維持され、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）４４の内部ポンプによって駆動された。一実施形態では、ＣＰＣ４４は、ミネソタ州ショアビューのＴＳＩ  Ｉｎｃ．によって製造されたモデル３０２２Ａ  ＣＰＣであってもよい。さらに、エアロゾル分析システム１０の全体的な流量パラメータは、真空ポンプ４７と連通している、マサチューセッツ州アンドバーのＭＫＳ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｉｎｃ．製のＭｏｄｅｌ  ２４７  Ｃ  ＭＦＣなどの質量流量制御部４６を使用して制御することができるが、これに限定されない。
【００２７】
ＣＡＭ３０内に集められたエアロゾルの組成を分析するために、電極間間隙内からの光放電は、レンズ５０を用いて分光器４８に向けて集束される。一実施形態では、分光器４８は、ニュージャージー州トレントンのプリンストンインスツルメント社によって製造されたアイソプレーンＳＣＴ３２０分光器であってもよい。同様に、一実施形態では、レンズ５０は、約５０ｍｍの焦点距離を有するＵＶグレードの平凸レンズであってもよい。分光器４８は、コネチカット州サウスウインザーのＡｎｄｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによって製造されたｉＳｔａｒ  ３３４Ｔのようなゲート強化電荷結合装置（ＩＣＣＤ）５２と結合することができるが、これに限定されない。一実施形態では、ＩＣＣＤのマルチトラックモードは、空間分解スペクトルを記録することができ、運動学モードは、時間分解スペクトルを記録するために使用することができる。分光器４８及びＩＣＣＤ  ５２からのデータは、計算装置又はプロセッサ５４で記録されて、微粒子サンプルアブレーション中の光放電から空間及び時間分解発光スペクトルを得ることができる。様々な実施形態において、波長較正は、Ｈｇ−Ａｒランプを使用して達成されたが、分光器、ＲＦ電源、および計算装置またはプロセッサ５４でのデータ取得の起動は、ＩＣＣＤ内に内蔵されたデジタル遅延発生器を介して制御された。分光器、ＲＦ電源、およびデータ収集を起動するための他の適切な手段を使用することもできる。
較正方法例
【００２８】
エアロゾル分析システム１０を較正するための較正方法４００の一実施形態を図１８に示す。較正方法４００は、４０２でテストエアロゾルを生成するステップと、４０４で所定の時間、接地電極３２Ｂの平坦な先端４０上にエアロゾル粒子を収集するステップとを含む。収集された粒子は、４０６で光放電によってアブレーションされ、４０８で光放電中の時間分解発光スペクトルが記録される。各スペクトルについての特定の対象検体についての発光シグナルは、４１０において計算され、一方、関心対象の特定の検体についての時間積分シグナル強度は、４１２において計算される。最後に、積分信号強度を分析物質量の関数としてプロットすることによる較正曲線を構築した。
【００２９】
以下の式（１）は、既知の粒子径について、電極上に堆積した粒子の質量を決定するために使用される。
【数１】
2020525754.tif 000003
ここで、ηは粒子の捕集効率、Ｃｉｎはチャンバーに流入する粒子濃度、Ｑｆはエアロゾルの体積流量、ｔｃは粒子捕集時間、ｐρは粒子物質密度、ｄｖは体積当量粒子径である。粒子が球形であると仮定すると、容積等価直径は電気移動度直径に等しい。
【００３０】
式（２）を用いて粒子捕集効率を決定した。より具体的には、粒子捕集効率は、ＣＰＣを用いて、電極を横切る電場の存在の有無にかかわらず、収集ユニットの下流で粒子数濃度を測定することによって計算された（ＮｏｕｔＶ＝０、ＮｏｕｔＨＶ）。
【数２】
2020525754.tif 000004
捕集時間を変えることにより、１〜１００ｎｇの接地電極上の粒子の元素質量負荷を達成した。各質量負荷について、３つの反復測定を実施し、最終較正曲線を、３つの独立した測定のセットにわたって平均化することによって構築した。光放電からの原子発光を、個々の測定のために１０秒の全累積期間中に５００ｍｓのゲート幅で動力学的に記録した。既知の質量を有する標的分析物からの全発光信号は、光放電の寿命にわたって時間依存信号を加えることによって得られた。図１０に示されるように、較正曲線は、収集電極に負荷された質量の関数として全シグナル強度をプロットすることによって構築された。
【００３１】
