УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕЛКИХ ЧАСТИЦ, В ЧАСТНОСТИ НАНОТРУБОК
DEVICE FOR MEASURING ACTION OF SMALL PARTICLES, IN PARTICULAR, NANOTUBES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к собирающему устройству для сбора наночастиц с целью определения длительного воздействия наночастиц, в частности мелких продолговатых наночастиц, например углеродных нанотрубок и т.п., согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Также данное изобретение относится к собирающему элементу по пункту 11 формулы изобретения для использования в таком собирающем устройстве.
Дополнительно данное изобретение относится к системе и способу, позволяющим определить количество собранных частиц, согласно пунктам 14 или 16, формулы изобретения, соответственно.
Уровень техники
Современные достижения в области искусственных наноматериалов приводят к новым и беспрецедентным угрозам для сотрудников по всей производственно-технологической цепи. Особенно рассеиваемые в воздухе наноматериалы в форме волокон, вдыхание которых возможно, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), углеродные нановолокна (УНВ) и графеновые нанопластинки (ГНП) создают асбестоподобную угрозу для здоровья при их вдыхании.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения - обеспечить собирающее устройство, которое позволяет регистрировать загрязнение человека, работающего в среде, в которой происходит вышеупомянутое загрязнение. В частности, с помощью собирающего устройства должно быть определено длительное воздействие.
Указанная задача решена собирающим устройством по пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с ним предложено собирающее устройство для сбора наночастиц, переносимых в текучей среде, с целью определения воздействия наночастиц на собирающее устройство. Указанное собирающее устройство содержит канал для текучей среды, содержащий вход текучей среды и выход текучей среды, продвигающий элемент для текучей среды, продвигающий указанную текучую среду через канал для текучей среды, и по меньшей мере один собирающий элемент, который расположен в указанном канале для текучей среды для сбора наночастиц, переносимых в указанной текучей среде. Собирающий элемент содержит собирающую поверхность и структуру усиления, соединенную с указанной собирающей поверхностью. Указанные наночастицы осаждаются в области указанной собирающей поверхности и указанной структуры усиления. Собирающая поверхность усиливает спектральные характеристики указанных наночастиц для обеспечения возможности простого анализа количества собранных наночастиц.
Предпочтительно, собирающее устройство предусмотрено исключительно для сбора наночастиц, а не для определения количества собранных наночастиц. Это означает, что собирающее устройство содержит средства для сбора наночастиц, но не содержит средства для анализа наночастиц. В частности, собирающее устройство не содержит спектрометр или что-либо подобное для определения количества наночастиц. Спектрометр или что-либо подобное является отдельным от собирающего устройства.
Другими словами: собирающее устройство предпочтительно предусмотрено в виде портативного устройства, которое может быть перенесено пользователем в загрязненную или возможно загрязненную область. Таким образом, собирающее устройство постоянно собирает наночастицы, в частности - в то время как человек остается в такой области. Еще более предпочтительно собирающее устройство выполнено в виде персонального портативного устройства.
Как будет ясно из дальнейшего содержания настоящего документа, собирающее устройство предпочтительно является частью системы. Указанная система содержит собирающее устройство и спектрометр, отдельный от собирающего устройства. Собирающее устройство предназначено для сбора наночастиц, а спектрометр предназначен для определения количества наночастиц, собранных собирающим устройством.
То, что собирающее устройство предусмотрено без средств анализа наночастиц, а только со средствами их сбора, является преимуществом, поскольку шаг анализа или определения количества собранных наночастиц может быть выполнен посредством отдельного спектрометра, как это раскрыто в общем ниже. Это означает, что, с одной стороны, результаты станут более точными, поскольку может использоваться более эффективный спектрометр, по сравнению с устройствами, имеющими встроенный спектрометр, а, с другой стороны, что стоимость собирающего устройства может быть уменьшена, поскольку отсутствует необходимость предусматривать встроенный спектрометр.
Благодаря этой структуре усиления анализ количества собранных наночастиц становится легче в части различения наночастиц, представляющих интерес, и прочих частиц.
Термин «наночастицы» включает в себя, но не ограничиваясь этим, по меньшей мере одно или комбинацию из следующего: углеродные нанотрубки, и/или углеродные нановолокна, и/или углеродные нанопластинки, и/или твердые частицы размером менее 2,5 мкм (так называемые РМ 2.5), и другие нанотрубки и нановолокна. Термин «текучая среда» относится предпочтительно к воздуху или любой другой текучей среде.
Структура усиления предпочтительно представляет собой часть собирающей поверхности. Собирающая поверхность может быть выполнена в виде геометрически определенной поверхности или в виде геометрически неопределенной поверхности со случайной структурой.
Выражение «в области указанной собирающей поверхности и указанной структуры усиления» следует предпочтительно понимать таким образом, что частицы могут осаждаться на поверхности собирающего элемента или вблизи собирающего элемента, или что частицы могут осаждаться, по меньшей мере частично, в собирающем элементе.
