DE112006001351T5

DE112006001351T5 - Instrumente zum Messen der Belastung durch Nanopartikel

Info

Publication number: DE112006001351T5
Application number: DE112006001351T
Authority: DE
Inventors: Heinz Fissan; Andreas Trampe; David Y. H. Plymouth Pui; Stanley L. New Brighton Kaufmann
Original assignee: TSI Inc
Current assignee: TSI Inc
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: WO2006127803A2; US7812306B2; US20060284077A1; DE112006001351B4; WO2006127803A3; JP2008542721A

Abstract

Instrument zur Probenahme von Aerosolpartikeln, umfassend:
eine Vorrichtung zum elektrischen Laden, die dazu eingerichtet ist, Ionen eines Gases mit einem partikelhaltigen Aerosolstrom zu vereinigen, um eine unipolare Ladung des Aerosols zu bewirken, um elektrisch geladene Partikel zu erzeugen,
eine unterhalb der Ladevorrichtung entlang des Aerosolstroms angeordnete Ionenextraktionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, elektrostatisch überschüssige Ionen und andere Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom zu entfernen,
eine unterhalb der Ionenextraktionsvorrichtung angeordnete und auf Ladung ansprechende Vorrichtung zur Aufnahme des elektrisch geladene Partikel enthaltenden Aerosolstroms, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal entsprechend einer Gesamtladung der aufgenommenen Partikel zu erzeugen und dadurch eine Indikation der Partikelkonzentration zu liefern, und
ein Bauelement zur Systemeinstellung, das sich im Zusammenwirken mit wenigstens einer aus der Ladevorrichtung, der Ionenextraktionsvorrichtung und der auf Ladung ansprechenden Vorrichtung ausgewählten Vorrichtung einsetzen läßt, um einen Betriebsparameter der gewählten Vorrichtung einzustellen und dadurch die Indikation der Partikelkonzentration...

Description

Diese Anmeldung beansprucht Priorität der vorläufigen Ampeldung Nr. 60/638,615 vom 23. Mai 2005 und der vorläufigen Anmeldung Nr. 60/763,555 vom 31. Januar 2006.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Vorrichtungen zum Messen von Partikelkonzentrationen im Nanometer- oder ultrafeinen Bereich und insbesondere auf solche Systeme, die bezüglich ihrer Empfindlichkeit für bestimmte Größen oder elektrische Beweglichkeiten von Partikeln oder Mengen von Partikeln im Nanometerbereich einstellbar sind.
Wenn Material im Nanometerbereich, d.h. von etwa 0,1 Mikrometer Durchmesser bis hinunter zur molekularen Ebene erzeugt oder ausgebildet wird, zeigt dieses einzigartige Eigenschaften, die ihr physikalisches, chemisches und biologisches Verhalten beeinflussen. Nano technologie, das Gebiet, das sich mit Material dieses Größenbereichs beschäftigt, hat während der letzten Jahre durch Entdeckung und Entwicklung neuer, unterschiedlicher Verwendungen von Nanomaterial in zahlreichen verschiedenen Industriezweigen ein explosives Wachstum erfahren.
Diese Entwicklungen haben Bedenken ausgelöst, weil die mit der Herstellung und Nutzung von Nanomaterial verbundenen Gefahren von Berufskrankheiten nicht klar erkannt sind. Viele Nanomaterialien werden aus Nanopartikeln ausgebildet, die ursprünglich als Aerosole oder kolloidale Suspensionen erzeugt wurden. Arbeiter können in Arbeitsumgebungen, in denen Nanopartikel in Konzentrationen weit über denen in der Umwelt vorkommen, diesen Partikeln in erhöhten Dosierungen durch Inhalation, Hautkontakt und Ingestion ausgesetzt werden. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Belastung durch Inhalation.
Traditionell werden die Konzentrationen von Luftpartikeln, die hinsichtlich des Gesundheitsschutzes bedenklich sind, als Masse pro Volumeneinheit bestimmt. Unter diesem Ansatz werden zulässige Normen für die Maximalkonzentration bestimmt, und Massekonzentrationen werden in Bezug auf diese Normen gemessen. Toxikologische Untersuchungen, die ultrafeine Partikel (mit Durchmessern von 0,1 Mikron und darunter) einschließen, legen jedoch nahe, daß die entweder auf die Partikelzahl oder die Partikelmasse bezogene Partikeloberfläche der bessere Indikator für Auswirkungen auf die Gesundheit ist. Dies kann der Tatsache geschuldet sein, daß bei gegebener (z.B. sphärischer) Form die Oberfläche des Partikels im Vergleich zu seinem Volumen oder seiner Masse desto größer ist, je kleiner das Partikel ist. Eine entsprechend größere spezifische Oberfläche (d.h. Oberfläche, dividiert durch die Masse) erhöht die Tendenz eines Partikels, mit Chemikalien im Körper zu reagieren. Außerdem sind Massekonzentrationsmessungen aufgrund der geringen Masse von Nanopartikeln schwierig zu erhalten, und sie ermangeln der erforderlichen Empfindlichkeit, selbst wenn sie auf Partikelansammlungen, wie durch Auffangen von Partikeln mittels Filter beruhen. Partikelmessungen auf der Grundlage zahlenmäßiger Konzentrationen sind empfindlicher, aber höheren Verlusten und verminderter Zählungseffizienz im Nanometerbereich unterworfen. Dementsprechend ist zu erwarten, daß Instrumente, die Partikelkonzentrationen bezogen auf die Oberfläche, besonders auf die akkumulierte oder Gesamtoberfläche, messen, nützlichere Beurteilungen von Gesundheitsgefahren aufgrund von Belastung durch Nanopartikel ermöglichen.
Ein anderer wesentlicher Faktor, der die Auswirkung der Belastung durch Nanopartikel beeinflußt, ist der Bereich der Atmungsorgane, in dem sich die inhalierten Nanopartikel ablagern. Ablagerungen im Kopfbereich (Nasen-Rachen-Bereich) bergen die Gefahr in sich, daß Partikel das Gehirn erreichen. Im TB-Bereich (Tracheobronchialbereich) tendieren Cilien dazu, abgelagerte Partikel dadurch zu entfernen, daß sie diese zur Speiseröhre und in diese hinein drängen. Allerdings ist es wegen eines weniger effizienten Mechanismus des Freimachens wahrscheinlicher, daß im Alveolarbereich deponierte Partikel ins Blut übertragen werden, statt abgestoßen zu werden. Das Diagramm in 1 zeigt Ablagerungskurven (Prozent Ablagerung bezogen auf den Partikeldurchmesser) im Kopf (H-), TB- und A-Bereich, für Partikeldurchmesser von 1 bis 100 nm. Die Ablagerungskurven basieren auf dem Dosimetriemodell der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP), insbesondere jedoch wurden sie mit Hilfe eines als "LUDEP" bekannten Computerprogramms erstellt, das vom britischen Nationalen Strahlenschutzamt (UK National Radiological Protection Board) erhältlich ist. Wie aus den Kurven ersichtlich ist, nimmt alveolare Ablagerung deutlich zu, sobald die Partikeldurchmesser größer als etwa sechs Nanometer sind.
Ein anderer Faktor, der die Ablagerung von Nanopartikeln beeinflußt und sich damit auf die Gesundheit auswirkt, ist das Niveau der körperlichen Aktivität. Das Diagramm in 2 weist für eine Vielfalt von Aktivitätsniveaus, die mit nasaler Atmung verbunden sind, die prozentuale Ablagerung als Funktion des Partikeldurchmessers aus. Die Kurven zeigen Ablagerungen in den A- und TB-Bereichen bei Partikeldurchmessern von etwa 3,5 bis 410 nm entsprechend dem ICRP-Dosimetriemodell. Im alveolaren Bereich oberhalb der Größenordnung ultrafeiner Partikel steigern höhere Aktivitätsniveaus den Prozentsatz der Ablagerungen insgesamt und verschieben die Ablagerung in Richtung eines erhöhten Anteils kleinerer Partikel. Im Tracheobronchialbereich reduzieren höhere Aktivitätsniveaus den Prozentsatz der Ablagerungen insgesamt, verschieben jedoch die Ablagerung wieder in Richtung eines höheren Anteils kleinerer Partikel. Schließlich variiert die Ablagerung typabhängig entsprechend solchen Faktoren wie Alter, Geschlecht, Größe und körperlicher Verfassung.
In 3 sind die Kurven von 1 für Ablagerungen im Kopf-, Tracheobronchial- und Alveolarbereich gewichtet, um Ablagerungen als Oberflächenkonzentration zu zeigen, und ferner auf eine Empfindlichkeit von 1,0 bei einem Durchmesser von 100 nm normiert, um die Empfindlichkeit als Funktion des Partikeldurchmessers anzuzeigen. Dies liefert Reaktionsfunktionen, die jeweils Ablagerungen im Kopf-, Tracheobronchial- und Alveolarbereich als Partikeloberflächen anzeigen. Das Diagramm zeigt auch die Funktion der geometrischen Oberfläche (D_p ²) und eine Funktion der zahlenmäßigen Konzentration (D_p ⁰), die beide als gerade Linien auf der doppeltlogarithmischen Skala erscheinen.
