CN107407625A - 用于测量小颗粒、特别是纳米管的暴露量的装置 - Google Patents

用于测量小颗粒、特别是纳米管的暴露量的装置 Download PDF

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Abstract

一种收集装置(1)，其用于收集在流体(F)中传输的纳米颗粒以便确定纳米颗粒(N)的暴露量，其中所述收集装置(1)包括：具有流体入口(3)和流体出口(4)的流体管道(2)；用于推进所述流体(F)通过流体管道(2)的流体推进元件(5)；和布置在所述流体管道(2)中用于收集在所述流体(F)中传输的纳米颗粒(N)的收集元件(7)，其中所述收集元件(7)包括收集表面(8)和增强结构(9)，所述增强结构(9)与所述收集表面(8)一起布置，其中所述纳米颗粒(N)沉积在所述收集表面(8)和所述增强结构(9)的区域中，并且其中具有增强结构(9)的所述收集表面(8)增强了所述纳米颗粒(N)的光谱特性，以便容易地分析所收集的纳米颗粒(N)的量。

Description

用于测量小颗粒、特别是纳米管的暴露量的装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于收集纳米颗粒的收集装置，以便确定纳米颗粒，特别是小型椭圆形纳米颗粒，例如碳纳米管等的长期暴露量。
本发明还涉及一种根据权利要求11的用于这种收集装置的收集元件。
另外，本发明涉及一种分别根据权利要求14或16的确定所收集的量的系统和方法。
背景技术
当今人造纳米材料的发展为整个价值链中的员工带来了新的前所未有的风险。特别是，诸如碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)和石墨烯纳米片(GNPs)等可吸入的纤维状纳米材料的空气传播，当被吸入时会带来类似石棉的健康风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种收集装置，其能够记录在发生上述污染的环境中工作的人员的污染。特别是利用收集装置来确定长期的暴露量。
根据权利要求1所述的收集装置实现了这种目的。因此，提供了用于收集在流体中传输的纳米颗粒的收集装置，以便确定收集装置对纳米颗粒的暴露量。所述收集装置包括具有流体入口和流体出口的流体管道，用于推进所述流体穿过流体管道的流体推进元件，以及布置在所述流体管道中的至少一个收集元件，其用于收集在所述流体中传输的纳米颗粒。收集元件包括收集表面和增强结构，其中增强结构与所述收集表面一起布置。所述纳米颗粒沉积在所述收集表面和所述增强结构的区域中。所述收集表面增强了所述纳米颗粒的光谱特性，以便能够容易地分析所收集的纳米颗粒的量。
优选地，收集装置专门用于收集纳米颗粒，而不用于确定所收集的纳米颗粒的量。这意味着收集装置包括收集纳米颗粒的装置，但不包括分析纳米颗粒的装置。更详细地，收集装置不包括光谱仪或类似装置以确定纳米颗粒的量。该光谱仪或类似装置与收集装置分离。
换句话说：收集装置优选地被提供为便携式装置，其能够由用户携带在污染的或可能污染的区域中。由此，收集装置连续地收集纳米颗粒，特别是当人停留在该区域中时。甚至更优选地，收集装置被提供为个人便携式装置。
从本文的描述中将清楚可知，收集装置优选为系统的一部分。该系统包括收集装置和与收集装置分离的光谱仪。收集装置用于收集纳米颗粒，并且光谱仪用于确定由收集装置所收集的纳米颗粒的量。
提供不具有用于分析纳米颗粒的装置，但是具有收集纳米颗粒的装置的收集装置是有利的，因为能够使用如下所述的单独的光谱仪来完成分析或确定所收集的纳米颗粒的量的步骤。这意味着，一方面，结果将变得更加准确，因为相比具有内置光谱仪的装置，能够使用增强型光谱仪，另一方面，能够减少收集装置的成本，因为无须提供内置光谱仪。
由于这种增强结构，因为区分目标纳米颗粒和其他颗粒之间的区别变得更容易，所以分析所收集的纳米颗粒的量也变得更容易。
术语“纳米颗粒”包括但不限于以下至少一种或其组合：碳纳米管和/或碳纳米纤维和/或碳纳米片和/或PM 2.5以及其他纳米管和纳米纤维。术语“流体”优选地指空气或任何其他流体。
增强结构优选为收集表面的一部分。收集表面能够被设置为几何限定的表面或由随机结构提供的非几何限定的表面。
术语“在所述收集表面和所述增强结构的区域中”优选地被理解为：颗粒能够沉积在收集元件的表面上或者收集元件的附近，或者颗粒能够至少部分地沉积在收集元件内。