Канал для текучей среды содержит предпочтительно боковую стенку, проходящую от указанного входа текучей среды до указанного выхода текучей среды, обеспечивая закрытый канал для текучей среды. Таким образом, текучая среда направляется от указанного входа к указанному выходу без какого-либо воздействия окружающей среды. Поперечное сечение канала для текучей среды изменяется по его длине или является постоянным. Максимальное поперечное сечение находится предпочтительно в диапазоне от 75 до 175 квадратных миллиметров, а минимальное поперечное сечение находится предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 7 квадратных миллиметров.
Продвигающий элемент для текучей среды предпочтительно представляет собой насос. Объемный расход насоса предпочтительно составляет от 1 до 1100 мл/мин.
Собирающее устройство предпочтительно выполнено так, что пользователь может носить его с собой, когда он оказывается подвергнутым воздействию загрязненной среды. Следовательно, собирающее устройство предпочтительно имеет малый вес и относительно небольшой размер. С точки зрения размера, предпочтительно, что оно меньше 15 сантиметров по его максимальному измерению.
Указанная собирающая поверхность и указанная структура усиления предпочтительно выполнены с возможностью проведения поверхностно-усиленного рамановского рассеяния таким образом, чтобы наночастицы могли быть обнаружены посредством рамановской спектроскопии. Структура усиления, поэтому, должна быть предпочтительно активна к поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS).
В первом варианте осуществления структура усиления содержит края, расположенные в плоскости, обусловленной некоторой поверхностью или указанной собирающей поверхностью указанного собирающего элемента. Края и указанная плоскость образуют геометрически определенную структуру.
В указанном первом варианте осуществления собирающий элемент предпочтительно представляет собой фильтровальную пластину с множеством фильтровых пор, причем граница указанного отверстия образует указанный край. Следовательно, указанные края непосредственно образованы фильтровыми порами в указанной фильтровальной пластине.
Фильтровые поры могут быть цилиндрическими отверстиями, проходящими с передней стороны фильтровальной пластины к задней стороне фильтровальной пластины. Таким образом, ободок цилиндрического отверстия в передней стороне образует указанный край.
Предпочтительно, указанные фильтровые поры равномерно распределены по поверхности указанной фильтровальной пластины, которая проходит по поперечному сечению канала для текучей среды. Предпочтительно, указанная поверхность комплементарна поперечному сечению канала для текучей среды, ведущего к фильтровальной пластине.
Предпочтительно, ширина указанных фильтровых пор находится в диапазоне от 20 до 900 нанометров, в частности - в диапазоне от 80 до 200 нанометров.
8
10
Предпочтительно, плотность указанных фильтровых пор находится в диапазоне от 10 до 10 пор на квадратный сантиметр. Поры предпочтительно расположены эквидистантно относительно друг друга.
Фильтровальная пластина предпочтительно содержит покрытие из благородного металла, например из платины, или серебра, или золота, или палладия. Указанное покрытие предусмотрено таким образом, что указанные наночастицы осаждаются, по меньшей мере частично, в областях покрытия. Области покрытия предпочтительно представляют собой
всю поверхность фильтровальной пластины, или
по меньшей мере собирающую поверхность фильтровальной пластины, или по меньшей мере края фильтровых пор.
Указанное покрытие обеспечивает преимущество, состоящее в усилении спектроскопических различий между наночастицами и прочими частицами.
Предпочтительным материалом фильтровальной пластины является нитрид кремния (SiN), или кремний (Si), или оксид алюминия, или пористый кремний.
Во втором варианте осуществления собирающий элемент представляет собой фильтровальную мембрану, содержащую указанную структуру усиления. Фильтровальная мембрана выполнена в виде геометрически неопределенной поверхности со случайной структурой. Фильтровальная мембрана может представлять собой нетканую или тканую структуру.
Указанная структура усиления согласно второму варианту осуществления предпочтительно расположена на поверхности фильтровальной мембраны. В качестве альтернативы, структура усиления может быть также внедрена в указанную фильтровальную мембрану.
Предпочтительно указанная фильтровальная мембрана, по меньшей мере частично, покрыта наночастицами благородного металла, например платины, или серебра, или золота, или палладия. Покрытие частицами благородного металла имеет тот же эффект, что и упомянутый по отношению к первому варианту осуществления. Покрытие предпочтительно формируют посредством распыления или осаждения частиц благородных металлов на фильтровальную мембрану, или посредством окунания фильтровальной мембраны в раствор частиц благородных металлов. Таким образом формируют покрытие на поверхности фильтровальной мембраны.
Предпочтительный материал для фильтровальной мембраны - поликарбонат, и/или смесь эфиров целлюлозы, и/или политетрафторэтилен и т.д.
Собирающий элемент согласно всем вариантам осуществления предпочтительно дополнительно содержит референсный участок, на котором размещена определенная референсная или калибровочная информация. Эта информация может использоваться при определении количества наночастиц.
Предпочтительно, собирающее устройство содержит в указанном канале для текучей среды узел фильтра, который установлен выше по потоку указанной текучей среды от указанного собирающего элемента. Узел фильтра выполнен с возможностью предотвращения осаждения на собирающем элементе частиц, отличных от наночастиц.