様々な実施形態では、光放電のガス温度は、約２００〜１２００Ｋの範囲である。一例として、図３（ａ）は、様々な実施形態による、ｘ軸上の電極間距離の関数としてのガス温度のグラフである。図３（ｂ）は、様々な実施形態による、電極間距離の関数としてプロットされた電子密度を示す。電子密度は陰極表面近くで最大に達し（負発光領域）、陰極からの距離と共に減少した。様々な実施形態において、電極間距離は、約２ｍｍ〜６ｍｍの範囲内であってもよい。この傾向はアルゴン微小放電の一次元モデルの予測と良く一致した。本発明のｒｆ−ＧＤ系の電子密度は、１０１４  ｃｍ−３のオーダーであり、文献で報告されている類似のプラズマの電子密度と一致した。しかし、期待されるように、光放電によって誘起される電子密度は、パルススパーク放電またはレーザ誘起プラズマの場合と比較して、３〜５桁低い。
【００３２】
ＧＤの空間−時間ダイナミクスはｒｆ−ＧＤシステム１０の信号対雑音比を最適化するために探査された。図４（ａ）および（ｂ）は、収集電極上に分析物が存在しない場合に、電極間空間における２つの電極の長手方向軸に沿った異なる位置で取得された空間分解発光スペクトルの等高線プロットを示す。図４（ｃ）および（ｄ）は、収集電極先端（０ｍｍ）で得られたスペクトルを示す。エアロゾル分析システム１０の一実施形態を使用して、いくつかの白金およびアルゴンの放出が観察された。収集電極（すなわち、陰極）３２Ｂからの白金放出信号は、主に接地電極表面の１ｍｍ以内に生じ、最も高い信号が電極先端に現れる。示されるように、アルゴン放出信号は、電極間間隙全体にわたって現れる。これらの測定は、光放電プラズマ中のイオン、電子、または他の原子との衝突を通して陰極から放出された原子の励起が、この領域の負および正イオンの両方の高密度のために、主に陰極表面近くで起こることを示唆している。白金放出が観測された領域は、低圧光放電の典型的な構造において「負発光」（ＮＧ）領域と一致する。ＮＧ領域は、ＧＤ−ＯＥＳで使用される光源であり、様々な実施形態に従って、分析情報を取得するために使用されてもよい。
【００３３】
図４（ｃ）および（ｄ）はまた、ほとんどの輝線が中性種からのものであり、光放電の比較的低い温度に起因する可能性が最も高いことを示している。イオン放出は、低いイオン化エネルギーを持ついくつかの元素についてＧＤで観測できる。ＲＦ  ＧＤ−ＯＥＳシステム１０は、レーザ誘起破壊分光法（ＬＩＢＳ）およびスパークマイクロプラズマ発光分光法と比較して、より少ない発光線を提供する。さらに、線幅が狭くなり、分子バンドの発光が制限される。これらの要因は、スペクトル干渉の可能性を低下させる可能性がある。
【００３４】
様々な実施形態において、分析物信号の時間特性は、収集電極３２Ｂ上に堆積された粒子を有する時間分解スペクトルを取得することによって決定されてもよい。光放電は連続プラズマであり、その間、分析物は層毎にアブレーションされ、分析物信号は時間の関数である。図４（ａ）は、光放電が開始された後（例えば、ｔ＝０、ゲート幅０．５秒）に得られた時間分解スペクトルの色等高線プロットを示す。図４（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、ｔ＝０ｓおよびｔ＝４ｓで得られたスペクトルを示す。例示的な炭素発光信号（ＣＩ２４７．９ｎｍ）は、ｔ＝０ｓで最高であり、その後時間とともに減少し、一方、例示的な白金発光信号（ＰｔＩ２６２．８ｎｍおよびＰｔＩ２６５．９ｎｍ）は、０．５ｓで現れ、その後時間とともに増加する。ｔ＝２ｓでは、炭素放出信号は消失し、白金放出信号は最大に達し、その後変化しなかった。炭素信号の減少は、ショ糖粒子が光放電により徐々にアブレーションされたことを示している。微粒子状炭素の量は、式（１）を用いて８１ｎｇとなるように予め決定した。粒子状ショ糖（８１ｎｇの炭素）の完全なアブレーションには約２秒かかる。図６は、陰極先端上に堆積された粒子の存在下で取得された空間分解スペクトルを示す。アブレーションされた粒子からの原子放出は、収集電極３２Ｂ近傍の領域においても発生することが分かる。ｒｆ‐ＧＤシステムのこれらの空間的および時間的特性を用いて、信号対雑音比および動作特性を最適化した。
【００３５】
図７は、光放電をオンにし、次にオフにした後の時間の関数としての温度の変化を示す。光放電が開始された後、陰極温度は約２２０℃まで急速に上昇する。約ｔ＝２０ｓ後、温度は平衡値に近づいた。電極温度の上昇は、プラズマ中の反応種（イオン、電子、および準安定種）から電極表面へのエネルギー移動による。図７はまた、光放電がオフになると、ＣＡＭ３０内の放射冷却および対流冷却から約３０秒後に電極温度が室温まで低下することを示している。電極のこの急速な加熱および冷却は、短い収集サイクルを保証する。少なくとも１つの実施形態では、収集電極の温度は、ＣＡＭ３０の粒子収集特性に影響を及ぼさない。