Über den größten Teil des Größenbereichs von 10-100 nm sind die Antwortfunktionen des H-, TB- und A-Bereichs generell linear mit Steigungen, die allmählicher als die der Funktion D_p ² sind. Diese Funktionen werden mit abnehmendem Partikeldurchmesser weniger linear und divergieren in Richtung der Funktion D_p ². Instrumente, bei denen Aerosolpartikel mittels Diffusion geladen und anschließend die geladenen Partikel erfaßt werden, um den resultierenden elektrischen Strom zu messen, tendieren dazu, eher den Partikeldurchmessern als den Partikeloberflächen im Partikeldurchmesserbereich von 10-100 nm zu entsprechen. Es wurde jedoch bei einem dieser Instrumente, dem elektrischen Aerosoldetektor (EAD), festgestellt, daß es eine engere Korrelation mit der auf Partikelgröße basierten Partikelablagerung (gemessen als Partikeloberfläche) aufweist. Dieses Ergebnis wird von anderen Instrumenten (d.h. einem Partikelgrößenbestimmer mit Beweglichkeitsabtastung und einem Zähler für ultrafeine Kondensationspartikel) und einem Dosimetriemodell bestätigt, welches die Tracheobronchial-(TB) und Alveolar-(A) Bereiche darstellt. Auf diese Weise ist ein elektrischer Aerosoldetektor oder ein anderes Instrument mit Diffusionsladung, das ein Ansprechverhalten nahe der Funktion D_p ² hat, für Messungen im Größenbereich 10-100 nm benutzbar.
Anspruchsvollere Anwendungen, beispielsweise passend für Mund- und Nasenatmung bei unterschiedlichen Aktivitätsniveaus und mit Unterscheidung zwischen Ablagerungen im Kopf-, A- und TB-Bereich, erfordern eine genauere Übereinstimmung mit den tatsächlichen Partikelablagerungen in der Lunge und andernorts in den Atmungsorganen. Zum Beispiel wäre es für die Beurteilung bestimmter Gesundheitsimplikationen wünschenswert, ein Instrument zu liefern, das den Alveolarbereich im Gegensatz zum Tracheobronchialbereich genauer simuliert. Ein Grund ist, wie oben festestellt wurde, daß Cilien im TB-Bereich dazu tendieren, abgelagerte Partikel zu entfernen, während dieselben Partikel dazu tendieren würden, im Alveolarbereich zu bleiben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat mehrere Aspekte, von denen jeder auf eine oder mehre der folgenden Aufgaben gerichtet ist. Die erste Aufgabe ist, ein Meßinstrument zu liefern, das in der Lage ist, Ergebnisse zu liefern, die genauer den Nanopartikelablagerungen in ausgewählten Bereichen der Atmungsorgane, zum Beispiel dem Tracheobronchialbereich, dem Alveolarbereich oder dem Nasen-Rachen-Bereich entsprechen.
Eine weitere Aufgabe ist, ein Partikelmeßgerät zu liefern, das sich selektiv einstellen läßt, um genauer den Nanopartikelablagerungen in verschiedenen Bereichen der Atmungsorgane zu entsprechen.
Eine weitere Aufgabe ist, ein Verfahren dafür zu liefern, Ionen und geladene Partikel aus einem Probeaerosol entsprechend einem auswählbaren Schwellenwert für die elektrische Beweglichkeit zu extrahieren, um genauer eine vorherbestimmte Funktion zur Beschreibung von Aerosolpartikelverhalten zu simulieren.
Eine weitere Aufgabe ist, nicht-invasive, im wesentlichen Ist-Zeit-Beurteilung der Belastung durch Nanopartikel, ausgedrückt als Gesamtoberfläche der Ablagerungen in einem Bereich oder in mehreren Bereichen der Atmungsorgane, zu liefern.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Instrument zur Entnahme von Aerosolpartikelproben. Das Instrument umfaßt eine Vorrichtung zum elektrischen Laden, die dazu eingerichtet ist, Ionen eines Gases mit einem partikelhaltigen Aerosolstrom zu vereinigen, um eine unipolare Ladung des Aerosols zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel zu bewirken. Eine Ionenextraktionsvorrichtung ist unterhalb der Ladevorrichtung entlang des Aerosolstroms angeordnet und dazu eingerichtet, elektrostatisch überschüssige Ionen und andere Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom zu entfernen. Eine auf Ladung ansprechende Vorrichtung ist unterhalb der Ionenextraktionsvorrichtung angeordnet und dazu eingerichtet, den Aerosolstrom einschließlich elektrisch geladener Partikel aufzunehmen. Die auf Ladung ansprechende Vorrichtung ist dazu eingerichtet, ein elektrisches Signal in Verhältnis zu einer Gesamtladung der aufgenommenen Partikel zu erzeugen und dadurch eine Indikation der Konzentration liefern. Das Instrument enthält ferner ein Bauelement zum Einstellen des Systems. Das Einstellelement läßt sich konzertiert mit wahlweise der Ladevorrichtung oder der Ionenextraktionsvorrichtung oder der auf Ladung ansprechenden Vorrichtung bedienen, um einen Betriebsparameter der gewählten Vorrichtung einzustellen und dadurch selektiv die Indikation der Partikelkonzentration so zu ändern, daß sie genauer einer vorherbestimmten Funktion zur Beschreibung von Aerosolpartikelverhalten entspricht.
Die das Aerosolpartikelverhalten beschreibende Funktion kann eine Funktion der direkten numerischen Konzentration sein oder entsprechend einem die Partikel beschreibenden Parameter, z.B. Partikeldurchmesser, Oberfläche oder Masse, gewichtet sein. Im Zusammenhang mit der Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen von Nanopartikelablagerungen in den Atmungsorganen wird als Parameter die Partikeloberfläche aufgrund der höheren Bedeutung der Partikeloberfläche gegenüber der Partikelmasse im ultrafeinen Bereich bevorzugt. Auch wenn sich die Konzentration als numerische Partikelkonzentration, als Konzentration der Partikelmasse oder als Konzentration basierend auf Partikeldurchmessern anzeigen läßt, wird folglich als Indikator der Konzentration zur Beurteilung der Ablagerungen in den Atmungsorganen die Partikeloberflächenkonzentration bevorzugt.
Die Ionenextraktionsvorrichtung kann einen elektrostatischen Abscheider mit einer elektrisch leitfähigen Konstruktion und mit einem von der leitfähigen Konstruktion umgebenen und elektrisch von dieser isolierten elektrisch leitfähigen Element umfassen. Das Einstellelement kann dann eine variable elektrische Spannungsquelle umfassen, die entweder an das leitfähige Element oder an die leitfähige Konstruktion elektrisch angeschlossen ist. Alternativ umfaßt das Einstellelement einen Durchflußregler zur Veränderung einer Durchflußmenge des Aerosols durch die Ionenextraktionsvorrichtung.
Die bevorzugte auf Ladung ansprechende Vorrichtung umfaßt einen Ionengenerator in Form eines elektrisch leitfähigen Teils, das dazu eingerichtet ist, eine Koronaentladung zu liefern. Dann kann das Einstellelement eine mit dem leitfähigen Teil elektrisch verbundene variable elektrische Spannungsquelle umfassen. Die Ladevorrichtung kann ferner ein Leitungsrohr zum Vorbeileiten eines Trägergasstroms am Ionengenerator umfassen, in welchem Falle das Einstellelement einen Flußregler zum Verändern des Trägergasdurchsatzes im Verhältnis zum Aerosoldurchsatz umfassen kann.
Die auf Ladung ansprechende bevorzugte Vorrichtung umfaßt einen elektrisch leitfähigen Filter, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel abzufangen, aber die Luft hindurchströmen zu lassen. Eine alternative auf Ladung ansprechende Vorrichtung umfaßt erste und zweite Abscheiderelelektroden, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Das Einstellelement umfaßt eine variable elektrische Spannungsquelle, die an den Filter oder an eine der Abscheiderelelektroden angeschlossen ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Beprobung eines Aerosols, um eine zur Beschreibung von Aerosolpartikelverhalten vorherbestimmte Funktion zu emulieren, und umfaßt:

(a) elektrisches Laden von Partikeln in einem Aerosolstrom durch Vereinigen der Ionen eines Gases mit dem Aerosolstrom,
(b) nach dem Laden der Partikel, Extrahieren von Ionen und anderen Elementen größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom,
(c) nach dem Extrahieren der Ionen und anderer Elemente, Erzeugen eines elektrischen Signals entsprechend einer Gesamtladung der nach dem Extrahieren vorhandenen Partikel, durch das eine Indikation der Konzentration geliefert wird, und
(d) Steuern eines Betriebsparameters in Verbindung mit einem gewählten Parameter zum Erzeugen der Ionen, Extrahieren der Ionen und zur Lieferung der Indikation der Partikelkonzentration, um die Konzentrationsindikation so zu ändern, daß sie einer Aerosolpartikelverhalten beschreibenden vorherbestimmten Funktion genauer entspricht.