В первом варианте осуществления узел фильтра содержит канал фильтра с несколькими изогнутыми участками, по меньшей мере одним входом в указанный канал фильтра и по меньшей мере одним выходом из указанного канала фильтра. Для каждого из указанных изогнутых участков предусмотрен один из указанных выходов. Радиус указанных изогнутых участков предусмотрен такой, что частицы, которые необходимо собрать, могут быть отделены от других частиц, не представляющих интереса, причем по меньшей мере один из указанных выходов направлен к собирающему элементу.
Во втором варианте осуществления узел фильтра представляет собой фильтровальный элемент с фильтровыми порами, размер которых больше размера наночастиц, которые необходимо собрать, так что наночастицы, которые необходимо собрать, могут проходить через фильтровальный элемент.
Узел фильтра во всех вариантах осуществления предусмотрен предпочтительно таким, что он отфильтровывает частицы с размером больше 900 нанометров.
Таким образом, размер фильтровых пор узла фильтра согласно второму варианту осуществления составляет приблизительно 900 нанометров. В зависимости от среды, в которой используется собирающее устройство, фильтровые поры могут быть также больше 900 нанометров, в частности, чтобы позволить пройти сквозь них композиции частиц, которая включает в себя не только наночастицы, которые необходимо проанализировать, но также и другие частицы. Размер фильтровых пор может быть до 5 микрометров в зависимости от среды, в которой используется собирающее устройство. В случае если вероятно образование частицами агломератов, то фильтровые поры могут быть выполнены размером до 20 микрометров.
Узел фильтра, в частности во втором варианте осуществления, может быть снабжен больше чем одним фильтром. В частности, могут быть предусмотрены по меньше мере первый фильтр и второй фильтр. Размер пор первого фильтра больше размера пор второго фильтра. Второй фильтр расположен между первым фильтром и собирающим элементом. Таким образом, текучая среда проходит через первый фильтр, затем через второй фильтр и достигает собирающего элемента. Это означает, что нежелательные частицы отфильтровываются из потока текучей среды посредством первого и второго фильтра.
Предпочтительно, вход текучей среды, части канала для текучей среды и собирающий элемент представляют собой части собирающего картриджа. Собирающий картридж выполнен отдельным от собирающего устройства, но присоединяемым к собирающему устройству или вставляемым в него. Собирающий картридж может быть заменен после сбора наночастиц новым собирающим картриджем, посредством чего использованный собирающий картридж может быть извлечен. Части канала для текучей среды собирающего картриджа соединяются с частями канала для текучей среды собирающего устройства через контактную поверхность канала для текучей среды.
Предпочтительно, указанный канал фильтра является частью канала для текучей среды собирающего картриджа, причем один из указанных собирающих элементов расположен по меньшей мере перед одним из указанных выходов. Предпочтительно каждый из указанных выходов содержит собирающий элемент. Однако также возможно, что собирающий элемент расположен только в одном или некоторых выходах, так что в других выходах расположен воздухорегулирующий элемент, имеющий такое же или подобное сопротивление, что и собирающий элемент, для поддержания схожих условий потока в канале.
Предпочтительно, собирающее устройство содержит камеру, в которую может быть вставлен собирающий картридж, причем в указанной камере расположена контактная поверхность канала для текучей среды, посредством которой части канала для текучей среды собирающего картриджа соединяются с частями канала для текучей среды устройства собирающего элемента.
Собирающее устройство или собирающий картридж предпочтительно содержат окно, прозрачное для лазерного излучения с диапазоном длин волн от 514 до 785 нанометров, предпочтительно - 532 нанометра, под которым расположен указанный собирающий элемент, причем через указанное окно могут анализироваться наночастицы, осажденные на указанном собирающем элементе или в нем.
Таким образом, указанное окно позволяет проводить анализ количества собранных наночастиц без извлечения собирающего элемента из указанного собирающего устройства или указанного собирающего картриджа. Однако в случае использования собирающего картриджа, он может быть извлечен из собирающего устройства, а собирающий элемент не может быть извлечен из собирающего картриджа. Преимуществом этого является отсутствие необходимости манипулирования собирающим элементом. Таким образом, может быть предотвращено нежелательное загрязнение инородными частицами.
Дополнительно, после анализа собирающее устройство может быть повторно использовано по назначению в случае, если максимальное количество наночастиц не было достигнуто.
Собирающее устройство предпочтительно дополнительно содержит аккумулятор, посредством которого запитан по меньшей мере указанный продвигающий элемент для текучей среды.
Предпочтительно, все компоненты, раскрытые в настоящем документе, расположены на общей опорной пластине. Опорная пластина предпочтительно представляет собой часть корпуса, в котором, как упомянуто выше, также имеется окно.
Кроме того, в указанном корпусе также могут быть расположены дополнительные элементы, например микросхема для прочих функций, таких как хранение данных, измерение времени сбора или времени использования, управление насосом и т.д.
Кроме того, собирающее устройство может содержать акселерометр, и/или термометр, и/или гидрометр для отслеживания прочих данных. Кроме того, в целях коммуникации собирающее устройство может содержать микросхему беспроводной коммуникации, для обеспечения функции коммуникации и/или предоставления возможности определить местоположение собирающего устройства. Микросхема беспроводной коммуникации может представлять собой модуль беспроводной локальной сети (WLAN).