流体管道优选地包括从所述流体入口延伸到所述流体出口的侧壁，以提供封闭的流体管道。因此，流体从所述入口被引导到所述出口，而不会对环境造成任何干扰。流体管道的横截面随着其长度而变化或是恒定的。最大横截面优选地为75至175平方毫米，并且最小横截面优选地为0.2至7平方毫米。
流体推进元件优选为泵。泵的容积流率优选地为1至1100ml/min。
收集装置优选地被设置为使得当使用者暴露于污染环境时能够携带所述装置。因此，收集装置优选为轻量型的并且具有相对小的尺寸。在尺寸方面，其最大尺寸优选小于15厘米。
优选地，所述收集表面和所述增强结构被设计为用于表面增强的拉曼散射，使得通过拉曼光谱能够检测纳米颗粒。该增强结构优选为SERS活性。
在第一实施例中，该增强结构包括布置在平面中的边缘，所述平面由表面或由所述收集元件的所述收集表面提供。所述边缘和平面提供了几何限定的结构。
优选地，在所述第一实施例中，收集元件为具有多个过滤孔的过滤板，其中所述开口的边界提供了所述边缘。因此，边缘直接由所述过滤板中的过滤孔提供。
过滤孔能够是从过滤板的前侧延伸到过滤板的后侧的圆柱形开口。因此，前侧的圆柱形开口的边提供了所述边缘。
优选地，所述过滤孔均匀地分布在所述过滤板的在流体管道的横截面上延伸的区域上。优选地，所述区域与通向过滤板的流体管道的横截面一致。
优选地，所述过滤孔的宽度为20至900纳米，特别是为80至200纳米。
优选地，所述过滤孔的密度为每平方厘米108至1010个孔。优选地，孔彼此之间以规则的间隔布置。
优选地，过滤板包括贵金属的涂层，所述贵金属例如是铂、或银、或金、或钯。所述涂层被布置为使得所述纳米颗粒至少部分地沉积在涂覆区域上。优选地，涂覆区域为
过滤板的整个表面，或
过滤板的至少收集表面，或
过滤孔的至少边缘。
该涂层具有的优势为：增强了纳米颗粒和其他颗粒之间的光谱差异。
优选地，过滤板的材料为氮化硅(SiN)、或硅(Si)、或氧化铝、或多孔硅。
在第二实施例中，收集元件为包括所述增强结构的过滤膜。过滤膜被设置为非几何限定的表面，其中该表面由随机结构提供。过滤膜能够由非织物结构或织物结构提供。
优选地，根据第二实施例的所述增强结构布置在过滤膜的表面上。或者，增强结构也能够嵌入到所述过滤膜中。
优选地，所述过滤膜至少部分地涂覆有贵金属的纳米颗粒，所述贵金属例如是铂、或银、或金、或钯。贵金属颗粒涂层具有与第一实施例所述的相同效果。优选地，提供涂层是因为贵金属颗粒被喷涂、浸渍或沉积在过滤膜上。由此，涂层设置在过滤膜的表面上。
优选地，过滤膜的材料为聚碳酸酯和/或混合的纤维素酯和/或聚四氟乙烯等。
优选地，根据所有实施例的收集元件还包括参考部分，在其上布置有确定的参考或校准信息。当确定纳米颗粒的量时，能够使用该信息。
优选地，收集装置包括在所述流体管道中的过滤装置，从所述流体的流动方向看时，所述过滤装置布置在所述收集元件的前方。利用过滤装置，其能够防止不是纳米颗粒的颗粒沉积在收集元件上。
在第一实施例中，过滤装置包括具有数个弯曲部分的过滤管道、进入所述过滤管道的至少一个入口和离开所述过滤管道的至少一个出口。对于每个所述弯曲部分，布置有一个所述出口。所述弯曲部分的半径被设置为使得待收集的颗粒与不是目标颗粒的其他颗粒分离，且其中至少一个所述出口朝向收集元件。
在第二实施例中，过滤装置为具有过滤孔的过滤元件，该过滤孔比待收集的纳米颗粒大，使得待收集的纳米颗粒通过过滤元件。
优选地，所有实施例中的过滤装置被设置为使得其过滤尺寸大于900纳米的颗粒。
因此，根据第二实施例的过滤装置具有在900纳米范围的过滤孔。根据使用收集装置的环境，过滤孔也能够大于900纳米，特别是允许不仅包括待分析的纳米颗粒，而且还包括其他颗粒的颗粒组成穿过所述过滤孔。根据使用收集装置的环境，过滤孔的尺寸最大能够达到5微米。在预期颗粒形成团聚的情况下，过滤孔最大能够达到20微米。
特别是在第二实施例中，过滤装置能够设置有多于一个过滤器。特别地，布置有至少第一过滤器和第二过滤器。第一过滤器具有比第二过滤器较大的孔径。第二过滤器布置在第一过滤器和收集元件之间。因此，流体通过第一过滤器，随后通过第二过滤器，然后到达收集元件。这意味着通过第一和第二过滤器从流体流中过滤掉不需要的颗粒。