【００３６】
図８は、実施例ＡｒＩおよび実施例ＰｔＩ信号の時間の関数としての変化を示す。一実施形態では、２分間、光放電を連続的に生成し、その間、０．５秒毎に発光スペクトルを記録した。図８に示されるように、ＡｒＩ線については有意な変動は観察されなかった（相対標準偏差はＡｒＩについて１．２％であった）。
【００３７】
異なる分析物の較正曲線は、収集電極上に既知の粒子塊を堆積させ、その後、前述のように時間の関数として放出信号を測定することによって構築した。図９は、異なる粒子負荷に対する時間の関数としての累積炭素放出信号（ＣＩ２４７．９ｎｍ）の変化を示す。収集時間を１〜５分に変化させて、電極先端上の粒子質量を変化させた。累積炭素放出信号は時間とともに増加し（そして数秒後に最大に達し、変化しない）、電極先端に集められた粒子が連続的かつ完全に光放電によってアブレーションされたことを示している。図９から、集められた粒子状炭素の完全なアブレーションに必要な時間は、１６ｎｇから８１ｎｇの範囲の総質量で、約２秒であった。
【００３８】
光放電からの分析物の時間依存信号強さＩ（ｔ）を積分して、全発光信号Ｉｔｏｔを得た。ここで、
【数３】
2020525754.tif 000005
ここで、Ｔは光放電がオンになった周期である。したがって、Ｉｔｏｔは時点ｔにおける累積信号である。図９を用いて、積分信号強度Ｉｔｏｔを、電極先端上に堆積した元素量（ｍｐ）の関数としてプロットすることにより較正曲線を作成した。図１０にＣ、Ｃｄ、Ｍｎ、Ｎａの代表的な較正曲線を示す。各元素について選択した分析輝線は、ＣＩ２４７．８ｎｍ、ＣｄＩ  ５０８．６ｎｍ、ＭｎＩ４０３．１ｎｍ、およびＮａＩ５８９．０ｎｍであった。較正曲線は直線近似を用いて記述した。各質量負荷に対して３セットの測定を行った。較正曲線上の各データ点は、３回の反復測定の平均値を表す。
【００３９】
一実施形態によれば、検出限界（ＬＯＤ）は、国際純応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）によって定義される３−σ基準を使用して、以下のように推定される。
ＬＯＤ  ＝３σ／Ｓ                （９）
ここで、σは選択されたスペクトル領域におけるブランクの標準偏差であり、Ｓは較正曲線の傾きによって与えられる感度である。質量ＬＯＤは、図２に示す表１に示すように、分析した要素に依って０．５５〜１．０ｎｇの範囲であった。空気濃度についてのＬＯＤは、流量率１．５ｌ分−１、５時間間の試料採取で、７〜１３４ｎｇ／ｍ−３であった。サンプリング時間または流量を増加させることによって、より低いＬＯＤを達成することができる。図１１は、ＧＤ−ＯＥＳ、ＬＩＢＳ、およびスパーク放出分光法（ＳＥＳ）を含む異なるエアロゾル測定法から得られたＬＯＤの比較を示す。示されるように、エアロゾル解析システム１０および方法のＬＯＤは、粒子ビーム界面ＧＤ−ＯＥＳからのものよりも有意に良好であった。      
【００４０】
一実施形態では、エアロゾル収集システム１４のＣＡＭ３０および光放電システムは、イオンの質量電荷比を分析することによって、試料の迅速な化学分析を可能にするために、質量分析計５６と連結され得る。一実施形態では、エアロゾルサンプルは、まず、ＣＡＭ３０内の陰極３２Ｂ上に収集される。アルゴン浴中で陰極３２Ｂと陽極３２Ａとの間に光放電が発生する。陰極３２Ｂ上に堆積されたサンプルは、光放電プラズマ中で生成された高エネルギーの正イオンとの衝突を介してイオン化を受ける。スパッタされた原子は放電の負発光領域に入り、高エネルギーのアルゴン原子と電子との衝突によりイオン化される。分析物のイオン化されたフラグメントは、次いで、質量分析計５６に導入されて、サンプルの質量スペクトルを得る。一態様では、この実施形態は、リアルタイム粒子収集および質量分光分析を可能にする。
【００４１】