Акселерометр может использоваться, например, для обнаружения физической активности пользователя и для соответствующего управления насосом. Это означает, что, если физическая активность пользователя высока, то объемный расход будет также высок, а если физическая активность пользователя низкая, то объемный расход будет также низким. Поэтому впуск воздуха собирающего устройства должен быть приблизительно соизмерим с впуском воздуха в легкое носителя собирающего устройства.
Термометр и/или гидрометр также позволяют получить дополнительную информацию о местоположении или использовании собирающего устройства. Например, можно обнаружить, находится ли пользователь на своем рабочем месте или на перерыве за пределами рабочего места.
Предпочтительно, собирающее устройство содержит газовый детектор. Посредством газового детектора возможно определить свойства газа, окружающего собирающее устройство. Например, газовый детектор позволяет определить, находится ли собирающее устройство в среде, содержащей наночастицы, или оно находится в иной среде.
На основании положения собирающего устройства, которое может быть определено при помощи данных от датчиков, как упомянуто выше, можно управлять продвигающим элементом для текучей среды, и/или можно включать или выключать собирающее устройство. Например, в случае если собирающее устройство находится в помещении, в котором присутствуют наночастицы, собирающее устройство будет включено, или будет увеличен объемный расход насоса. В случае если собирающее устройство удаляется из указанного помещения в среду, в которой присутствует только некритическое количество наночастиц, собирающее устройство будет выключено, или будет уменьшен объемный расход насоса.
Собирающий элемент, в частности предназначенный для использования в собирающем устройстве, как раскрыто выше, содержит собирающую поверхность и структуру усиления, соединенную с собирающей поверхностью. Собирающий элемент выполнен отдельным от собирающего устройства, но с возможностью вставления в собирающее устройство.
Собирающий элемент предпочтительно дополнительно содержит признаки, раскрытые выше в отношении собирающего устройства.
Собирающий элемент предпочтительно расположен на несущем элементе, который может быть введен во впускное отверстие в указанном собирающем устройстве. Впускное отверстие может быть частью указанного корпуса и/или указанного опорного элемента.
Предпочтительно, указанный узел фильтра и указанный собирающий элемент выполнены в виде одного элемента, который может быть вставлен в канал для текучей среды. Таким образом, узел фильтра и собирающий элемент могут быть заменены за одну операцию. Собирающий элемент может быть также выполнен отдельным от узла фильтра.
Собирающий картридж для использования в собирающем устройстве согласно раскрытому выше,
содержащий вход текучей среды, части канала для текучей среды и собирающий элемент, и выполненный отдельным от собирающего устройства, но с возможностью соединения с собирающим устройством или вставления в него,
при этом части канала для текучей среды собирающего картриджа выполнены с возможностью соединения с частями канала для текучей среды собирающего устройства посредством контактной поверхности канала для текучей среды.
Собирающий элемент, раскрытый выше, или собирающий картридж, раскрытый выше, могут быть также выполнены в виде устройства мазковых проб поверхности для измерения загрязнения процесса.
Система содержит собирающее устройство, в соответствии с раскрытием выше, и спектрометр. Собирающее устройство может быть помещено в указанный спектрометр, который затем анализирует собирающий элемент на предмет количества наночастиц, присутствующих на указанной поверхности. В качестве альтернативы, также может использоваться устройство просвечивающей электронной микроскопии.
Спектрометр предпочтительно эксплуатируется в режиме рамановской спектроскопии. Это имеет особые преимущества в сочетании со структурой поверхности усиления.
Как раскрыто выше, собирающее устройство выполнено отдельным от спектрометра и с возможностью вставления в спектрометр, чтобы проанализировать количество собранных наночастиц.
Предпочтительно собирающий элемент или собирающий картридж являются съемным из собирающего устройства внутри спектрометра.
Способ анализа воздействия наночастиц, в частности углеродных нанотрубок, и/или углеродных нановолокон, и/или углеродных нанопластинок, и/или твердых частицы размером менее 2,5 мкм (РМ 2.5), содержит следующие шаги:
подвергают воздействию среды, вероятно загрязненной указанными наночастицами, собирающее устройство согласно раскрытию выше;
обеспечивают непрерывное функционирование указанного продвигающего элемента для текучей среды, пока собирающее устройство находится в указанной среде;
удаляют собирающее устройство из указанной среды;
помещают собирающее устройство в спектрометр согласно системе, раскрытой выше, и
анализируют спектр наночастиц, осажденных на структуре усиления собирающего элемента, чтобы получить информацию о величине воздействия наночастиц.
В случае, если собирающее устройство содержит окно, как раскрыто выше, шаг анализа может быть осуществлен без извлечения собирающего элемента из собирающего устройства. Преимущество этого состоит в том, что на собирающий элемент не будет оказано внешнее воздействие.
Предпочтительно между шагом помещения собирающего устройства в спектрометр и шагом анализа спектра наночастиц, способ содержит шаг извлечения собирающего картриджа из собирающего устройства.
Продолжительность времени воздействия на устройство предпочтительно регистрируют и сохраняют.