Vorzugsweise werden die Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit mit Hilfe eines elektrostatischen Abscheiders von rohrförmiger elektrisch leitfähiger Konstruktion, der ein von dieser Konstruktion elektrisch isoliertes leitfähiges Element umgibt, extrahiert. Der Betriebsparameter läßt sich dann durch Einstellen einer entweder an die leitfähige Konstruktion oder an das leitfähige Element angelegten elektrischen Spannung regeln. Alternativ ist der geregelte Betriebsparameter die Verweildauer des Aerosols im elektrostatischen Abscheider. Weitere alternativ regelbare Betriebsparameter umfassen elektrische Spannungen, die an einem Koronaentladungselement zum Erzeugen der Ionen und an einem elektrisch leitfähigen Sammler zum Erzeugen des elektrischen Signals proportional zur Gesamtladung anliegen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Kombination einer Vorrichtung zur selektiven Veränderung einer Verteilung geladener Partikel in einem Aerosolstrom und eines Instruments zur Aufnahme des Aerosolstroms von der Vorrichtung ein, das dazu eingerichtet ist, eine Indikation der Partikelkonzentration auf der Grundlage einer von den geladenen Partikeln erzeugten Gesamtladung zu erzeugen. Die Vorrichtung umfaßt eine elektrisch leitfähige rohrförmige Konstruktion, die einen Durchfluß zur Aufnahme eines Aerosolstroms definiert, der Ionen und geladene Partikel einer gewählten elektrischen Polarität enthält. Ein längliches, sich axial erstreckendes und elektrisch leitfähiges Element ist innerhalb der rohrförmigen Konstruktion angeordnet und von der rohrförmigen Konstruktion elektrisch isoliert. Eine e lektrische Spannungsquelle ist wahlweise entweder mit der rohrförmigen Konstruktion oder mit dem länglichen Element elektrisch verbunden, um eine elektrische Vorspannung an das gewählte Bauteil anzulegen. Die elektrische Vorspannung ist ausreichend groß, um die Ionen und die geladenen Partikel, deren elektrische Beweglichkeit größer als ein gegebener Schwellenwert ist, elektrostatisch aus dem sich entlang des Fließwegs bewegenden Aerosolstroms zu entfernen. Die elektrische Spannungsquelle läßt sich bedienen, um die Höhe der elektrischen Spannung zu verändern und dadurch den Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit einzustellen, um selektiv eine Verteilung der geladenen Partikel im Aerosolstrom bei dessen Passage durch den Fließweg zu verändern, wobei eine vom Instrument als Reaktion auf das eingehende Aerosol erzeugte Indikation der Konzentration geändert wird, um einer das Aerosolpartikelverhalten beschreibenden vorherbestimmten Funktion genauer zu entsprechen.
Entsprechend einer bevorzugten Herangehensweise ist die elektrische Spannungsquelle bedienbar, um die elektrische Vorspannung für mehrere diskrete Pegelbereiche der elektrischen Spannung zu liefern, die diskreten, das Aerosolpartikelverhalten beschreibenden Funktionen entsprechen.
Ein noch anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen einer selektiv geänderten Indikation der Aerosolpartikelkonzentration basierend auf einer Gesamtladung einer Mehrzahl an geladenen Aerosolpartikeln, umfassend:

(a) Liefern eines Ionen und geladene Partikel enthaltenden Aerosolstroms einer ersten elektrischen Polarität,
(b) Liefern einer Extraktionsvorrichtung an einer ersten Position entlang des Aerosolstroms,
(c) Anlegen einer elektrischen Vorspannung an die Extraktionsvorrichtung, um die Ionen und die geladenen Partikel mit elektrischer Beweglichkeit oberhalb eines Schwellenwerts der elektrischen Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom zu entfernen,
(d) Erzeugen eines elektrischen Signals an einer zweiten Position unterhalb der ersten Position, das einer Gesamtladung der im Aerosol vorhandenen geladenen Partikel propor tional entspricht, und dadurch Lieferung einer sich entsprechend dem Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit ändernden Indikation der Partikelkonzentration,
(e) Einstellen der elektrischen Vorspannung, um den Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit selektiv zu verändern.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein nicht-invasives Verfahren zur Beurteilung der Belastung durch Nanopartikel in einem Umfeld, umfassend:

(a) Erzeugen eines Aerosolstroms zur Beprobung eines Umfelds,
(b) Liefern (I) einer elektrischen Ladevorrichtung entlang des Aerosolstroms zur Vereinigung von Ionen mit dem Aerosolstrom, um eine unipolare Ladung von Partikeln im Aerosolstrom zu bewirken, (II) einer Ionenextraktionsvorrichtung unterhalb der Ladevorrichtung zum elektrostatischen Entfernen überschüssiger Ionen und anderer Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom und (III) einer auf Ladung ansprechenden Vorrichtung unterhalb der Ionenextraktionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal proportional zu einer Gesamtladung der Partikel zu erzeugen und dadurch eine Indikation der Konzentration zu liefern,
(c) Auswählen einer Nanopartikelablagerungsfunktion basierend auf einem Faktor, der ausgewählt ist aus der Faktorengruppe bestehend aus: Bereiche innerhalb des Atmungssystems, Personentypen und Niveaus körperlicher Aktivität, und
(d) Einstellen eines Betriebsparameters entweder der Ladevorrichtung oder der Extraktionsvorrichtung oder der auf Ladung ansprechenden Vorrichtung entsprechend der gewählten Nanopartikelablagerungsfunktion, um die Indikation der Konzentration in Richtung genauerer Übereinstimmung mit der ausgewählten Nanopartikelablagerungsfunktion zu ändern.

Damit läßt sich entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Aerosolbeprobungsinstrument einstellen, um Ergebnisse zu produzieren, die den gewählten Funktionen zur Darstellung des Verhaltens der Nanopartikel, z.B. Funktionen zur Beschreibung der Ablagerung von Nanopartikeln mit der Oberfläche in ausgewählten Bereichen der Atmungsorgane als Bezugsgröße.
Die Einstellung wird durch Einstellen der an ein gewähltes Bauelement des Instruments, wie Ionenfalle, Koronaentladungselement oder ein leitfähiger Filter oder eine andere auf Ladung ansprechende Vorrichtung, angelegten elektrischen Spannung erreicht. Alternativ ist zum Einstellen des Instruments der Durchsatz des Aerosols oder der ionenhaltigen Luft regelbar.
In den Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile werden bei Betrachtung der folgenden Detailbeschreibung und der Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 ein Diagramm, das Nanopartikelablagerungskurven bezogen auf verschiedene Bereiche der Atmungsorgane zeigt,
2 ein Diagramm, das Nanopartikelablagerungskurven entsprechend verschiedenen Aktivitätsniveaus zeigt,
3 ein Diagramm, das normierte Reaktionsfunktionen entsprechend den Ablagerungskurven in 1 zeigt,
4 eine schematische Ansicht eines entsprechend der vorliegenden Erfindung konfigurierten Aerosolbeprobungsinstruments zeigt,
5 eine schematische Ansicht der Elektrometerschaltung des Instruments zeigt,
6 ein Diagramm, das einen Mikroprozessor des Instruments zeigt,
7 ein Diagramm, das normierte Empfindlichkeiten für Partikel verschiedener Durchmesser über einen Bereich von Spannungseinstellungen der Ionenfalle zeigt,
8 ein Diagramm normierter Empfindlichkeiten für verschiedene Spannungseinstellungen der Ionenfalle über einen Bereich von Partikeldurchmessern zeigt,
9 und 10 Aerosolpartikelkonzentrationsmessungen, mit denen Diagramme entsprechender Reaktionsfunktionen überlagert sind, veranschaulichen,
11 ein Diagramm zeigt, das Umwandlungsfaktoren veranschaulicht, die gemessenen elektrischen Strom auf Oberflächenkonzentration beziehen,
12 ein Diagramm, das optimale Ionenfallenvorspannungen veranschaulicht,
13 und 14 eine alternative Ausführungsform eines Instruments zur Probenahme von Aerosolpartikeln beziehungsweise eines Systems zur Entnahme von Partikelproben veranschaulichen,
15-20 alternative Ausführungsformen von Ionenfallenkonfigurationen veranschaulichen,
21 eine alternative Ausführungsform der Lastsammelvorrichtung veranschaulicht, und
22-24 in alternativen Ausführungsformen von Instrumenten und Systemen verwendete Bauelemente zur Extraktion großer Partikel veranschaulichen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Hinblick auf die Zeichnungen zeigt 4 ein Instrument zur Probenahme von Aerosolpartikeln oder Vorrichtung 16. Vorrichtung 16 ist konfiguriert, um Einstellungen zum Simulieren der Ablagerung von Partikeln in der Lunge oder andernorts in den Atmungsorganen zu erleichtern. Ein Aerosol wird an einem Einlaßrohr 18 aufgenommen und durch einen Abscheider für große Partikel, wie einen Zyklonabscheider 20, geleitet, um Partikel zu entfernen, die aerodynamische Durchmesser von mehr als einem Mikron aufweisen. Mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,5 l/Min. erreicht das Aerosol eine Verbindungsstelle 22, wo ein Hilfsstrom von 1,0 l/Min. durch ein Aktivkohlefilter 24 und einen hochwirksamen Teilchenfänger (HEPA) 26 umgeleitet wird, um einen sauberen Luftstrom zu liefern. Unterhalb der Filter 24 und 26 befindet sich eine Koronaentladungsnadel 28, an die von einem Anschluß 30 eine hohe positive Spannung V₁, z.B. zwei Kilovolt angelegt wird. Im Ergebnis dessen erzeugt Nadel 28 positive Ionen an ihrer Spitze 32. Der saubere Luftstrom reißt die Ionen mit sich und leitet sie durch eine Öffnung 36 von der Nadelspitze 32 weg in eine Mischkammer 34.
Inzwischen wird der übrige Strom von 1,5 l/Min. in Kammer 34 durch eine Öffnung 38 gegenüber Öffnung 36 zur turbulenten Durchmischung mit den positiven Ionen geleitet, um eine Diffusionsladung der im Aerosol suspendierten Partikel zu bewirken. Ein Ventil 40 und ein Druckwandler 42 entlang des Hilfsstromleitungsrohrs wirken zusammen, um das gewünschte Verhältnis zwischen Aerosolstrom und Hilfsstrom von 1,5 zu 1 aufrechtzuerhalten.