优选地，流体入口、流体管道的一部分和收集元件为收集盒的一部分。收集盒与收集装置分离，但其可以与收集装置连接或可以插入到收集装置中。在收集盒收集纳米颗粒后，能够用新的收集盒替换，从而能够处理使用过的收集盒。收集盒的流体管道的部分经由流体管道接口连接到收集装置的流体管道的部分。
优选地，所述过滤管道为收集盒的流体管道的一部分，并且其中在至少一个所述出口之前布置有其中一个所述收集元件。优选地，每个出口都包括收集元件。然而，也可以仅在一个或一些出口处布置有收集元件，从而能够在其他出口处布置具有与收集元件相同或相似的阻力的空气调节元件，以便在管道中保持相似的流动状态。
优选地，收集装置包括收集盒可插入到其中的腔室，并且其中在所述腔室内布置有所述流体管道接口，经由该流体管道接口，收集盒的流体管道的一部分与收集元件装置的流体管道的一部分连接。
优选地，收集装置或收集盒包括窗口，即所述窗口特别对于波长为514至785纳米、特别是532纳米的激光是透明的，在该窗口下方布置有所述收集元件，其中通过所述窗口，能够分析沉积在所述收集元件上或所述收集元件中的纳米颗粒。
因此，能够利用所述窗口来分析所收集的纳米颗粒的量，而无需从所述收集装置或所述收集盒中移除收集元件。然而，在使用收集盒的情况下，可以从收集装置中移除收集盒，但收集元件不能从收集盒中移除。这具有不需要操作收集元件的优点。因此，能够防止外来颗粒的不希望的污染。
此外，在分析之后，如果尚未达到最大量的纳米颗粒，则可以重复使用收集装置。
优选地，收集装置还包括电池，利用该电池为至少所述流体推进元件供电。
优选地，本文所述的所有组件都布置在共同的支撑板上。该支撑板优选为外壳的一部分，其中如上所述的，其还包括窗口。
此外，还可以在所述外壳中布置附加元件，例如具有其他功能，例如存储数据、测量收集时间或使用时间、控制泵等的芯片。
此外，收集装置可以包括加速计和/或温度计和/或比重计以监测其他数据。此外，在通信方面，收集装置可以包括无线芯片以提供通信功能和/或能够确定收集装置的位置。无线芯片能够是WLAN模块。
例如，加速计能够用于检测使用者的身体活动并且相应地控制泵。这意味着，如果使用者的身体活动量较高，则容积流率也会较高，如果使用者的身体活动量较低，则容积流率也会较低。因此，进入收集装置的空气与进入收集装置携带者的肺部的空气大致成比例。
利用温度计和/或比重计可以获得关于收集装置的位置或使用的其他信息。例如，可以检测用户是在工作场所还是在外面休息。
优选地，收集装置包括气体检测器。利用气体检测器可以确定收集装置周围的气体的性质。例如，可以确定收集装置是处于出现纳米颗粒的环境中，还是处于其他环境中。
基于通过使用由上述传感器提供的数据确定的收集装置的位置，能够控制流体推进元件和/或能够打开或关闭收集装置。例如：在收集装置处于其中存在纳米颗粒的房间的情况下，收集装置会打开或者泵的容积流率会增加。在收集装置离开房间进入到其中仅存在极少量的纳米颗粒的环境的情况下，收集装置会关闭或者泵的容积流率会降低。
收集元件，特别是用于上述收集装置中的收集元件，包括收集表面和增强结构，其中增强结构与收集表面一起布置。收集元件与收集装置分离，但其能够插入到收集装置中。
优选地，收集元件还包括如上面结合收集装置概述的特征。
优选地，收集元件布置在能够被引入到所述收集装置中的进气口中的载体元件上。该进气口可以是所述外壳和/或所述支撑元件的一部分。
优选地，所述过滤装置和所述收集元件设置为可插入到流体管道中的一个整体元件。因此，能够在一个单个动作中更换过滤装置和收集元件。当然也可以提供与过滤装置分离的收集元件。
一种使用在如上所述的收集装置中的收集盒，
其中所述收集盒包括流体入口、流体管道的一部分和收集元件，其中该收集盒与收集装置分离，但可以与收集装置连接或可以插入到收集装置，并且
其中经由流体管道接口，收集盒的流体管道的一部分连接到收集装置的流体管道的一部分。
如上所述的收集元件或如上所述的收集盒也能够设置为用于测量工艺污染的表面滑动装置。
一种系统包括如上所述的收集装置和光谱仪。收集装置能够放置在所述光谱仪中，然后所述光谱仪根据存在于所述表面上的纳米颗粒的量来对收集元件进行分析。或者，也能够使用透射电子显微镜装置。
优选地，使用拉曼光谱来操作光谱仪。当与增强的表面结构结合时这是特别有利的。
如上所述，收集装置与光谱仪分离，并且可插入到光谱仪中以便分析所收集的纳米颗粒的量。
优选地，可以从光谱仪内的收集装置中更换收集元件或收集盒。
一种分析纳米颗粒、特别是碳纳米管和/或碳纳米纤维和/或碳纳米片和/或PM2.5的暴露量的方法，包括以下步骤：