Прочие варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылкой на чертежи, которые предоставлены в целях иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, но не в целях ограничения объема настоящего изобретения. На чертежах:
на фиг. 1 схематически показано собирающее устройство, содержащее собирающий элемент, на виде в аксонометрии, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 схематически показано собирающее устройство, содержащее собирающий элемент, на виде в аксонометрии в частичном разрезе, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 показана система с собирающим устройством согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4а/b показан укрупненный вид первого варианта осуществления собирающего элемента, предназначенного для использования в собирающем устройстве с фиг. 1;
на фиг. 5а/b показан укрупненный вид второго варианта осуществления собирающего элемента, предназначенного для использования в собирающем устройстве с фиг. 1;
на фиг. 6а-6с показано собирающее устройство с фиг. 1 и 2 с собирающим картриджем на дополнительных видах в аксонометрии; и
на фиг. 7 схематически показана камера собирающего устройства с предыдущих фигур, в которую может быть вставлен собирающий картридж.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 показан вид в аксонометрии варианта осуществления собирающего устройства 1 для сбора наночастиц, переносимых в текучей среде F, для определения воздействия наночастиц N.
В предпочтительном варианте использования собирающего устройства 1 пользователь может носить его в среде, в которой пользователь подвергается воздействию наночастиц N. Таким образом, собирающее устройство 1 выполнено с возможностью постоянного сбора наночастиц N, переносимых в воздухе в указанной среде. Собирающее устройство может, например, использоваться на промышленном производственном предприятии или в исследовательской лаборатории, в которой такие наночастицы N переносятся в воздухе.
Альтернативно, собирающее устройство 1 может не только использоваться в таких средах, но также и в повседневной жизни, чтобы определить воздействие частиц РМ 2.5 или любых других твердых частиц меньшего размера.
После использования собирающее устройство 1 несут к аналитическому устройству, чтобы проанализировать количество собранных наночастиц за время воздействия. Аналитическое устройство может представлять собой спектрометр, как упомянуто ниже со ссылкой на фиг. 3.
На фиг. 2 показан вид в аксонометрии частичного разреза собирающего устройства 1. Линия разреза проходит через канал 2 для текучей среды, который является частью собирающего устройства 1.
Вариант осуществления собирающего устройства 1, как показано на фиг. 1 и 2, содержит канал 2 для текучей среды, содержащий вход 3 текучей среды и выход 4 текучей среды. Кроме того, собирающее устройство 1 содержит продвигающий элемент 5 для текучей среды, продвигающий указанную текучую среду F через канал 2 для текучей среды и собирающий элемент 7, расположенный в указанном канале 2 для текучей среды для сбора наночастиц N, переносимых в указанной текучей среде F. Продвигающий элемент 5 для текучей среды продвигает текучую среду F от входа 3 текучей среды к выходу 4 текучей среды, и, таким образом, текучая среда F передается через собирающий элемент 7, в котором или на котором собираются наночастицы N.
Направление потока текучей среды F в канале 2 для текучей среды показано стрелкой со штриховой линией, которая обозначена буквой А.
Как упомянуто выше, собирающее устройство 1 выполнено в виде портативного устройства, чтобы, таким образом, пользователь имел возможность носить его во время воздействия наночастиц. Собирающее устройство 1 поэтому выполнено достаточно малым с точки зрения его физического размера. Собирающее устройство 1 не содержит средств для определения количества собранных наночастиц. Другими словами, собирающее устройство 1 выполнено исключительно для сбора наночастиц N, но не для определения количества собранных наночастиц N.
Собирающий элемент 7 содержит собирающую поверхность 8 и структуру 9 усиления, соединенную с указанной собирающей поверхностью 8. Наночастицы N осаждаются в области указанной собирающей поверхности 8 и указанной структуры 9 усиления. Собирающая поверхность 8 со структурой 9 усиления усиливает спектральные характеристики указанных наночастиц N для простого и легкого анализа количества собранных наночастиц N. Следовательно, становится проще определить количество наночастиц N, которые осаждены на указанной собирающей поверхности 8 со структурой 9 усиления.
Собирающий элемент 7 может быть расположен иначе относительно линии потока текучей среды. Однако предпочтительно, чтобы линия потока вблизи собирающего элемента 7 была ориентирована перпендикулярно или наклонена под углом к собирающей поверхности 8. Текучая среда, поэтому, будет попадать на собирающую поверхность 8 под оптимально выбранным углом.
Собирающий элемент 7 расположен в канале 2 для текучей среды между входом 3 текучей среды и выходом 4 текучей среды. Продвигающий элемент 5 для текучей среды, таким образом, расположен ниже по потоку F от собирающего элемента 7. В альтернативных вариантах осуществления может быть предусмотрено расположение продвигающего элемента 5 для текучей среды выше по потоку F от собирающего элемента 7.
Собирающий элемент 7 в вариантах осуществления, показанных на фигурах, расположен ниже окна 17. Окно 17 выполнено так, чтобы обеспечить оптический доступ к собирающему элементу 7 и наночастицам, собранным собирающим элементом 7. Это необходимо для обеспечения возможности проведения анализа количества собранных наночастиц без извлечения собирающего элемента 7 из собирающего устройства 1.