Das Aerosol, das Mischkammer 34 verläßt, enthält eine Suspension positiv geladener Partikel und positiver Ionen. Das Aerosol stößt auf eine Ionenfalle 44 mit einer an Boden gehaltenen zylindrischen Wand 46 und einen koaxialen Stab 48, an den von einem Anschluß 50 eine Vorspannung V₂ angelegt wird. Die Aerosolbestandteile größerer elektrischer Beweglichkeit, in erster Linie überschüssige positive Ionen, werden von Stab 48 weg in Richtung Wand 46 abgestoßen und mit dieser in Kontakt gebracht, um sie aus dem Aerosolstrom zu entfernen. Auf diese Weise dient Ionenfalle 44 als elektrostatischer Abscheider zum Entfernen positiver Ionen und positiv geladener Partikel, die elektrische Beweglichkeiten oberhalb eines Schwellenwerts aufweisen, der von der elektrischen Spannung V₂ bestimmt wird. Die Spannung V₂ läßt sich einstellen, um den Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit selektiv zu verändern.
"Schwellenwert" wird hier in einem qualitativen oder relativen Sinn verwendet, weil die Extraktion eines gegebenen Partikels von seiner radialen Position zwischen dem Stab und der Wand beeinflußt wird, besonders wenn seine Beweglichkeit nahe dem Schwellenwert ist. Ungeachtet dessen bewirkt eine Erhöhung des Schwellenwerts der Beweglichkeit eine Vergrößerung des Anteils der aus dem Aerosolstrom entfernten Elemente.
Als vorteilhaft ist anzuerkennen, daß sich alternativ an Stab 48 eine negative Vorspannung anlegen läßt, um positive Ionen und geladene Partikel anzuziehen. Als eine weitere Alternative muß Wand 46 nicht am Boden gehalten werden, sondern kann statt dessen unter Spannung gesetzt werden, um das Spannungsdifferential relativ zum Stab zu vergrößern oder zu verringern.
Von Ionenfalle 44 wird der Aerosolstrom zu einem elektrisch leitfähigen HEPA-Filter 52, geleitet, das die geladenen Partikel abfängt. Filter 52 wird normalerweise am Boden gehalten und ist in einem Faradayschen Käfig 54, der als elektrostatische Abschirmung dient, untergebracht. Ein mit Filter 52 verbundener Leiter 56 beseitigt die aufgrund der Ansammlung von Partikeln im Filter entstehende Ladung. Ein Elektrometer-Meßschaltkreis 58 erzeugt ein der Stromstärke im Leiter 56 entsprechendes Signal und liefert wiederum einem zum Bestimmen von Partikelkonzentrationen auf der Basis der ankommenden Digitalsignale konfigurierten Mikroprozessor 60 ein digitales Eingangssignal. Wie 5 weiter zeigt, umfaßt der Elektrometerschaltkreis einen Rechenverstärker 62, der einen zur Stromstärke im Leiter 56 proportionalen Spannungspegel erzeugt. Die Spannung wird einem Analog-Digital-Wandler 64 geliefert, der das digitale Eingangssignal zum Mikroprozessor erzeugt. Wahlweise läßt sich von einem Anschluß 65 eine Vorspannung V₃ an Filter 52 anlegen.
Eine in Verbindung mit einem Druckwandler 68, der den Druckunterschied über einer Öffnung 70 überwacht, betreibbare Vakuumpumpe 66 hält beim Leiten des abströmenden Aerosols durch ein HEPA-Filter 72 den konstanten Gesamtfluß von 2,5 l/Min. aufrecht.
Mit Bezug auf 6 umfaßt Mikroprozessor 60 interne Register 74 und Betriebssoftware zum Empfang digitaler Eingangssignale von einer Vielfalt von Quellen, einschließlich ein den Elektrometerstrom darstellendes Eingangssignal vom Analog-Digital-Wandler 64, Eingangssignale 78 und 80 von den Wandlern 42 und 68 und ein manuell auswählbares Eingangssignal 82, durch welches Systemnutzer eine Betriebsart oder eine Partikelverhaltensfunktion wählen, um z.B. alveolare Ablagerungen zu emulieren. Interne Register 84 und Betriebssoftware wandeln das Elektrometerstrom-Eingangssignal in für die Oberflächenkonzentration indikative Funktionen um, die sich einem mit dem Mikroprozessor verbundenen Videoanschluß 86 oder einem Drucker 88 einspeisen lassen.
Weitere bei 90 angezeigte interne Register und Software lassen sich als Antwort auf Eingangssignale 76-82 einsetzen, um die an Koronaentladungsnadel 28, Ionenfalle 44 und Filter 52 angelegten Spannungsstufen V₁, V₂ beziehungsweise V₃ zu regeln. Auf der Basis der Eingangssignale von den Wandlern 42 und 68 halten die Anwendungsprogramme 90 den gewählten Aerosoldurchsatz (F_A) und das Durchflußmengenverhältnis (F_R) des Aerosoldurchsatzes zum Durchsatz der sauberen Luft, die die Ionen zur Mischkammer transportiert, aufrecht. Selektionseingang 82 kann verwendet werden, um den Durchsatz und das Durchflußmengenverhältnis auszuwählen.
Probenahmevorrichtung 16 ist einstellbar, um Partikelablagerungen in der Lunge besonders im ultrafeinen Partikelgrößenbereich genauer zu simulieren. Ein Ansatz zum Erreichen dieses Zwecks besteht darin, einen einstellbaren Spannungseingang zur Ionenfalle, zum Beispiel an Anschluß 50 in Bezug auf Ionenfalle 44, zu liefern. Die Spannung läßt sich über einen weiten Bereich, z.B. von 2 bis 300 Volt, einstellen. Die Wirkung der auf diese Weise bewirkten "Einstellung" der Ionenfalle läßt sich mit Bezug auf 7, eine graphische Darstellung der normierten Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung der Ionenfalle für neun verschiedene Partikelgrößen von 10 nm bis 100 nm, verstehen. Es ist offensichtlich, daß die Empfindlichkeit für größere Partikel durch Erhöhen der Spannung der Ionenfalle im wesentlichen unbeeinflußt bleibt, während sich die Empfindlichkeit für die kleinsten Partikel (10 nm Durchmesser) generell im Verhältnis zur Spannungserhöhung vermindert und auf der höchsten Spannungsstufe beträchtlich reduziert ist. Die Ausdrücke „Erhöhen" und „höchsten" beziehen sich auf den Betrag, da in alternativen Vorrichtungen die Spannung der Ionenfalle negativ sein kann.
Als vorteilhaft ist anzuerkennen, daß sich Probenahmevorrichtung 16 konfigurieren läßt, um die Aerosolpartikel durch Anlegen einer negativen Spannung an Anschluß 30 negativ zu laden. In solchem Fall kann die an der Ionenfalle über Anschluß 50 anliegende Spannung positiv sein, um Ionen und geladene Partikel an Stab 48 anzuziehen, oder negativ, um sie in Richtung Wand 46 und gegen diese abzustoßen. Als eine weitere Alternative läßt sich die Probenahmevorrichtung konfigurieren, um Nutzern zu erlauben, zum Laden der Partikel entweder eine positive oder eine negative Spannung zu wählen.
8 ist ein Diagramm, das die Daten von 7 als Antwortfunktionen für fünf verschiedene Ionenfallenspannungspegel über einen Partikeldurchmesserbereich von 10 nm bis 100 nm anzeigt. Die Antwortfunktionen für verschiedene Spannungen beginnen ab Durchmessern von unterhalb 40 nm voneinander abzuweichen. Bei höheren Spannungspegeln (wiederum bezogen auf den Betrag) wird ein größerer Anteil kleinerer Partikel aus dem Aerosol entlang Io nenfalle 44 extrahiert. Auf diese Art sind die Abnahmen normierter Empfindlichkeiten bei kleineren Durchmessern schwerwiegender.
9 und 10 zeigen gemessene Antwortfunktionen verglichen mit aus 3 ausgewählten Antwortfunktionen. Insbesondere zeigt 9 die gemessene Antwort, wenn Ionenfalle 44 eine Vorspannung von 100 Volt hat, im Vergleich zur Antwortfunktion für Tracheobronchialablagerungen, während 10 die gemessene Antwort mit der Antwortfunktion für alveolare Ablagerungen vergleicht, wenn die Ionenfalle eine Vorspannung von 200 Volt hat. In jedem Fall entsprechen die Messungen der betreffenden Antwortfunktion über den Bereich von 10-100 nm. Bei Größen unterhalb von 10 nm weichen die Messungen von der Antwortfunktion in Richtung reduzierter Empfindlichkeit ab. Jedoch tragen Partikel mit Durchmessern von weniger als 10 nm zu einem geringen Teil zu den Gesamtablagerungen im Nanopartikelbereich bei, besonders in Bezug auf die Partikeloberfläche. Folglich ist der Fehler aufgrund dieser Abweichung unbedeutend.
9 und 10 veranschaulichen, wie Einstellungen an der Vorspannung der Ionenfalle wirksam die Vorrichtung 16 einstellen, so daß diese Partikelablagerungen in der Lunge und insbesondere entweder im Tracheobronchialbereich oder im Alveolarbereich genauer simulieren kann.
11 ist ein Diagramm, das Nanopartikelablagerungen bezogen auf die Partikeloberfläche als Funktion des gemessenen Elektrometerstroms zeigt. Eine Ionenfallenspannung von 100 Volt ergibt eine Gerade 92 mit einer Steigung von 88,4, ausgedrückt in flächenbezogenen Ablagerungseinheiten (Mikron im Quadrat pro Kubikzentimeter) pro Einheit des elektrischen Stroms (Picoampere). Eine Gerade 94, die einer Vorspannung der Ionenfalle von 200 Volt entspricht, hat eine größere Steilheit von 413. Die Geraden 92 und 94 entsprechen den Ablagerungen im Tracheobronchial- beziehungsweise im Alveolarbereich. In jedem Fall zeigt die im wesentlichen konstante Steigung eine einfache, zuverlässige Beziehung zwischen gemes senem Elektrometerstrom und auf die kumulative Oberfläche bezogene Partikelablagerung an.