将如上所述的收集装置暴露于可能被所述纳米颗粒污染的环境中；
只要收集装置存在于所述环境中，就连续地操作所述流体推进元件；
从所述环境中移除收集装置；
根据上述系统将收集装置放置在光谱仪中，以及
分析沉积在收集元件的增强结构上的纳米颗粒的光谱，以便获得关于纳米颗粒的暴露量的信息。
在收集装置包括如上所述的窗口的情况下，能够执行分析步骤而无需从收集装置中移除收集元件。由于收集元件不会受到影响，这是有利的。
优选地，在将收集装置放置在光谱仪中的步骤与分析纳米颗粒的光谱的步骤之间，该方法包括从收集装置中移除收集盒的步骤。
优选地，记录并存储装置的暴露持续时间。
在从属权利要求中阐述了本发明的其他实施例。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的优选实施例，所述附图是为了说明本发明的优选实施例而不是为了限制本发明的优选实施例。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的具有收集件的收集装置的示意性透视图；
图2示出了根据本发明的实施例的具有收集件的收集装置的示意性透视图和局部剖视图；
图3示出了根据本发明的具有收集装置的系统；
图4a/b示出了用于图1的收集装置中的收集元件的第一实施例的详细视图；
图5a/b示出了用于图1的收集装置中的收集元件的第二实施例的详细视图；
图6a-6c示出了根据图1和图2的具有收集盒的收集装置的其他透视图；以及
图7示出了根据前述附图的收集装置的腔室的示意图，其中能够插入收集盒。
具体实施方式
图1示出了用于收集在流体F中传输的纳米颗粒以便确定纳米颗粒N的暴露量的收集装置1的实施例的透视图。
在收集装置1的优选用途中，其能够由使用者携带在其暴露于纳米颗粒N的环境中。从而收集装置1能够连续地收集在所述环境中的空气中传输的纳米颗粒N。例如，收集装置能够用于在空气中传输这种纳米颗粒N的工业生产设施或研究设施中。
或者，收集装置1不仅可以在这些环境中使用，而且还可以在日常生活中使用，以便确定PM2.5或任何其他具有较小尺寸的颗粒物的暴露量。
在使用之后，收集装置1被送到分析装置，以便分析在暴露时间内所收集的纳米颗粒的量。所述分析装置能够是如下图3所述的光谱仪。
图2还示出了收集装置1的截面透视图。截面线延伸穿过作为收集装置1的一部分的流体管道2。
如图1和图2所示的收集装置1的实施例包括具有流体入口3和流体出口4的流体管道2。收集装置1还包括：流体推进元件5，其推进所述流体F穿过流体管道2；以及收集元件7，其布置在所述流体管道2内用于收集在所述流体F中传输的纳米颗粒N。流体推进元件5将流体F从流体入口3推进到流体出口4，从而流体F穿过收集元件7或在其上被传输，其中所述纳米颗粒N在所述收集元件7上或在其中被收集。
流体F在流体管道2中的流动方向由字母A表示的带有虚线的箭头示出。
如上所述，收集装置1被提供为便携式装置，使得使用者在暴露于纳米颗粒期间能够携带所述装置。因此，收集装置1在其物理尺寸方面相当小。收集装置1不包括确定所收集的纳米颗粒的量的任何工具。换句话说：收集装置1专门用于收集纳米颗粒N，而不用于确定所收集的纳米颗粒N的量。
收集元件7包括收集表面8和增强结构9，其中所述增强结构9与所述收集表面8一起布置。纳米颗粒N沉积在所述收集表面8和所述增强结构9的区域中。具有增强结构9的收集表面8增强了所述纳米颗粒N的光谱特性，以便简单且容易地分析所收集的纳米颗粒N的量。因此，确定沉积在具有增强结构9的所述收集表面8上的纳米颗粒N的量变得更加容易。
收集元件7能够相对于流体的流动线而不同地布置。然而，优选地，收集元件7附近的流动线为垂直于收集表面8或与收集表面8成角度倾斜的流动线。因此，流体将以优化的角度撞击收集表面8。
收集元件7被布置在流体入口3和流体出口4之间的流体管道2内。由此，从流体F的流动方向看时，流体推进元件7被布置在收集元件7的后方。在替代实施例中，从流体F的流动方向看时，流体推进元件7还可以被布置在收集元件7的前方。
如附图所示的实施例中，收集元件7被布置在窗口17的下方。窗口17被设置为使得收集元件7和由收集元件7所收集的纳米颗粒是可见的。这是为了允许分析所收集的纳米颗粒的量而不必从收集装置1中移除收集元件7。
窗口17是透明的。特别地，窗口17相对于波长在514至785纳米范围的激光是透明的，特别是相对于波长为532纳米的激光是透明的。