Окно 17 выполнено прозрачным. В частности, окно 17 выполнено прозрачным для лазерного излучения с длиной волны в диапазоне от 514 до 785 нанометров, предпочтительно - для лазерного излучения с длиной волны 532 нанометра.
В канале 2 для текучей среды выше по потоку текучей среды F от собирающего элемента 7 расположен узел 16 фильтра.
Согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 6а-6с, узел 16 фильтра содержит канал 25 фильтра с несколькими изогнутыми участками 26, по меньшей мере один вход 27 в указанный канал 25 фильтра и по меньшей мере один выход 28 из указанного канала 25 фильтра. Вход 27 может представлять собой вход 3 текучей среды. В качестве альтернативы, вход 3 текучей среды может быть обеспечен собирающим устройством 1. Для каждого из указанных изогнутых участков 26 предусмотрен один из указанных выходов 28. Радиус указанных изогнутых участков 26 предусмотрен такой, что частицы, которые необходимо собрать, могут быть отделены от других частиц, не представляющих интереса, причем по меньшей мере один из указанных выходов 28 направлен к собирающему элементу 7. Иными словами, существует возможность разделить частицы в зависимости от их размера. Это означает, что на каждом выходе могут быть получены частицы с определенным размером. Например, существует возможность получать на одном выходе частицы с размером меньше 2 микрометров, на втором выходе - частицы с размером от 2 до 6 микрометров, а на третьем выходе - частицы с размером больше 6 микрометров. Данное распределение рассмотрено в качестве примера и может варьироваться в зависимости от формы изогнутого участка и в зависимости от скорости текучей среды в канале.
Предпочтительно, в каждом выходе расположен один из указанных собирающих элементов. Однако также возможно расположение собирающих элементов только на некоторых выходах, чтобы собирать наночастицы с размером, представляющим интерес. Если не все выходы снабжены собирающим элементом, то выходы без собирающего элемента снабжают воздухорегулирующим элементом, имеющим такое же или подобное сопротивление, что и собирающий элемент, для поддержания схожих условий потока в канале.
Как видно из фиг. 7, выходы 28 направлены к контактной поверхности 32 канала 2 для текучей среды собирающего устройства 1. Часть контактной поверхности представляет собой также уплотняющий элемент 33, который герметично уплотняет зазор между выходами и каналом 2 для текучей среды. Собирающий элемент 7 расположен примыкающим к выходам 28 ниже по потоку А от изогнутого участка.
Узел 16 фильтра во втором варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, содержит по меньшей мере один фильтр, предпочтительно - несколько последовательно расположенных фильтров. Конструкция узла 16 фильтра предоставляет возможность предварительного отфильтровывания частиц, не представляющих интереса, т.е. тех, которые не являются наночастицами, посредством узла 16 фильтра. Поэтому собирающий элемент 7 не подвергается воздействию таких частиц, которые могут влиять на проведение анализа.
Как видно на фиг. 6а-7, собирающее устройство 1 дополнительно содержит собирающий картридж 29, вставляемый в камеру 31. Собирающий картридж 29 является съемным. Вход 3 текучей среды, части 2а канала для текучей среды и собирающий элемент 7 являются частями собирающего картриджа 29, который выполнен отдельным от собирающего устройства 1, но с возможностью соединения с собирающим устройством 1 или вставления в него. Части 2а канала 2 для текучей среды собирающего картриджа 29 соединяются с частями 2b канала 2 для текучей среды собирающего устройства 1 посредством контактной поверхности 30 канала для текучей среды.
После контактной поверхности 30 канала для текучей среды канал 2b для текучей среды проходит к продвигающему элементу 5 для текучей среды.
На фиг. 6а собирающий картридж 29 показан вставленным. Это означает, что канал 2 для текучей среды закрыт на контактной поверхности 30 канала для текучей среды, и что собирающее устройство 1 способно собирать наночастицы. На фиг. 6b и 6с собирающий картридж показан извлекаемым из собирающего элемента 1 или повторно устанавливаемым в него. Преимущество возможности извлечения состоит в том, что на шаге анализа собирающий картридж 29 может быть заменен и проанализирован, а собирающее устройство может продолжать использоваться с новым собирающим картриджем 29.
В данном варианте осуществления камера 31 содержит также опциональные упругие средства 32, которые удерживают собирающий картридж 29 в камере 31.
Кроме того, как видно из фиг. 1 и 2, в данном варианте осуществления собирающее устройство 1 дополнительно содержит аккумулятор 20, посредством которого запитан по меньшей мере продвигающий элемент 5 для текучей среды.
Кроме того, предусмотрен электронный интерфейс 21, который выполнен с возможностью, например, приема микросхемы с функцией запоминания и функцией управления. Такая микросхема может быть выполнена в качестве управляющего устройства для управления насосом, аккумулятором и другими возможными элементами. Кроме того, она может быть предусмотрена для отслеживания времени воздействия, как упомянуто выше. Электронный интерфейс 21 может быть также соединен проводным или беспроводным образом с внешним интерфейсом, через который можно обмениваться данными.