本明細書に開示されるエアロゾル分析システム１０および方法のさらなる実施形態が、図１２〜１６に示される。図１２Ａは、表面放電を利用するエアロゾル分析システム１０の実施形態の電極アセンブリ１００の別の実施形態の上面図であり、図１２Ｂは、線Ａ−Ａに沿って見た、実施形態の断面図である。示されるように、粒子２００は、２つの同軸電極（例えば、陽極２０４および陰極２０６）の間の電極間空間内のスロット衝突体を使用して、線として非導電性基板２０２上に堆積される。様々な実施形態において、各電極は、数ミクロン（例えば〜２μｍ）〜数ミリメートル（〜５ｍｍ）の範囲の直径を有してもよい。また、先端半径は、数ミクロン（例えば、〜２μｍ）から数ミリメートル（〜５ｍｍ）の範囲内で変化してもよい。電極間間隙２０８の距離は、粒子堆積領域の長さによって変化する。一実施形態では、電極間間隙２０８は、約５ミリメートルである。また、システム１０のこの実施形態には、光放電からの原子発光を収集するために電極間間隙２０８と位置合わせされた凸レンズ２１０及び光ファイバケーブル２１２が示されている。
【００４２】
図１３Ａおよび１３Ｂは、図１２Ａ−Ｂに示されるものに類似する、電極アセンブリ１００の多重化スキームの上面図および側面図である。特に、この実施形態は、短い距離２１３（典型的には数ミリメートル）だけ隔てられた一対の長方形電極２１４および２１６を有する長方形の幾何学的形状を有する。一方の電極２１４は分類電圧に保持され、他方の電極２１６は接地される。分離電極２１４および２１６は、それらの電気移動度またはサイズによって粒子２００を分離するために使用される。上部電極２１４に並列なエアロゾル入口２１８が設けられ、２２０として示されるＱａの流量で荷電粒子を導入する。様々な実施形態では、エアロゾル入口２１８は、粒子のない鞘流を導入するために設けられた鞘流入口である。分離電極２１４と２１６との間の電位差は、一般にＱｓｈ２２２として示される、それらの電気移動度に基づいて粒子２００を分離する均一な電場を提供する。粒子２００は、少なくとも部分的には均一な電界の影響に起因して、そのサイズに関連するそれらの電気移動度に依存して、異なる位置で底部収集電極２１６上に堆積する。底部の接地分離電極２１６は、複数の部分２１５に分割され、各部分は、互いに電気的に絶縁される。様々な実施形態では、これらの部分は、図１４に示されるように、空隙または絶縁材料によって電気的に絶縁されてもよい。図１４は、電気移動度分類を用いたサイズ分解測定のための電極アセンブリ１００のさらに別の実施形態を示す。電極アセンブリ１００は、図１３Ａ−Ｂに示される実施形態と実質的に同様である。しかしながら、この実施形態は、接地電極２１６の各部分２１５の間に配置された絶縁材料２２４を含む。
【００４３】
各セクション２１５は、特定のサイズ／移動度範囲内の粒子を収集する。各セクションについて、２つの同軸平面微小電極（一方の陽極２０４および他方の陰極２０６）が、収集電極２１６表面の各セクション２１５に沿って光放電を生成するために図１２Ａ〜１２Ｂと同様の構成で提供される。光放電電極２０４および２０６は、光放電を生成するために使用され、分離電極２１４〜２１６とは無関係に動作する。様々な他の実施形態では、図１３Ａ−Ｂまたは１４に示されるものと同様の電極配置が、環状、円形、または円筒形の幾何学的形状で提供されてもよい。他の幾何学的構造および形状もまた、使用されてもよい。
【００４４】
空中浮遊粒子状サンプルを分析するために使用される場合、粒子２００は、所定の時間、底部収集電極２１６上に収集される。収集が完了すると、エアロゾル（Ｑａ）２２０および鞘（Ｑｓｈ）２２２の流れが停止する。高周波光放電は、底部収集電極２１６の各セクション２１５内の平面電極２０４および２０６の対の間で順次開始される。これにより、エアロゾル試料のサイズ分解元素組成を連続的に測定することができる。
【００４５】
図１５は、空力的サイズに基づいて粒子を分離するカスケード衝突システム３００として構成される電極アセンブリの別の実施形態の断面図である。この実施形態は、エアロゾルのサイズ分別された元素濃度の測定を可能にする。
【００４６】
カスケード衝突システム３００は、分析前または分析中に粒子がシステムに入り得る入口２２６を含む。システム３００はまた、粒子をシステムから除去またはパージすることができる出口２２８を含む。図示されるように、カスケード衝突部は、２つ以上の段３０２から構成される。各段３０２は、１つまたは複数のマイクロオリフィスまたはノズル３０４、および収集基板２０６を含む。各ノズル３０４は、陰極として機能する収集基板２０６に対向する陽極電極２０４を含む。陽極電極２０４および陰極基板２０６は、１つまたは複数の電気コネクタ、リード、またはワイヤ２３０にさらに係合されてもよい。
【００４７】