Die in 7 und 8 veranschaulichten Daten lassen sich verwenden, um ausgerichtet auf verschiedene Funktionen der Nanopartikelablagerung optimale Ionenfallenvorspannungen zu wählen. Zum Beispiel lassen sich normierte Empfindlichkeiten für Oberflächenablagerungen im Kopf-, Tracheobronchial- und Alveolarbereich (wie in 3) mit normierten Empfindlichkeiten auf der Basis von Messungen, die spezifischen Spannungspegeln entsprechen (wie in 7), und durch Interpolation zwischen den Spannungen, bei denen gemessen wurde, zum Bestimmen normierter Empfindlichkeiten vergleichen. Dann werden ins Quadrat erhobene Differenzen zwischen den beiden Funktionen bei verschiedenen Spannungen ermittelt. Die Ergebnisse in Bezug auf Ablagerungen im Kopf-, Tracheobronchial- und Alveolarbereich zeigen die Kurven 96, 98 beziehungsweise 100 in 12. Bei jeder Kurve bestimmt sich die optimale Ionenfallenspannung durch das Kurvenminium, d.h. den Punkt der engsten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den gemessenen Funktionen.
Wie zuvor aufgezeigt, ist eine Hauptfunktion der Spannungsfallen in Vorrichtung 16 das Entfernen überschüssiger positiver Ionen aus dem Aerosolstrom, sobald dieser die Mischkammer verläßt. Die angelegte elektrische Spannung produziert ein elektrisches Feld zwischen dem Stab und der umgebenden Wand, und als Ergebnis werden positive Ionen und positiv geladene Partikel von dem Stab abgestoßen. Es ist zu beachten, daß alternativ die Ionenfallenvorspannung negativ sein könnte, wobei das resultierende elektrische Feld die positiven Ionen und geladenen Partikel strahlenförmig nach innen in Richtung Stab anziehen würde. In beiden Fällen sind die Elemente, die aus dem Aerosolstrom entfernt werden, diejenigen mit der größeren elektrischen Beweglichkeit. Diese Elemente bestehen in erster Linie aus Ionen, umfassen aber auch geladene Partikel von großer Beweglichkeit aufgrund geringer Größe oder einer ungewöhnlich hohen Ladung.
Wenn der Wert der elektrischen Spannung am Stab der Ionenfalle erhöht wird, d.h. von 20 Volt auf 100 Volt oder auf 200 Volt, wie oben erörtert, ergibt sich ein stärkeres elektrisches Feld in der Ionenfalle. Kleinere geladene Partikel mit Beweglichkeiten, die niedriger als jene von Ionen, aber hoch im Vergleich mit anderen geladenen Partikeln sind, strömen nicht mehr mit dem Aerosol durch die Ionenfalle, sondern werden statt dessen am Stab oder an der umgebenden Wand gesammelt und aus dem Aerosol entfernt. Auf diese Weise wirkt sich, wie 7 und 8 erkennen lassen, eine Erhöhung des Wertes der Vorspannung der Ionenfalle in erster Linie auf die kleineren geladenen Partikel aus.
Als vorteilhaft ist anzuerkennen, daß die Einstellvorrichtung 16 zur genaueren Übereinstimmung mit der Oberfläche von Partikelablagerungen in der Lunge oder andernorts in den Atmungsorganen nicht erfordert, daß die Ablagerung und die Instrumentenantwort bezüglich spezifischer Partikeldurchmesser oder Partikeldurchmesserbereiche einander entsprechen. Die Aufgabe besteht vielmehr darin, die Instrumentenantwort der erwarteten, auf kumulative oder Gesamtpartikeloberfläche bezogenen Partikelablagerungen im gesamten ultrafeinen Größenbereich anzupassen. Dies stimmt mit der Auffassung überein, die zunehmend an Akzeptanz bei Toxikologieexperten gewinnt, daß die Oberfläche von Partikelablagerungen der hauptsächlich interessierende Faktor bei der Bestimmung der gesundheitlichen Auswirkungen der Belastung mit ultrafeinen Partikeln ist.
Während das Einstellen der Ionenfallenvorspannung der bevorzugte Ansatz ist, um die Beschaffenheit des Aerosols, das die Ionenfalle verläßt, selektiv zu beeinflussen, ist ein alternativer Ansatz, den Aerosoldurchsatz durch die Ionenfalle zu regulieren. Speziell das Einstellen der Pumpe 66 zur Reduzierung des Aerosoldurchsatzes verlängert die "Verweilzeit" jedes Segments des Aerosols in der Ionenfalle und bewirkt dadurch eine vermehrte Erfassung von geladenen Partikeln größerer Beweglichkeit (d.h. in erster Linie kleinerer Partikel). Damit hat eine Reduzierung des Durchsatzes generell die gleiche Wirkung wie eine Erhöhung der Vorspannungsamplitude.
13 erläutert schematisch eine alternative Ausführungsform der Aerosolbeprobungsvorrichtung 102. Vorrichtung 102 hat ein Einlaßrohr 104 zum Aufnehmen eines Aerosols und zum Leiten des Aerosols zu einer Misch- und Ladekammer 106, wo im Aerosol suspendierte Partikel positiv geladen werden. Ein weiteres Leitungsrohr 108 leitet Luft durch einen Filter 110 und an einer Koronaentladungsnadel 112 vorbei, um positive Ionen mitzureißen und nach Kammer 106 zu transportieren. Die Nadel ist durch Anlegen einer positiven elektrischen Spannung V₄ an einem Anschluß 114 vorgespannt. Die Aerosol- und Ionenströme werden als Strahlen hoher Geschwindigkeit gegeneinander gerichtet, um Turbulenz für eine vollständigere Durchmischung und verbesserte Diffusionsladung der Aerosolpartikel zu erzeugen.
Unterhalb von Kammer 106 befindet sich eine Ionenfalle 116 einschließlich einer am Boden gehaltenen zylindrischen Wand 118 und einem innerhalb von Wand 118 koaxial angebrachten Stab (alternativ ein Rohr) 120, der von der Wand elektrisch isoliert ist und an den über Anschluß 122 eine relativ niedrige elektrische Spannung V₅ angelegt ist. Wenn das Aerosol Kammer 106 verläßt und durch Ionenfalle 116 strömt, werden die mitgerissenen positiv geladenen Partikel und positiven Ionen von Stab 120 in Richtung Wand 118 abgestoßen. Die positiven Ionen, die die größte elektrische Beweglichkeit haben, erreichen Wand 118 und werden auf diese Weise aus dem Aerosolstrom entfernt.
Jenseits Ionenfalle 116 wird der Aerosolstrom in eine Ablagerungskammer 124 geleitet, die ein Paar im Abstand zueinander befindliche leitfähige Platten einschließlich einer Platte 126, an der über einen Anschluß 128 eine hohe positive Vorspannung V₆ anliegt, und einer am Boden gehaltenen Sammlerplatte 130, umschließt. Ein Leiter 132 verbindet Sammlerplatte 130 mit einem Elektrometer-Meßschaltkreis 134. Wenn positiv geladene Partikel von Sammlerplatte 130 aufgefangen werden, wird ihre Gesamtladung als Strom durch Leiter 132 abgezogen. Meßschaltkreis 134 erzeugt einen für den durch Leiter 132 fließenden Strom indikativen Spannungspegel. Der Spannungspegel wird in einem Analog-Digital-Wandler 136 gespeist, der digitale Werte ausgibt, die dem Strom in Leiter 132 entsprechen. Das digitale Ausgangssignal wird einem Mikroprozessor 138 zugeleitet, der konfiguriert ist, um Hinweise auf Partikelkonzentrationen auf der Basis der elektrischen Strom darstellenden digitalen Werte zu erzeugen. Eine Vakuumpumpe 140 zieht das Aerosol und ionenhaltige Luft durch die Probenahmevorrichtung mit einer konstanten Rate von 2,0 l/Min.
Über das Einstellen der Ionenfalle hinaus lassen sich die Vorrichtungen 16 und 102 auf andere Weise einstellen, um Partikelablagerungen in der Lunge zu simulieren. Unter weiterem Verweis auf 4 und 13 lassen sich elektrische Spannungsquellen 30 und 114 für die entsprechenden Koronaentladungsnadeln auf Erhöhung oder Verminderung der Erzeugungsrate für positive Ionen einstellen. Alternativ läßt sich das Zustromverhältnis von Aerosol und ionenhaltiger Luft in die Mischkammer einstellen. Zum Beispiel läßt sich die Ableitung an der Verbindungsstelle verändern, um den Durchsatz des Hilfsstroms zu erhöhen, während eine Verminderung des Aerosoldurchsatzes die Zustromrate der Partikel zu Mischkammer 34 oder 106 zum Laden reduzieren würde, und das erwartete Ergebnis wäre ähnlich dem Ergebnis infolge einer Erhöhung der an die Koronaentladungsnadel angelegten elektrischen Spannung.
Durch diese Art und Weise des Einstellens würde in erster Linie der obere ultrafeine Partikelgrößenbereich beeinflußt und tendenziell durch Glätten der Beweglichkeitskurve die Empfindlichkeit erhöht. Dieser Ansatz ist auch Sättigungsgrenzen der Partikelladung unterworfen.
Noch ein weiterer Ansatz besteht darin, die Elektrometerstufe einzustellen, z.B. durch Einstellen der elektrischen Spannung V₆ am Anschluß 128 in Probenahmevorrichtung 102, oder durch Anlegen einer elektrischen Vorspannung V₃ an den normalerweise geerdeten Filter 52. Dieser Ansatz beeinflußt ebenso wie das Einstellen des Grades der Partikelladung in erster Linie die Partikel im oberen ultrafeinen Partikelgrößenbereich. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der an der Elektrometerstufe aufgrund von Umwelteinflüssen, wie Vibration an der Kapazität der Konstruktion, erzeugte potentielle Lärm.