当从流体F在流体管道2中的流动方向看是，过滤装置16被布置在收集元件7的前方。
根据如图6a至6c所示的第一实施例，过滤装置16包括具有数个弯曲部分26的过滤管道25、进入所述过滤管道25的至少一个入口27以及离开所述过滤管道25的至少一个出口28。入口27能够是流体入口3。或者，流体入口3可以由收集装置1提供。对于每个所述弯曲部分26，布置有一个所述出口28。所述弯曲部分26的半径被设置为使得待收集的颗粒可以与不是目标颗粒的其他颗粒分离，并且其中至少一个所述出口28朝向收集元件7。换句话说：根据颗粒的尺寸可以分离颗粒。这意味着在每个出口处能够提供具有确定尺寸的颗粒。例如，可以在一个出口处具有小于2微米的颗粒，在一个出口处存在尺寸在2至6微米之间的颗粒，并且在第三个出口处存在尺寸大于6微米的颗粒。该分布被认为是示例性的，并且能够根据弯曲部分的形状和根据管道内的流体速度而变化。
优选地，在每个出口处设置有一个所述收集元件。然而，也可以仅在一些出口处布置收集元件，以便收集具有目标尺寸的纳米颗粒。在不是所有的出口都设置有收集元件的情况下，在没有收集元件的出口处设置有与收集元件相同或相似的阻力的空气调节元件，以便在管道中保持相似的流动状态。
如从图7中能够看到，出口28被导向到收集装置1的流体管道2的接口32。接口的一部分也是密封元件33，其以流体密封的方式密封出口和流体管道2之间的间隙。当从流动方向A看时，收集元件7被设置为靠近弯曲部分后方的出口28。
如图1和图2所示的第二实施例中的过滤装置16包括至少一个过滤器，优选地依次包括数个过滤器。利用过滤装置16的布置，能够通过过滤装置16预先过滤不是目标颗粒的颗粒，即不是纳米颗粒的颗粒。因此，收集元件7不会暴露于可能影响分析的这些颗粒中。
如图6a至图7所示，收集装置1还包括可以插入到腔室31中的收集盒29。收集盒29是可替换的。流体入口2、流体管道的一部分2a和收集元件7为收集盒29的一部分，其中收集盒29与收集装置1分离，但其与收集装置1可连接或可插入到收集装置1中。经由流体管道接口30，收集盒29的流体管道2的部分2a连接到收集装置1的流体管道2的部分2b。
在流体管道接口30之后，流体管道2b被引向流体推进元件5。
在图6a中，收集盒29被示出为处于其插入阶段。这意味着流体管道2在流体管道接口30处关闭，并且收集装置1能够收集纳米颗粒。在图6b和图6c中，收集盒被示出为正在被从收集元件1移除或重新安装到收集元件1。该移除的优点在于，在分析步骤中，能够更换和分析收集盒29，由此收集装置能够进一步使用新的收集盒29。
在该实施例中，腔室31还包括可选的弹簧装置32，其将收集盒29保持在腔室31内。
此外，从图1和图2中能够看出，本实施例中的收集装置1还包括至少向流体推进元件5供电的电池20。
此外，设置有电子接口21，其例如用于接收具有存储能力和控制能力的芯片。这种芯片能够用作控制装置，用于控制泵、电池和可能的其他元件。此外，其可以用于监测上述的暴露时间。电子接口21还可以与经由其能够交换数据的有线或无线的外部接口连接。
流体管道2、流体推进元件5、电池20以及电子接口21被布置在共同的支撑元件6上。支撑元件6能够是其中布置有上述提及的元件的壳体。它也能够是一个简单的板。
图3示出了包括根据图1和图2的收集装置1和光谱仪19的系统。由此，收集装置1或收集盒被放置在所述光谱仪19内的接收器22内。光谱仪包括激光单元23。由此，收集装置1被布置为使得收集盒或收集装置的窗口17位于激光单元23的下方。利用激光单元23，能够扫描收集元件7，特别是能够扫描具有纳米颗粒N的收集表面8，使得能够分析所收集到的纳米颗粒的量。
此外，还可以读取来自收集元件7的其他的信息、收集元件7的ID或其他感兴趣的数据。该数据能够通过未示出的电子有线或无线的接口或激光单元23来交换。优选利用电子接口21来追踪暴露时间。
光谱仪优选是能够通过拉曼光谱工作的光谱仪。当涉及在所述收集表面8上分析纳米颗粒时，拉曼光谱是特别有利的。光谱仪激光单元23扫描收集表面8。随后分析所收集的纤维和其他颗粒的光谱信息，并与库数据进行比较。根据收集元件1提供的数据和暴露时间来一起计算个体的暴露水平。优选地，以可定义的暴露范围来呈现结果，例如“未检测到”，<<OEL(职业暴露水平)，<OEL～OEL，>>OEL)。暴露水平能过通过颜色编码，文本编码等来表示。此外，暴露水平也可以储存在数据库中以供进一步使用。暴露水平也能够是推荐的暴露水平，而不是职业暴露水平。