典型的には、エアロゾル流は、固定流量でカスケード衝突部に導入される。特定の空気力学的サイズ（上から下へ行く各段で減少する）よりも大きな粒子は、収集基板上に収集される。その段の空気力学的サイズより小さい粒子は、流れとともに逃げ、２番目以降の段に入る。各段の空力的サイズカットは、衝突ノズルの直径を制御することによって逐次的に減少し、次の式で与えられる。
【数４】
2020525754.tif 000006
ηは空気粘度、Ｄｊ  はジェットの径、Ｕは流速、ρｐは粒子密度、Ｃｃは滑り修正係数である。
【００４８】
一態様では、カスケード衝突部３００のための開示された構成は、従来のカスケード衝突部では利用できない、元素測定のための各段における低圧高周波光放電の生成を可能にする。図示されるように、カスケード衝突システム３００の本体は、誘電性絶縁材料から構成される。衝突部基板２０６上に所望の期間の粒子収集後、低圧光放電が、ノズル３０４の陽極電極２０４とＡｒ浴中の陰極収集基板２０６との間に生成される。これは、堆積した微粒子のアブレーションを可能にし、関心のある分析物から原子発光を生成する。原子発光信号を収集、観察、または伝送するための光学的アクセスは、各粒子群からの原子発光スペクトルを収集および分析するために、各段３０２で提供される。
【００４９】
以上のことから、特定の実施形態を図示し、説明したが、当業者には明らかなように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができることを理解されたい。そのような変更および修正は、ここに添付される請求の範囲において定義される本発明の範囲および教示の範囲内にある。
【図１】
2020525754.tif 000007
【図２】
2020525754.tif 000008
【図３】
2020525754.tif 000009
【図４】
2020525754.tif 000010
【図５】
2020525754.tif 000011
【図６】
2020525754.tif 000012
【図７】
2020525754.tif 000013
【図８】
2020525754.tif 000014
【図９】
2020525754.tif 000015
【図１０】
2020525754.tif 000016
【図１１】
2020525754.tif 000017
【図１２Ａ】
2020525754.tif 000018
【図１２Ｂ】
2020525754.tif 000019
【図１３Ａ】
2020525754.tif 000020
【図１３Ｂ】
2020525754.tif 000021
【図１４】
2020525754.tif 000022
【図１５】
2020525754.tif 000023
【図１６】
2020525754.tif 000024
【図１７】
2020525754.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月12日(2019.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
入口および出口を画定するハウジングと、
前記入口に近接して配置されたコロナ電極と、
前記出口に近接して配置された接地電極とを有し、前記接地電極は、前記コロナ電極と同軸に整列され、間隙によって前記コロナ電極から分離されている、エアロゾル収集装置と、
前記コロナ電極と連通する高電圧源と、
前記コロナ電極と連通している高周波電源と、を備え、
前記コロナ電極は、前記高電圧源によって提供されるバイアス電圧に保持され、
光放電が、高周波電源によって前記コロナ電極で生成され、
前記光放電が、接地電極上に集められたエアロゾル粒子をアブレーションする
システム。
【請求項２】
前記コロナ電極は、先端部で終端する円錐形の遠位端を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記接地電極は、エアロゾル粒子蓄積のための表面を提供する平坦な遠位端を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記接地電極は、前記側壁上への粒子の堆積を防止するために高い誘電率を有する側壁鞘をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記入口は、エアロゾル発生システムと連通している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ハウジングに希