Die Erfindung läßt sich außer auf Lungensimulation auch auf andere Nutzungen anwenden. Zum Beispiel veranschaulicht 14 ein Trenn- und Meßsystem 142 für Hochleistungs-Flüssigchromatographie. Das System verwendet eine Pumpe 144 für Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) und schaltet eine HPLC-Kolonne 146 zwischen ein Injektionsschleifenventil 148 und einen pneumatischen Zerstäuber 150. Das Injektionsschleifenventil liefert im wesentlichen sofortige Injektionen einer Flüssigkeitsprobe von einer Spritze 152 in einen Strom von Wasser oder einer anderen Trägerflüssigkeit. Unterhalb des Zerstäubers befindet sich ein Diffusionstrockner 154, der umgangen werden kann, falls er nicht benötigt wird, wobei in beiden Fällen sichergestellt ist, daß die suspendierten Elemente beim Eintritt des Aerosols in einen Detektor 156 im wesentlichen eher trockene Partikel als Tröpfchen sind. Überschüssiges Aerosol wird durch einen Filter 158 abgelassen.
Detektor 156 kann im wesentlichen entweder der Probenahmevorrichtung 16 oder der Aerosolbeprobungsvorrichtung 102 ähnlich sein. In jedem der beiden Fälle läßt sich Detektor 156 durch Einstellungen an der Ionenfalle, der Partikelladestufe oder der Elektrometerstufe abstimmen, wie zuvor dargelegt wurde, so daß sein Ausgangssignal genauer eine vorherbestimmte Funktion simuliert.
Mit besonderem Verweis auf die Geometrie und die elektrische Vorspannung der Ionenfalle lassen sich Probenahmevorrichtungen 16 und 102 modifizieren, um Ergebnisse zu produzieren, die genauer den auf dem ICRP-Dosimetriemodell basierenden speziellen Lungenablagerungskurven entsprechen. 15 veranschaulicht eine Ionenfalle 160, die eine leitfähige rohrförmige Wand 162 und ein innerhalb der Wand koaxial angeordnetes leitfähiges Ionenextraktionselement 164 umschließt. Element 164 ist von gestufter Bauweise mit Abschnitten von fortschreitend kleineren Durchmessern in der Aerosolfließrichtung. Bei gegebenem gleichbleibendem Wanddurchmesser vergrößert sich der radiale Abstand zwischen Element 164 und Wand 162 stufenweise in Fließrichtung. Eine Stromversorgung 166 legt an das Extraktionselement eine auf die Wand bezogene elektrische Vorspannung an, die negativ sein kann, um positiv geladene Partikel und Ionen anzuziehen, oder positiv, um diese Partikel und Ionen abzustoßen.
Bei durchschnittlicher Fließgeschwindigkeit ist die maximale Absperrlänge der Ionenfalle für eine gegebene Partikelgröße proportional zum Logarithmus des Verhältnisses des Wanddurchmessers zum Elementdurchmesser. Die Absperrlänge variiert auch umgekehrt proportional zur Partikelbeweglichkeit. Außerdem wird das Ausfällen längs der Ionenfalle in erster Linie von zwei einander entgegenwirkenden Faktoren bestimmt. Zunächst ist das elektrische Feld stärker, wo der Elektrodenabstand zwischen Wand 162 und Element 164 geringer ist. Folglich bewegen sich die Ionen und Partikel größerer Beweglichkeit radial schneller entweder in Richtung des Elements 164 oder in Richtung Wand 162 zur vermehrten Ausfällung. Andererseits ist jedoch die Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols dort höher, wo der Elektrodenabstand geringer ist und dazu tendiert, die Ausfällung zu verringern. Die axiale Länge der gestuften Abschnitte und die Verringerung des Durchmessers von einem gestuften Abschnitt zum nächsten werden vorteilhafterweise unter Beachtung dieser konkurrierenden Faktoren gewählt.
16 zeigt eine Ionenfalle 168 mit einer rohrförmigen Wand 170, die ein kegelförmiges Extraktionselement 172 umgibt. Eine Stromversorgung 174 legt eine elektrische Vorspannung an das Extraktionselement an.
Die allmähliche Verjüngung des Elements 172 vergrößert den Elektrodenabstand zwischen dem Element und der Wand 170 in Richtung des Aerosolflusses. Dieselben beiden einander entgegenwirkenden Faktoren sind anwesend. Verglichen mit Ionenfalle 160 ist ein Vorteil der Ionenfalle 168 der gleichmäßigere Aerosolfluß aufgrund der Abwesenheit turbulenter Wirbel, die durch die gestufte Geometrie gebildet werden.
Eine weitere Änderung, die nicht gezeigt ist, soll die Ausrichtung des Elements 172 umkehren, um einen radialen Abstand zu liefern, der in Aerosolfließrichtung abnimmt.
17 veranschaulicht eine Ionenfalle 176, die konfiguriert ist, um das elektrische Feld stufenweise zu variieren, ohne die Aerosolfließgeschwindigkeit zu verändern. Ein Extraktionselement gleichbleibenden Durchmessers 178, das von einer rohrförmigen Wand 180 umgeben ist, wird durch elektrisch isolierende Stege 182 in eine Reihe von leitfähigen, elektrisch isolierten Abschnitten 184, 186, 188, 190 und 192 unterteilt, an denen jeweils eine unterschiedliche Vorspannung anliegt. Die Länge jedes Abschnitts und dessen elektrische Vorspannung sind nach dem Prinzip gewählt, daß die Absperrlänge für ein gegebenes Segment umgekehrt proportional zur elektrischen Feldstärke ist.
Normalerweise liegen an allen Abschnitten elektrische Vorspannungen gleicher Polarität, obwohl ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte entgegengesetzte Polarität haben kann bzw. können, um die resultierende Antwortkurve steiler zu machen.
18 veranschaulicht eine Ionenfalle 194, bei der ein mit einer ohmschen Beschichtung 198 überzogenes Extraktionselement 196 von einer rohrförmigen Wand 200 umgeben ist, an deren gegenüberliegenden Enden Vorspannung über Stromversorgungen 202 und 204 anliegt. Dies schafft ein radiales elektrisches Feld, dessen Stärke sich in axialer Richtung ständig ändert. Die Beschichtung 198 kann von gleichmäßiger oder variabler Dicke sein, um eine andere Option für das aufgabenspezifische Anpassen der Antwortfunktion zu liefern.
In 19 weist eine Ionenfalle 206 eine Wand 207 auf, die ein konisches Extraktionselement 208 mit einer ohmschen Beschichtung 210 umgibt und an deren gegenüberliegenden Enden Vorspannung über separate Stromversorgungen 212 und 214 anliegt. Diese Bauweise kombiniert die Vorteile der Ionenfallen 168 und 194.
In 20 umfaßt eine Ionenfalle 215 ein Extraktionselement 216 abgestufter Konstruktion und ist mit fünf elektrisch isolierten leitfähigen Segmenten 218 ausgebildet. Die Segmente 218 erhalten individuell über fünf unabhängige elektrische Spannungsquellen Vorspannungen, um die gemeinsame Fähigkeit von Ionenfallen 160 und 176 zu liefern. Die Segmente werden voneinander durch isolierende Stege 217 getrennt. Eine Wand 219 umgibt Element 216.
21 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer auf Ladung ansprechenden Vorrichtung 220 zum Erzeugen des Elektrometerausgangsstroms statt eines leitfähigen HEPA-Filters. Die Vorrichtung umfaßt ein Leitungsrohr 222 zum Leiten des Aerosols zu einem Zwischenraum zwischen einem Paar Abscheiderelektroden einschließlich einer Sammlerelektrode 224 und einer zweiten Elektrode 226. Eine Stromversorgung 228 erzeugt an Elektrode 226 eine positive elektrische Vorspannung und an der Sammlerelektrode eine negative elektrische Spannung (im Falle positiv geladener Aerosolpartikel). Die Sammlerelektrode sammelt die geladenen Partikel und liefert einen elektrischen Strom an einen Elektrometer-Rechenverstärker 230, der wiederum eine zum Strom proportionale elektrische Spannung erzeugt. Diese Bauweise bewirkt eine Absperrung auf der Seite der großen Partikel der Antwortfunktion. Ein auf die Elektrode 224 montierter Probensammler 232 läßt sich entfernen, um mikroskopische Untersuchung und chemische Analyse gesammelter Partikel zu erleichtern.
Wie oben angemerkt wurde, umfaßt Vorrichtung 16 einen Zyklon 20 zum aerodynamischen Entfernen von Partikeln mit einem Durchmesser von mehr als einem Mikron. Diese Funktion ist zwar nützlich, aber der relativ hohe Transzyklondruckverlust (zum Beispiel 2000 mm Wassersäule) bedingt einen hohen Energiebedarf, der besonders für tragbare, batteriebetriebene Stichprobenahmeinstrumente nachteilig ist.
22 veranschaulicht einen für den Gebrauch statt des Zyklons entworfenen modifizierten Impaktor 234. Impaktor 234 umfaßt ein Aerosoleinlaßrohr 236, ein Auslaßrohr 238 zum Einleiten des Aerosols in die Mischkammer und umfaßt ferner ein Abzugsrohr 240, um einen Fluß abzuleiten, der gemessen wird, um eine gewünschte Flußrate durch das Rohr 238 zur Mischkammer sicherzustellen.