Канал 2 для текучей среды, а также продвигающий элемент 5 для текучей среды, аккумулятор 20 и электронный интерфейс 21 расположены на общем опорном элементе 6. Опорный элемент 6 может представлять собой корпус, в котором расположены вышеупомянутые элементы. Однако он может также представлять собой простую пластину.
На фиг. 3 показана система, содержащая собирающее устройство 1, показанное на фиг. 1 и 2, и спектрометр 19. Собирающее устройство 1, или собирающий картридж, находится в приемном отсеке 22 указанного спектрометра 19. Спектрометр содержит лазерную головку 23. Собирающее устройство 1 размещают таким образом, что окно 17 собирающего картриджа, или собирающего устройства, оказывается расположенным под лазерной головкой 23. Собирающий элемент 7, в частности - собирающая поверхность 8 с наночастицами N, может быть просканирована лазерной головкой 23, для определения количества собранных наночастиц.
Кроме того, существует возможность считывать дополнительную информацию из собирающего элемента 7, например идентификационный номер собирающего элемента 7 или прочие данные, представляющие интерес.Эти данные могут быть переданы посредством не показанного проводного или беспроводного электронного интерфейса или посредством лазерной головки 23. Время воздействия на собирающий элемент 7 предпочтительно отслеживается электронной схемой 21 сопряжения.
Спектрометр предпочтительно представляет собой спектрометр, выполненный с возможностью работы в режиме рамановской спектроскопии. Рамановская спектроскопия особенно предпочтительна при анализе наночастиц на указанной собирающей поверхности 8. Лазерная головка 23 спектрометра сканирует собирающую поверхность 8. После чего собранную спектральную информацию от волокон и других частиц анализируют и сравнивают с референсными данными. Вместе с данными, полученными от собирающего элемента 1, и временем воздействия, вычисляют уровень воздействия на человека. Предпочтительно результаты анализа представляют в определенных диапазонах воздействия, таких как "не обнаружено", <<ППВ (предел производственного воздействия), <ППВ, ~ППВ, >>ППВ. Уровень воздействия может быть указан цветовой кодировкой, текстовой кодировкой или подобным образом. Кроме того, уровень воздействия может быть также сохранен в базе данных для дальнейшего использования. Уровень воздействия может быть также указан относительно рекомендуемого уровня воздействия вместо предела производственного воздействия.
Помимо стандартного определения уровня производственного воздействия дополнительная информация о материале может быть получена от отфильтрованных волокон и частиц и может использоваться для последующей обработки. Предпочтительно спектрометр определяет уровень воздействия и предоставляет данные пользователю или любому другому человеку. Уровень воздействия может быть выведен к компьютеру, смартфону и/или серверу. В частности, предпочтительным является архивирование полученных уровней воздействия.
Способ анализа воздействия наночастиц, в частности углеродных нанотрубок, и/или углеродных нановолокон, и/или углеродных нанопластинок, и/или твердых частиц размером менее 2,5 мкм (РМ 2.5), посредством собирающего устройства 1 и спектрометра 19 содержит шаги:
подвергают собирающее устройство 1 воздействию среды, которая предположительно загрязнена указанными наночастицами;
постоянно эксплуатируют продвигающий элемент 5 для текучей среды, пока собирающее устройство 1 присутствует в указанной среде;
удаляют собирающее устройство 1 из указанной среды;
помещают собирающее устройство 1 в спектрометр согласно системе, упомянутой выше, и
анализируют спектр наночастиц, осажденных на структуре 9 усиления собирающего элемента 7, чтобы получить информацию о воздействии наночастиц.
В случае если собирающий элемент 7 является частью вышеупомянутого картриджа, способ содержит шаг извлечения собирающего картриджа 29 из собирающего устройства 1 между шагом помещения собирающего устройства в спектрометре и шагом анализа спектра наночастиц.
Насос предпочтительно эксплуатируют, пока человек, использующий собирающее устройство 1, подвергается воздействию частиц, которые должны быть проанализированы. В случае, если пользователь работает на фабрике, насос эксплуатируют в течение продолжительности смены, например в течение 8-12 часов. Посредством использования такой схемы эксплуатации становится возможным проведение длительного измерения.
На фиг. 4а и фиг. 4b показан укрупненный вид собирающего элемента 7 согласно первому варианту осуществления. Собирающий элемент 7 согласно фиг. 4а и 4b может быть расположен в канале 2 для текучей среды собирающего устройства 1, как упомянуто выше.
Собирающий элемент 7 согласно первому варианту осуществления выполнен в виде фильтровальной пластины 11 со множеством фильтровых пор 12. Фильтровые поры 12 содержат края 10, представляющие собой границы пор 12. Край 10 в данном случае является определенной геометрической структурой. Несколько фильтровых пор 12 расположены в фильтровальной пластине 11 так, что несколько краев 10 расположены в общей плоскости Р. Плоскость Р образована поверхностью собирающего элемента 7. Края 10 образуют указанную структуру 9 усиления. Благодаря этим краям 10 возможно усиление спектроскопического контраста наночастиц N, осажденных на указанной фильтровальной пластине 11.