ガスが充填される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記希ガスは、前記入口を介して提供される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記出口は、前記ハウジングを通る一定の流量を提供するために、真空源と流体連通している、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記エアロゾル発生システムが、噴霧器、拡散乾燥機、微分移動度分析器、徐電器、及び静電集塵器の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
発光分光器システムをさらに含み、該発光分光器システムは、エアロゾル粒子のアブレーションから生じる発光スペクトルを記録する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記発光分光器システムは、さらに、レンズ、分光器、及びゲート強化電荷結合素子を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
発光分光器システムをさらに含み、該発光分光器システムが該エアロゾル粒子の質量スペクトルを記録する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
発光分光器システムをさらに含み、発光分光器システムがエアロゾル粒子の質量スペクトルを記録する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
携帯装置内でエアロゾル粒子を収集し、分析するための方法であって、
入口および出口を有するハウジングであって、エアロゾル粒子が入口から出口に流れるハウジングを提供することと、
前記入口付近及びエアロゾル粒子の流路内に配置されたコロナ電極にバイアス電圧を印加することと、
前記出口の近くに配置され、間隙によって前記コロナ電極から離間され、前記コロナ電極と同軸である接地電極を接地電位に保持することと、
エアロゾル粒子のハウジングへの一定の流れを提供することと、
高周波電源を用いて前記コロナ電極に前記接地電極上に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションする光放電電流を供給することと、
蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成された放出物を収集し、アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析することと、
を含む方法。
【請求項１５】
前記エアロゾル成分の質量電荷比を決定するために、前記蓄積されたエアロゾル粒子の前記アブレーションによって生成される発光を質量分析計で分析することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
エアロゾル粒子流の中のエアロゾル粒子を蓄積するためのエアロゾル収集装置と、
エアロゾル収集装置内に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションするための光放電電流を供給するための高周波電源と、
アブレーションされたエアロゾル粒子からの発光スペクトルを分析するための発光分光器システムと、を備える、
システム。
【請求項１７】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に配置された陰極電極と、
前記誘電体基板上に配置され、前記陰極電極と整列された陽極電極とを有し、
前記陽極電極は、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、エアロゾル収集装置と、
前記陽極電極と連通している高周波電源と、を備え、
光放電が、前記高周波電源によって前記陽極電極で生成され、
前記光放電は、前記粒子堆積領域に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項１８】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
高電圧電極が接地電極に対向して配置され、分離間隙によって分離されている、粒子分離用の接地電極および高電圧電極アセンブリと、