除了标准的OEL检测外，还能够从过滤的纤维和颗粒中检索出额外的材料特定信息，并用于进一步处理。优选地，光谱仪确定暴露水平并且为使用者或任何其他人员提供数据。暴露水平能够输出到计算机、智能手机和/或服务器。特别地，存档所确定的暴露水平是有利的。
利用收集装置1和光谱仪19分析纳米颗粒、特别是碳纳米管和/或碳纳米纤维和/或碳纳米片和/或PM 2.5的暴露量的方法，包括以下步骤：
将收集装置1暴露于可能被所述纳米颗粒污染的环境中；
只要收集装置1存在于所述环境中，连续地操作所述流体推进元件5；
从所述环境中移除收集装置1；
根据上述系统将收集装置1放置在光谱仪中，以及
分析沉积在收集元件7的增强结构9上的纳米颗粒的光谱，以便获得关于纳米颗粒的暴露量的信息。
在收集元件7是上述收集盒的一部分的情况下，所述方法在将收集装置放置在光谱仪中的步骤和分析纳米颗粒的光谱的步骤之间包括从收集装置1中移除收集盒29的步骤。
优选地，只要使用收集装置1的人员暴露于待确定的颗粒中，泵就是运转的。在使用者在工厂工作的情况下，泵会在整个班次时间上运转，例如8至12小时。通过这种运转，长期的测量成为可能。
图4a和图4b示出了根据第一实施例的收集元件7的详细视图。如上所述，根据图4a和图4b的收集元件7能够放置在收集元件1中的流体管道2中。
根据第一实施例的收集元件7被设置为具有多个过滤孔12的过滤板11。过滤孔12包括孔12的边界和边缘10。此处的边缘10是所限定的几何结构。多个过滤孔12被布置在过滤板11中，从而提供了布置在公共平面P中的数个边缘10。平面p由收集元件7的表面所提供。边缘10提供所述增强结构9。由于这些边缘10，可以增强沉积在所述过滤板11上的纳米颗粒N的光谱对比度。
所述过滤孔12优选地均匀分布在所述过滤板11的区域上。当过滤板11插入到所述流体管道2中时，其在流体管道2的横截面上延伸。因此，过滤孔12均匀地分布在流体管道2的横截面上。因此，流体F能够非常容易地流过过滤板10。
过滤孔12的宽度W优选是20至900纳米，特别地是80至200纳米。这意味着在相同波长范围内的纳米颗粒将沉积在收集表面8上，如图4a和图4b所示。
过滤孔12的密度是每平方厘米108或1010个孔。显然，图4a和图4b并非按比例绘制。
优选地，过滤板11包括贵重材料的涂层13，例如铂、或银、或金、或钯。涂层13被布置为使得所述纳米颗粒N至少部分地沉积在涂覆区域上。优选地，涂覆区域覆盖在其上沉积有纳米颗粒N的收集装置1的收集表面8。作为示例，涂层在图4b中以树篱区域13示出。然而，显然，涂层13优选地在整个收集表面8上延伸。根据用于添加涂层13的方法，所述涂层13也可以至少部分地在过滤孔12中延伸。在另一变化方案中，其也可以完全涂覆过滤板11。
过滤板的材料优选为氮化硅(SiN)、或硅(Si)、或氧化铝、或多孔硅。
在图5中示出了收集元件7的第二实施例的两个变化方案。此处，收集元件7是包括所述增强结构9的过滤膜14。增强结构9布置在过滤膜14的表面上和/或其可以嵌入在所述过滤膜14中。此处，增强结构9被提供为在表面5上或嵌入在过滤膜14中的颗粒24，特别是纳米颗粒。颗粒24能够是球形或胶囊形。能够通过喷涂或沉积/过滤处理将颗粒施加到过滤器上。此外，还能够使提供增强结构9的颗粒溶解在能够沉积在过滤膜14上的液体中。
过滤膜14也至少部分地涂覆有涂层13。特别地，涂层13能够应用于所述过滤器，或者其可以提供所述过滤器24。涂层材料13与收集元件7的第一实施例中提到的材料相同。
过滤膜14的材料优选为聚碳酸酯和/或混合的纤维素酯和/或聚四氟乙烯等。
此外，收集元件7的两个实施例都可以包括参考部分18。参考部分18如图4a所示。参考部分18用于存储收集元件的关于收集元件7的标识的信息，以便当收集元件7被用于如图3所示的光谱仪19时识别收集元件7。
此外，收集元件7能够设置在能够插入到流体管道的槽中的插入式元件上。一个可能的例子是如上所述的收集盒29。优选地，流体管道包括用于接收所述收集元件的相应的槽。此外，过滤装置16也能够通过插入式元件来提供。
或者，过滤装置16还能够与收集元件7组合在一个整体装置中。因此，在需要更换过滤装置16和/或收集元件7的情况下，能够更换该整体装置。
附图标记
1 收集装置 23 激光单元
2 流体管道 24 纳米颗粒
3 流体入口 25 过滤管道
4 流体出口 26 弯曲部分
5 流体推进元件 27 入口