Указанные фильтровые поры 12 предпочтительно равномерно распределены по площади указанной фильтровальной пластины 11. Когда фильтровальная пластина 11 вставлена в указанный канал 2 для текучей среды, она занимает все поперечное сечение канала 2 для текучей среды. Поэтому фильтровые поры 12 равномерно распределены по поперечному сечению канала 2 для текучей среды. Поэтому текучая среда F может протекать через фильтровальную пластину 10 очень легко.
Ширина W фильтровых пор 12 находится предпочтительно в диапазоне от 20 до 900 нанометров, предпочтительно - в диапазоне от 80 до 200 нанометров. Это означает, что наночастицы с размером, примерно такого же диапазона, будут осаждаться на собирающей поверхности 8, как показано на фиг. 4а и на фиг. 4b.
8
10
Плотность фильтровых пор 12 находится в диапазоне от 10 до 10 на квадратный сантиметр. Ясно, что фиг. 4а и фиг. 4b представлены не в масштабе.
Фильтровальная пластина 11 предпочтительно содержит покрытие 13 из благородного материала, такого как платина, или серебро, или золото, или палладий. Покрытие 13 предусмотрено таким образом, что указанные наночастицы N осаждаются, по меньшей мере частично, в областях покрытия. Предпочтительно, указанные области покрытия покрывают собирающую поверхность 8 собирающего устройства 1, на котором осаждаются наночастицы N. В качестве примера, покрытие показано на фиг. 4b в виде заштрихованной области 13. Однако, ясно, что покрытие 13 проходит предпочтительно по всей собирающей поверхности 8. В зависимости от способа, использованного для нанесения покрытия 13, покрытие может также проходить, по меньшей мере частично, в фильтровые поры 12. В другом варианте может быть также возможно, что покрытие нанесено на всю фильтровальную пластину 11.
Материалом фильтровальной пластины предпочтительно является нитрид кремния (SiN), или кремний (Si), или оксид алюминия, или пористый кремний.
На фиг. 5 показаны два варианта второго варианта осуществления собирающего элемента 7. В данном случае собирающий элемент 7 представляет собой фильтровальную мембрану 14, содержащую указанную структуру 9 усиления. Структура 9 усиления расположена на поверхности фильтровальной мембраны 14, и/или она может быть внедрена в указанную фильтровальную мембрану 14. Структура 9 усиления в данном случае образована частицами, в частности наночастицами 24, расположенными на поверхности 5 или внедренными в фильтровальную мембрану 14. Частицы 24 могут быть сферическими или иметь форму капсулы. Частицы могут быть нанесены на фильтр посредством распыления или процесса осаждения/фильтрования. Кроме того, возможно нанесение частиц, образующих структуру 9 усиления, посредством осаждения из раствора, наносимого на фильтровальную мембрану 14.
Фильтровальная мембрана 14 также, по меньшей мере частично, покрыта покрытием 13. В частности покрытие 13 может быть нанесено на указанные волокна, или оно может образовывать указанные волокна 24. Материал покрытия 13 тот же, что и упомянутый в первом варианте осуществления собирающего элемента 7.
Материалом фильтровальной мембраны 14 предпочтительно является поликарбонат, и/или смесь эфиров целлюлозы, и/или политетрафторэтилен, и т.д.
Кроме того, оба варианта осуществления собирающего элемента 7 могут содержать референсный участок 18. Референсный участок 18 показан на фиг. 4а. Референсный участок 18 предназначен для хранения информации на собирающем элементе, касающейся идентификатора указанного собирающего элемента 7, чтобы иметь возможность распознать собирающий элемент 7, когда он используется в спектрометре 19, как показано на фиг. 3.
Кроме того, собирающий элемент 7 может быть выполнен в виде вставляемого элемента, который может быть вставлен в щель канала для текучей среды. Один из возможных примеров - собирающий картридж 29, упомянутый выше. Канал для текучей среды предпочтительно содержит соответствующий зазор для приема указанного собирающего элемента. Кроме того, узел 16 фильтра также может быть выполнен в виде некоторого вставляемого элемента.
Дополнительно узел 16 фильтра может также быть объединен с собирающим элементом 7 в одном устройстве. Поэтому это устройство может быть заменено в случае, если узел 16 фильтра и/или собирающий элемент 7 требует замены.
Список ссылочных обозначений
1 собирающее устройство
2 канал для текучей среды
3 вход текучей среды
4 выход текучей среды
5 продвигающий элемент для текучей среды
6 опорный элемент
7 собирающий элемент
8 собирающая поверхность
9 структура усиления
10 края
11 фильтровальная пластина
12 фильтровые поры
13 покрытие
14 фильтровальная мембрана
15 поверхность
16 узел фильтра
17 окно
18 референсный участок
19 спектрометр
20 аккумулятор
21 электронный интерфейс
22 приемный отсек
23 лазерная головка
24 наночастицы
25 канал фильтра
26 изогнутые участки
27 вход
28 выход
29 собирающий картридж
30 контактная поверхность канала для текучей среды
31 камера
32 упругие средства
33 уплотняющий элемент
F текучая среда.