Im Impaktor befindet sich eine kegelstumpfförmige poröse Einlage oder ein ebensolcher Filter 242 mit der Eigenschaft, Luft hindurchzulassen, aber Partikel oberhalb der kritischen Größe aufzufangen. Die Poren in Filter 242 sind viel größer als die kritische Größe z.B. 10-50 Mikron im Durchmesser.
Ein Vorteil gegenüber dem Zyklon-Impaktor 20 ist ein reduzierter Druckabfall über dem Impaktor. Ferner läßt sich durch Vergrößerung des gemessenen Abflusses durch das Leitungsrohr 240 die kritische Größe reduzieren während sich der Druckabfall geringer als der des Zyklons halten läßt. Bei einer bevorzugten Version ist die kritische Größe 400 nm statt 1 Mikron, und der Druckabfall über dem Impaktor ist beträchtlich geringer als 2000 mm Wassersäule. Ein anderer Vorteil von Impaktor 234 ist, daß Filter 242 entfernbar montiert sein kann, um Untersuchung und Messung der im Filter zurückgehaltenen Fraktion großer Partikel zu erleichtern. Diese Fraktion ist wegen ihrer Beziehung zu der Fraktion der im Nasen-Rachen-Bereich der Atmungsorgane absorbierten Partikel von Interesse.
23 veranschaulicht einen alternativen Impaktor 244 mit einem Einlaßrohr 246, einem Auslaßrohr 248 zu einer Mischkammer und einem Ablaßrohr 250. Eine elektrisch leitfähige Auskleidung oder ein ebensolcher Filter 252 ist zur elektrischen Trennung vom übrigen Impaktor auf einem Isolator montiert 254. Ein Leiter 256 leitet einen elektrischen Strom von Filter 252 zu einem Elektrometerverstärker 258.
Filter 252 kann eine Echtzeitindikation von Partikelablagerungen auf der Basis der vom Filter aufgefangenen Partikel liefern. Natürlich wird das Aerosol vor dem Erreichen des Impaktors geladen.
24 veranschaulicht einen weiteren alternativen Impaktor 260, der ein Einlaßrohr 262 und ein Auslaßrohr 264 zum Befördern des Aerosols zu einer Mischkammer umfaßt. Der Impaktor verwendet eine feste Wand 266 statt eines porösen Filters. Ein Schwingquarz-Masseflußmonitor, der einen an der Wand montierten Meßwandlerkopf 268 und einen elekt risch mit dem Kopf verbundenen Steuerungs- und Überwachungsschaltkreis 270 umfaßt, liefert eine kontinuierliche Indikation von Partikelablagerungen. Die Indikation basiert auf einer Resonanzfrequenz des Kristalls, die durch Massezunahme infolge von Partikelablagerung niedriger wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind Partikelprobenahmeinstrumente somit einstellbar, um Echtzeitindikationen zu liefern, die gewählten Funktionen zur Beschreibung von Partikelverhalten genauer entsprechen. Insbesondere in Verbindung mit Umfeldern sind die Probenahmeinstrumente einstellbar, um nicht-invasive Echtzeitindikationen zur Oberfläche von Partikelablagerungen in ausgewählten Bereichen der Atmungsorgane zu liefern.
Zusammenfassung
Ein Instrument zur nicht-invasiven Messung der Belastung durch Nanopartikel schließt ein Koronaentladungselement ein, das Ionen erzeugt, um unipolare Diffusionsbelastung eines Aerosols zu bewirken, gefolgt von einer Ionenfalle zum Entfernen überschüssiger Ionen und eines Teils der geladenen Partikel mit elektrischer Beweglichkeit oberhalb eines Schwellenwerts. In Stromrichtung sammelt ein elektrisch leitfähiges HEPA-Filter oder ein anderes Sammelelement die geladenen Partikel auf und liefert den resultierenden Strom an einen Elektrometerverstärker. Das Instrument ist einstellbar, um den Elektrometerverstärker in Richtung einer genaueren Übereinstimmung mit einer gewählten Funktion zur Beschreibung des Partikelverhaltens, z.B. Nanopartikelablagerungen in einem ausgewählten Bereich des Atmungssystems, zu ändern. Das Einstellen schließt das Einstellen elektrischer Spannungen ein, die an einer Ionenfalle oder an mehreren Ionenfallen, am Koronaentladungselement und am Sammelelement anliegen. Alternativ schließt das Einstellen das Einstellen des Aerosoldurchsatzes entweder direkt oder im Vergleich mit dem Durchsatz eines Gases ein, das die Ionen in Richtung Vermischung mit dem Aerosol leitet.

Claims

Instrument zur Probenahme von Aerosolpartikeln, umfassend: eine Vorrichtung zum elektrischen Laden, die dazu eingerichtet ist, Ionen eines Gases mit einem partikelhaltigen Aerosolstrom zu vereinigen, um eine unipolare Ladung des Aerosols zu bewirken, um elektrisch geladene Partikel zu erzeugen, eine unterhalb der Ladevorrichtung entlang des Aerosolstroms angeordnete Ionenextraktionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, elektrostatisch überschüssige Ionen und andere Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom zu entfernen, eine unterhalb der Ionenextraktionsvorrichtung angeordnete und auf Ladung ansprechende Vorrichtung zur Aufnahme des elektrisch geladene Partikel enthaltenden Aerosolstroms, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal entsprechend einer Gesamtladung der aufgenommenen Partikel zu erzeugen und dadurch eine Indikation der Partikelkonzentration zu liefern, und ein Bauelement zur Systemeinstellung, das sich im Zusammenwirken mit wenigstens einer aus der Ladevorrichtung, der Ionenextraktionsvorrichtung und der auf Ladung ansprechenden Vorrichtung ausgewählten Vorrichtung einsetzen läßt, um einen Betriebsparameter der gewählten Vorrichtung einzustellen und dadurch die Indikation der Partikelkonzentration selektiv hin zu einer genaueren Übereinstimmung mit einer das Verhalten der Aerosolpartikel beschreibenden vorherbestimmten Funktion zu ändern.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Ionenextraktionsvorrichtung ein elektrisch leitfähiges, elektrisch vorgespanntes Extraktionselement umfaßt.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Ionenextraktionsvorrichtung einen elektrostatischen Abscheider mit einer elektrisch leitfähigen Konstruktion und einem von der leitfähigen Konstruktion umgebenen und elektrisch isolierten elektrisch leitfähigen Element umfaßt und das Einstellelement eine wahlweise mit dem leitfähigen Element oder mit der leitfähigen Konstruktion elektrisch verbundene variable Spannungsquelle umfaßt.
Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß: die leitfähige Konstruktion rohrförmig ist und im Wesentlichen am Boden gehalten wird und das leitfähige Element länglich, koaxial mit der leitfähigen Konstruktion verläuft und elektrisch an eine variable Spannungsquelle angeschlossen ist, die dazu eingerichtet ist, an das leitfähige Element eine variable elektrische Vorspannung in Bezug auf die leitfähige Konstruktion anzulegen.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: das Einstellelement ein Flußsteuerungselement zum steuerbaren Verändern eines Durchsatzes des Aerosols durch die Ionenextraktionsvorrichtung umfaßt.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die elektrische Ladevorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Diffusionsladung des Aerosols zu bewirken.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Ladevorrichtung ein elektrisch leitfähiges Teil umfaßt, das dazu eingerichtet ist, eine Koronaentladung zu liefern, und daß das Einstellelement eine Spannungsquelle umfaßt, die mit dem leitfähigen Teil elektrisch verbunden ist und die sich bedienen läßt, um die am leitfähigen Teil anliegende Spannung zu verändern.
Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß: die Ladevorrichtung weiterhin ein Leitungsrohr zum Lenken eines Trägergasflusses am leitfähigen Teil vorbei, um Ionen mitzureißen und die mitgerissenen Ionen in besagten Zusammenfluß einzubringen, und das Einstellelement einen Flußregler zum selektiven Verändern eines Durchsatzes des Trägergases in Bezug auf einen Durchsatz des Aerosols umfaßt.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die auf Ladung ansprechende Vorrichtung einen elektrisch leitfähigen Sammler, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel anzusammeln, und einen mit dem Sammler elektrisch verbundenen Meßschaltkreis zum Messen eines elektrischen Stroms vom Sammler umfaßt.
Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß: der Meßschaltkreis einen Rechenverstärker umfaßt, der dazu eingerichtet ist, einen Spannungspegel zu erzeugen, der proportional zum Strom vom Sammler variiert.
Instrument nach Anspruch 10, ferner umfassend: einen mit dem Verstärker verbundenen Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines dem Spannungspegel entsprechenden digitalen Ausgangssignals und einen angeschlossenen Mikroprozessor zum Empfang des digitalen Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers.
Instrument nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß: der Mikroprozessor programmiert ist, um den Betriebsparameter der gewählten Vorrichtung als Antwort auf den Empfang eines Modusselektionseingangssignals von einem Systembediener regelbar einzustellen.
Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß: der Sammler einen elektrisch leitfähigen Filter umfaßt, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel abzufangen, aber die Luft hindurchströmen zu lassen, und das Einstellelement eine mit dem Filter verbundene variable Spannungsquelle umfaßt.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die auf Ladung ansprechende Vorrichtung erste und zweite im Abstand voneinander angeordnete Abscheiderelektroden umfaßt, wobei eine der Elektroden zur Speisung eines Sammlers ausgewählt ist, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel anzusammeln, und das Einstellelement eine variable Spannungsquelle umfaßt, die mit mindestens einer der Elektroden verbunden ist.
Instrument nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein oberhalb der Ladevorrichtung angeordnetes Partikelextraktionselement zum Entfernen von Partikeln mit einem Durchmesser oberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts aus dem Aerosolstrom.
Instrument nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß: das Partikelextraktionselement ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Filtern und Impaktorvorrichtungen.