6 支撑元件 28 出口
7 收集元件 29 收集盒
8 收集表面 30 流体管道接口
9 增强结构 31 腔室
10 边缘 32 弹簧装置
11 过滤板 33 密封元件
12 过滤孔 F 流体
13 涂层
14 过滤膜
15 表面
16 过滤装置
17 窗口
18 参考部分
19 光谱仪
20 电池
21 电子接口
22 接收器

Claims (28)

1.一种收集装置(1)，其用于收集在流体(F)中传输的纳米颗粒以便确定收集装置(1)相对于纳米颗粒(N)的暴露量，其中所述收集装置(1)包括：
流体管道(2)，其具有流体入口(3)和流体出口(4)，
流体推进元件(5)，其推进所述流体(F)通过流体管道(2)，以及
至少一个收集元件(7)，其布置在所述流体管道(2)中用于收集在所述流体(F)中传输的纳米颗粒(N)，
其中所述收集元件(7)包括收集表面(8)和增强结构(9)，所述增强结构(9)与所述收集表面(8)一起布置，
其中所述纳米颗粒(N)沉积在所述收集表面(8)和所述增强结构(9)的区域中，并且
其中具有所述增强结构(9)的所述收集表面(8)增强了所述纳米颗粒(N)的光谱特性，以便能够容易地分析所收集的纳米颗粒(N)的量。
2.根据权利要求1所述的收集装置(1)，其中，所述收集装置(1)设置为专门用于收集纳米颗粒(N)，而不用于确定所收集的纳米颗粒(N)的量，和/或其中所述收集装置(1)被设置为便携式装置，特别是设置为个人便携式装置。
3.根据权利要求1或2所述的收集装置(1)，其中，所述收集表面(8)和所述增强结构(9)被设计为用于表面增强的拉曼散射，使得能够通过拉曼光谱来检测纳米颗粒(N)。
4.根据前述权利要求之一所述的收集装置(1)，其中，所述增强结构(9)包括边缘(10)，所述边缘(10)布置在由表面或所述收集元件(7)的所述收集表面(8)提供的平面(P)中。
5.根据权利要求4所述的收集装置(1)，其中，所述收集元件(7)为具有多个过滤孔(12)的过滤板(11)，其中所述过滤孔(12)的边界提供了所述边缘(10)。
6.根据权利要求4或5所述的收集装置(1)，
其中所述过滤孔(12)均匀地分布在所述过滤板(11)的在所述流体管道(2)的横截面上延伸的区域上；
和/或
其中所述过滤孔的宽度(W)为20至900纳米，特别地为80至200纳米；
和/或
其中所述过滤孔(12)的密度为每平方厘米108至1010个孔。
7.根据权利要求4至6之一所述的收集装置(1)，其中，所述过滤板(11)包括贵金属的涂层(13)，所述贵金属例如是铂、或银、或金、或钯，所述涂层(13)被布置为使得所述纳米颗粒(N)至少部分地沉积在涂覆区域上，所述涂覆区域优选为，
所述过滤板(11)的整个表面，或
所述过滤板(11)的至少所述收集表面(8)，或
所述过滤孔(12)的至少所述边缘(10)。
8.根据权利要求4至7之一所述的收集装置(1)，其中，所述过滤板(11)的材料为SiN、或Si、或氧化铝、或多孔硅。
9.根据前述权利要求1至3之一所述的收集装置(1)，其中，所述收集元件(7)为包括所述增强结构(9)的过滤膜(14)。
10.根据权利要求9所述的收集装置(1)，
其中所述增强结构(9)布置在所述过滤膜(14)的表面(15)上和/或嵌入到所述过滤膜(14)中，和/或
其中所述过滤膜(14)至少部分地涂覆有贵金属的涂层(13)，所述贵金属例如是铂、或银、或金、或钯，和/或
其中所述过滤膜(14)的材料为聚碳酸酯、和/或混合的纤维素酯、和/或聚四氟乙烯。
11.根据前述权利要求之一所述的收集装置(1)，
其中所述收集元件(7)还包括参考部分(18)，其上布置有确定的参考或校准信息；和/或
其中所述收集装置(1)还包括电池(20)，利用所述电池(20)为至少所述流体推进元件(5)供电。
12.根据前述权利要求之一所述的收集装置(1)，其中，所述收集装置(1)在所述流体管道(2)中包括过滤装置(16)，当从所述流体(F)的流动方向(A)看时，所述过滤装置(16)布置在所述收集元件(7)的前方。
13.根据权利要求12所述的收集装置(1)，其中，所述过滤装置(16)包括具有数个弯曲部分(26)的过滤管道(25)，进入所述过滤管道(25)的至少一个入口(27)以及离开所述过滤管道(25)的至少一个出口(28)，其中对于每个所述弯曲部分(26)，布置有一个所述出口(28)，其中所述弯曲部分(26)的半径被设置为使得待收集的颗粒能够与非目标颗粒的其他颗粒分离，并且其中至少一个所述出口(28)朝向收集元件(7)。