前記接地電極上に配置された陽極電極および陰極電極を備え、前記陽極電極は、前記接地電極上に配置された陰極電極と整列され、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、光放電電極の１つまたは複数の対と、を有するエアロゾル収集装置と、
前記光放電電極の対の各陽極電極と連通する高周波電源と、を備え、
光放電が、高周波電源によって各陽極電極で生成され、
前記光放電は、粒子堆積領域において接地基板上に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項１９】
前記高電圧電極と連通する高電圧源であって、前記高電圧電極と前記接地電極との間の電圧差が、電気移動度またはサイズによって粒子を分離する、高電圧源をさらに備えた請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
エアロゾル粒子の分光分析のための携帯システムであって、
各段がマイクロオリフィス入口によって分離された、１つまたは複数の段を画定する誘電体ハウジングと、
誘電体ハウジングの１つまたは複数の段のそれぞれの内部に配置された陰極電極と、
各段の前記マイクロオリフィス入口に近接して配置され、前記陰極電極に対向して整列された陽極電極であって、粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陰極電極から分離されている、陽極電極と、を有するエアロゾル収集装置と、
前記陽極電極と連通している高周波電源と、を備え、
光放電が、前記高周波電源によって前記陽極電極で生成され、
前記光放電は、前記粒子堆積領域に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションする、
システム。
【請求項２１】
各マイクロオリフィス入口は、各段内の粒子のサイズが異なるように、先行する入口よりも小さい直径を有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
携帯装置内でエアロゾル粒子を収集し、分析するための方法であって、
複数の段を有するハウジングを提供することであって、各段は入口および出口を含み、エアロゾル粒子は前記入口から前記出口に流れ、
各入口付近およびエアロゾル粒子の流路内に配置された１つ以上の陽極電極にバイアス電圧を印加することと、
１つまたは複数の陰極電極を接地電位に保持することであって、前記陰極電極は、各段内に配置され、各段内の粒子堆積領域を画定する間隙によって前記陽極電極から離間され、
エアロゾル粒子のハウジングへの一定の流れを提供することと、
高周波電源を用いて前記陰極電極に光放電電流を供給することと、前記光放電は、各段の各粒子堆積領域に蓄積されたエアロゾル粒子をアブレーションし、
各段で蓄積されたエアロゾル粒子のアブレーションによって生成される放出物を収集することと、
前記アブレーションされたエアロゾル粒子の放出スペクトルを分析することと、
を含む方法。
【請求項２３】
エアロゾル成分の質量電荷比を決定するために、前記蓄積されたエアロゾル粒子の前記アブレーションによって生成される発光を質量分析計において１つ以上の段で分析することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
エアロゾル粒子の質量分析を収集し、実行するための方法であって、 
入口および出口を含むハウジングを提供することであって、エアロゾル粒子は、前記入口から前記出口に流れ、
アルゴンガスをハウジングに供給してアルゴンガス雰囲気を形成することと、
エアロゾル粒子の流路に沿って同軸に各入口付近に配置された陽極にバイアス電圧を印加することと、
同軸陰極を接地電位に保持し、間隙によって前記陽極から離間させることと、 
陰極の平坦な先端上のエアロゾル粒子の流れからエアロゾル粒子を収集することと、
電極間に大気光放電を誘起するために前記陽極に電位を印加することであって、光放電は陰極表面上に収集されたエアロゾル粒子をアブレーションして噴霧種を生成し、前記噴霧種は、光放電においてさらにイオン化され、 
イオン化された種を質量分析計の入口に輸送し、イオン化された種の質量スペクトルデータを得ること、
を含む方法。
【請求項２５】
前記質量スペクトルデータが、強度対質量電荷比を含む、請求項２４に記載の方法。
【国際調査報告】
2020525754.tif 000026
2020525754.tif 000027
2020525754.tif 000028