Verfahren zum Beproben eines Aerosols, um eine das Aerosolpartikelverhalten beschreibende vorherbestimmte Funktion zu emulieren, umfassend: elektrisches Laden von Partikeln in einem Aerosolstrom durch Vereinigen von Ionen eines Gases mit dem Aerosolstrom, nach dem Laden der Partikel, Extrahieren von Ionen und anderen Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom; nach dem Extrahieren der Ionen und anderen Elemente, Erzeugen eines elektrischen Signals proportional zu einer Gesamtladung der nach der Extraktion vorhandenen Partikel, um dadurch eine Konzentrationsindikation zu liefern, und Steuern eines Betriebsparameters in Verbindung entweder mit dem Erzeugen der Ionen, dem Extrahieren der Ionen oder dem Liefern der Konzentrationsindikation, um die Partikelkonzentrationsindikation in Richtung genauerer Übereinstimmung mit einer das Verhalten der Aerosolpartikel beschreibenden vorherbestimmten Funktion zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß: das Extrahieren der Ionen umfasst, einen elektrostatischen Abscheider einschließlich einer elektrisch leitfähigen Konstruktion, die ein von der leitfähigen Konstruktion elektrisch isoliertes elektrisch leitfähiges Element umgibt, zu verwenden, und das Steuern des Betriebsparameters umfaßt, eine wahlweise entweder an die leitfähige Konstruktion oder an das leitfähige Element angelegte Spannung einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß: das Steuern des Betriebsparameters umfaßt, eine Verweilzeit zu verändern, während der die Ionen und andere Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus einem gegebenen Segment des Aerosolstroms herausgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß: das Erzeugen der Ionen umfaßt, eine Spannung an ein elektrisch leitfähiges Teil anzulegen, um eine Koronaentladung zu bewirken, und das Steuern des Betriebsparameters umfaßt, besagte Spannung zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß: das Steuern des Betriebsparameters umfaßt, entweder den Durchsatz des Aerosols oder eines Gases, das die Ionen in Zusammenfluß mit dem Aerosolstrom bringt, im Verhältnis zum Durchsatz des Aerosolstroms zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß: das Aufnehmen der geladenen Partikel umfaßt, die Partikel auf einem elektrisch leitfähigen Sammler zu sammeln, das Erzeugen des elektrischen Signals umfaßt, einen vom Sammler erzeugten elektrischen Strom zu messen, und das Steuern des Betriebsparameters umfaßt, eine wahlweise entweder an den Sammler oder an eine dem Sammler benachbarte und von diesem elektrisch isolierte elektrisch leitfähige Konstruktion angelegte Spannung verändern.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: vor dem Laden der Partikel solche Partikel aus dem Aerosolstrom zu entfernen, die aerodynamische Durchmesser oberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwertes haben.
Kombination einer Vorrichtung zum selektiven Modifizieren einer Verteilung geladener Partikel in einem Aerosolstrom und eines Instruments, das angeordnet ist, um den Aerosolstrom von der Vorrichtung aufzunehmen, und eingerichtet ist, um eine Partikelkonzentrati onsindikation basierend auf einer von den geladen Partikeln produzierten Gesamtladung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt: eine elektrisch leitfähige rohrförmige Konstruktion, die einen Fließweg für einen Aerosolstrom definiert, der Ionen und geladene Partikel einer gewählten elektrischen Polarität enthält, ein längliches, sich axial erstreckendes elektrisch leitfähiges Element, das innerhalb der rohrförmigen Konstruktion angeordnet und von der rohrförmigen Konstruktion elektrisch isoliert ist, und eine Spannungsquelle, die elektrisch wahlweise entweder mit der rohrförmigen Konstruktion oder dem länglichen Element verbunden ist, um an die gewählte Komponente eine elektrische Vorspannung anzulegen, die ausreichend hoch ist, um die Ionen und geladenen Partikel mit elektrischen Beweglichkeiten oberhalb eines gegebenen Schwellenwerts der elektrischen Beweglichkeit aus dem sich entlang des Fließwegs bewegenden Aerosolstrom elektrostatisch zu entfernen, wobei die Spannungsquelle bedienbar ist, um die Höhe der Spannung zu verändern und dadurch den Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit zwecks selektiver Modifizierung einer Verteilung der geladenen Partikel im Aerosolstrom beim Passieren des Fließwegs einzustellen, wodurch eine von dem auf die Aufnahme des Aerosols ansprechenden Instrument erzeugte Konzentrationsindikation in Richtung genauerer Übereinstimmung mit einer das Verhalten der Aerosolpartikel beschreibenden vorherbestimmten Funktion verändert wird.
Kombination nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß: die rohrförmige Konstruktion im Wesentlichen am Boden gehalten wird, und die Spannungsquelle elektrisch mit dem länglichen Element verbunden ist.
Kombination nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß: das längliche Element koaxial innerhalb der rohrförmigen Wand montiert ist.
Kombination nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß: die Spannungsquelle bedienbar ist, um die Vorspannung an eine Mehrzahl an diskreten Spannungspegeln, die jeweils einer Mehrzahl an diskreten, das Verhalten der Aerosolpartikel beschreibenden Funktionen entsprechen, anzulegen.
Kombination nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß: die Spannungsquelle dazu eingerichtet ist, die Vorspannung über einem Bereich von 2 Volt bis 300 Volt anzulegen.
Kombination nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß: das Instrument einen elektrisch leitfähigen Sammler, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel anzusammeln, und einen mit dem Sammler elektrisch verbundenen Meßschaltkreis zum Messen eines elektrischen Stroms vom Sammler umfaßt.
Kombination nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß: der Sammler einen elektrisch leitfähigen Filter umfaßt, der dazu eingerichtet ist, die geladenen Partikel abzufangen, aber die Luft hindurchströmen zu lassen.
Kombination nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß: der Sammler eine Elektrode eines Paars von elektrisch isolierten und im Abstand voneinander angeordneten und unter unterschiedlichen Spannungen gehaltenen Elektroden umfaßt.
Kombination nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß: der Meßschaltkreis einen Rechenverstärker umfaßt, der dazu eingerichtet ist, einen Spannungspegel zu erzeugen, der sich proportional zum Strom vom Sammler ändert.
Verfahren zum Erzeugen einer selektiv geänderten Indikation der Aerosolpartikelkonzentration auf der Basis einer Gesamtladung einer Mehrzahl an geladenen Aerosolpartikeln, umfassend: Liefern eines Ionen und geladene Partikel einer ersten elektrischen Polarität enthaltenden Aerosolstroms, Liefern einer Extraktionsvorrichtung an einer ersten Position entlang des Aerosolstroms, Anlegen einer Vorspannung an die Extraktionsvorrichtung, um aus dem Aerosolstrom die Ionen und geladenen Partikel zu entfernen, deren elektrische Beweglichkeiten größer als ein Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit ist, Erzeugen eines elektrischen Signals proportional zu einer Gesamtladung der im Aerosol vorhandenen geladenen Partikel an einer zweiten Position unterhalb der ersten Position, um dadurch eine Konzentrationsindikation zu liefern, die sich entsprechend dem Schwellenwert der elektrischen Beweglichkeit ändert, und Einstellen der Vorspannung zur selektiven Änderung des Schwellenwerts der elektrischen Beweglichkeit.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend: selektives Verändern einer radialen Stärke eines elektrischen Felds entlang der Extraktionsvorrichtung in einer axialen Fließrichtung.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß: die Extraktionsvorrichtung ein elektrisch leitfähiges Extraktionselement und eine das Extraktionselement umgebende elektrisch leitfähige rohrförmige Wand umfaßt und das selektive Verändern der Stärke des elektrischen Felds mindestens entweder (I) das Liefern des Extraktionselements in einer zum Variieren des radialen Zwischenraums zwischen dem Extraktionselement und der rohrförmigen Wand in der Fließrichtung gewählten Form oder (II) das Liefern einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Abschnitten, die axial im Abstand zueinander angeordnet und elektrisch voneinander isoliert sind, und das Anlegen elektrischer Vorspannungen unterschiedlicher Spannungspegel an diese Abschnitte umfaßt.
Verfahren zur nicht-invasiven Beurteilung der Belastung einer Person mit Nanopartikeln in einem Umfeld, umfassend: Erzeugen eines Aerosolstroms zur Beprobung eines Umfelds, Bereitstellen entlang des Aerosolstroms: (I) einer elektrischen Ladevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Ionen mit dem Aerosolstrom zu vereinigen, um eine unipolare Ladung von Partikeln im Aerosolstrom zu bewirken, (II) einer Ionenextraktionsvorrichtung unterhalb der Ladevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, elektrostatisch überschüssige Ionen und andere Elemente größerer elektrischer Beweglichkeit aus dem Aerosolstrom zu entfernen, und (III) einer auf Ladung ansprechenden Vorrichtung unterhalb der Ionenextraktionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal proportional zu einer Gesamtladung der Partikel zu erzeugen und dadurch eine Konzentrationsindikation zu liefern, Auswählen einer Nanopartikelablagerungsfunktion basierend auf einem Faktor, der ausgewählt ist aus der Faktorengruppe bestehend aus: Bereiche innerhalb des Atmungssystems, Personentypen und Niveaus körperlicher Aktivität, und Einstellen eines Betriebsparameters entweder der Ladevorrichtung, der Extraktionsvorrichtung oder der auf Ladung ansprechenden Vorrichtung entsprechend der gewählten Nanopartikelablagerungsfunktion, um die Konzentrationsindikation in Richtung genauerer Übereinstimmung mit der ausgewählten Nanopartikelablagerungsfunktion zu ändern.