14.根据权利要求12所述的收集装置(1)，其中，所述过滤装置(16)为过滤孔比待收集的纳米颗粒大的过滤元件，使得待收集的纳米颗粒通过所述过滤元件。
15.根据前述权利要求之一所述的收集装置(1)，其中，所述流体入口(2)，所述流体管道(2a)的一部分和所述收集元件(7)为所述收集盒(29)的一部分，所述收集盒(29)与所述收集装置(1)分离，但是其能够与所述收集装置(1)连接或插入到所述收集装置(1)中，其中经由流体管道接口(30)，所述收集盒(29)的所述流体管道(2)的部分(2a)连接到所述收集装置(1)的流体管道(2)的部分(2b)。
16.根据权利要求15和13所述的收集装置，其中，所述过滤管道(25)为所述收集盒(29)的所述流体管道(2)的一部分，并且其中在至少一个所述出口之前布置有所述收集元件(7)之一。
17.根据前述权利要求之一所述的收集装置(1)，其中，所述收集装置(1)或所述收集盒包括窗口(17)，即所述窗口(17)特别对于波长是514至785纳米、特别是532纳米的激光是透明的，在所述窗口(17)的下方布置有所述收集元件(7)，其中通过所述窗口(17)能够分析沉积在所述收集元件(7)上或所述收集元件(7)中的纳米颗粒。
18.根据前述权利要求1至17之一所述的用于收集装置(1)的收集元件(7)，其中所述收集元件(7)包括收集表面(8)和增强结构(9)，所述增强结构(9)与所述收集表面(8)一起布置。
19.根据权利要求18和根据权利要求2至17中之一所述的收集元件(7)。
20.根据权利要求18和12或19和12的收集元件(7)，其中，所述过滤装置(16)和所述收集元件(7)被设置为可插入到所述流体管道(2)中的一个整体元件。
21.一种用于如权利要求1至17之一所述的收集装置中的收集盒(29)，
其中所述收集盒(29)包括所述流体入口(2)、所述流体管道(2)的部分(2a)和所述收集元件(7)，所述收集盒(29)与所述收集装置(1)分离，但是其能够与收集装置(1)连接或插入到所述收集装置(1)，
其中，经由流体管道接口(30)，所述收集盒(29)的所述流体管道(2)的部分(2a)连接到所述收集装置(1)的所述流体管道(2)的部分(2b)。
22.根据权利要求18至20之一所述的收集元件(29)或根据权利要求21所述的收集盒，其中，所述收集元件或所述收集装置被设置为用于测量工艺污染的表面滑动装置。
23.一种包括至少一个如前述权利要求1至17之一所述的收集装置(1)和光谱仪(19)的系统，其中，优选地使用拉曼光谱来操作所述光谱仪(19)。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述收集装置(1)与所述光谱仪(19)分离，并且其可插入到所述光谱仪(19)中以便分析所收集的纳米颗粒的量。
25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，能够从所述光谱仪(19)内的所述收集装置(1)中更换所述收集元件或所述收集盒(29)。
26.一种用于分析纳米颗粒的暴露量的方法，特别是分析碳纳米管和/或碳纳米纤维和/或碳纳米片和/或PM 2.5的暴露量的方法，包括以下步骤：
将根据权利要求1至17之一所述的收集装置(1)暴露于可能被所述纳米颗粒污染的环境中；
在所述收集装置(1)存在于所述环境时，连续地操作所述流体推进元件(5)；
从所述环境中移除所述收集装置(1)；
根据权利要求23至25之一所述的系统将所述收集装置(1)放置在光谱仪中，以及
分析沉积在收集元件(7)的增强结构(9)上的纳米颗粒的光谱，以便获得关于纳米颗粒的暴露量的信息，其中优选地使用拉曼光谱来分析所述光谱。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，在将所述收集装置放置在光谱仪中的步骤和分析纳米颗粒的光谱的步骤之间，所述方法包括从所述收集装置(1)中移除所述收集盒(29)的步骤。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述装置的暴露持续时间和/或装置数据和/或用户数据被记录和/或存储和/或传送和/或处理。
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