EP2108456B1 - Dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée - Google Patents

Dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée Download PDF

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EP2108456B1
EP2108456B1 EP09005243.2A EP09005243A EP2108456B1 EP 2108456 B1 EP2108456 B1 EP 2108456B1 EP 09005243 A EP09005243 A EP 09005243A EP 2108456 B1 EP2108456 B1 EP 2108456B1
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EP
European Patent Office
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particles
side wall
recovery unit
droplet recovery
droplets
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EP09005243.2A
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EP2108456A1 (fr
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Patrick Pouteau
Jean-Luc Achard
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/45—Collecting-electrodes
    • B03C3/455—Collecting-electrodes specially adapted for heat exchange with the gas stream
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03C3/02—Plant or installations having external electricity supply
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/45—Collecting-electrodes
    • B03C3/49—Collecting-electrodes tubular

Definitions

  • the present invention relates to a device for extracting particles from exhaled breath, and more particularly to an electrostatic precipitator for the electrostatic collection of particles carried by exhaled breath.
  • An electrostatic precipitator is an apparatus designed to extract particles from a gas, such as air, using the electrostatic forces produced by an electric field through which these particles pass.
  • the electric field which is high (several tens of kV per cm) and non-uniform, is induced by two electrodes.
  • an electric discharge is created within a pocket of less than one millimeter of ionized gas surrounding one of the electrodes, typically in the form of a tip or wire, brought to a high potential negative or positive, a phenomenon called crown effect.
  • the gas pocket is spherical in the case of a point, and cylindrical in the case of a wire.
  • ionic wind a flow of ions, called ionic wind, sweeps the majority of the inter-electrode space. It covers the particles that are then charged. Sensitive to Coulomb forces, they are driven on the cylindrical or planar counter electrode, grounded.
  • some electrofilters previously mix the air containing the particles to be collected with water vapor introduced either in the form of droplets or in the form of dry vapor into a unit. upstream of the collection unit.
  • the first case is that of water spray cleaners in which the droplets collect the particles.
  • This type of electrofilter is commercially available, as for example from Wheelabrator Air Pollution Control Inc.
  • the capture of particles results from the fact that they move with the speed of the gas while the droplets have a relative speed with respect to the gas, which can be controlled by different mechanisms, such as for example gravity, inertia and turbulence
  • to the previous collection mechanisms is added that related to nucleation.
  • the US 2005/0137491 A1 describes a device for extracting particles from the exhaled breath, said device comprising a dry electrofilter.
  • the WO 2007/012447 A1 discloses an air / water extraction device by semi-wet electrostatic collection which allows portable applications and efficient collection of submicron particles suspended in the air.
  • This device comprises a chamber provided with an inlet for an air and aerosol mixture to be cleaned which contains liquid or solid particles, said chamber containing a discharge electrode and a counter-electrode.
  • a pump drives the air and aerosol mixture through the device.
  • the discharge electrode is designed to create an ion flux from an ionized gas pocket surrounding this electrode.
  • the counter electrode may be provided with a cooling system for accelerating the condensation of water vapor around the solid particles thus trapped in droplets.
  • the device of the WO 2007/012447 A1 includes an outlet for cleaned air and a steam inlet tube for introducing steam into a space between the discharge electrode and the counter electrode to form a vapor jacket surrounding the discharge electrode over its entire length.
  • a steam inlet tube for introducing steam into a space between the discharge electrode and the counter electrode to form a vapor jacket surrounding the discharge electrode over its entire length.
  • droplets form and encapsulate the particles.
  • the steam is introduced through a nozzle at the end of the tube in the space between the electrodes and is worked in an unsaturated atmosphere. It is only at the end of the vapor sheath that the droplets form.
  • Steam is generated by a steam generator with a water tank and a heater to produce steam from the water.
  • the tank is located upstream of the chamber and the discharge electrode is preferably located in the axis of the tube.
  • electrofilters described above are not suitable for use allowing an electrostatic collection of particles carried by breath expired in a portable microsystem.
  • the present invention aims to provide a device compatible with portable use and allowing the extraction of particles of expired breath while having a reduced energy consumption. More particularly, this invention aims to provide a device for the electrostatic collection of pathogens carried by breath expired for subsequent analysis.
  • a device for extracting particles from the exhaled breath comprising a cooling system for creating droplets by condensation of the water vapor contained in the exhaled breath, a droplet recuperator provided with a side wall having a meshed and convergent shape to a flow port, allowing the droplets attracted to said sidewall to flow therealong toward the flow port, and a discharge electrode mounted to the interior of the droplet collector, said sidewall of said droplet collector defining a counter electrode to said discharge electrode for attracting droplets collecting exhaled breath-borne particles to said sidewall.
  • the side wall of the droplet collector comprises a plurality of conductive strips.
  • the conductive lamellae converge towards the flow orifice and are preferably made of metal.
  • the conductive strips are spaced from each other in order to perform the roasting function.
  • the meshed shape allows the exhaled breath to leave the droplet recuperator without constraint.
  • the exhaled breath can freely exit said droplet recuperator without interfering with the process of collecting droplets capturing particles carried by the expired breath.
  • said droplet recuperator is made in the form of a cone having a tip comprising said flow orifice.
  • the conductive strips are carried by the generatrices of the cone defining the droplet collector.
  • the conductive lamellae are carried downstream by the tip of the cone and upstream by the base of the cone.
  • the cone shape advantageously allows the adaptation of the droplet collector for use in a portable system.
  • the discharge electrode can be made as a tip or a wire.
  • the inner side of the side wall of the droplet collector is preferably made hydrophilic by a surface treatment. This treatment may be a silicon oxide deposit.
  • the inner side of the sidewall of the droplet collector may also be grooved. Its outer side is preferably rendered hydrophobic by a surface treatment.
  • the cooling system preferably comprises a chamber having an inner wall, said inner wall being rendered hydrophobic by a surface treatment. Said droplet recuperator is connected downstream of this cooling system.
  • said droplet recuperator is connected to a fluidic microsystem for analyzing the particles, collected by means of the droplets that have flowed along the side wall of said recuperator droplets towards its flow orifice.
  • the particles collected are pathogens.
  • pathogens carried by exhaled breath can quickly and efficiently be collected and analyzed by a portable system.
  • the object of the present invention is also achieved by a system for analyzing particles extracted from exhaled breath, comprising a device for collecting expired breath particles and a fluidic microsystem for analyzing the collected particles.
  • the device for collecting expired breath particles includes a cooling system for creating droplets by condensing the water vapor contained in the exhaled breath; a droplet recuperator having a sidewall having a mesh shape and converging toward a flow port allowing the droplets attracted to said sidewall to flow therealong toward the flow port; and a discharge electrode mounted within the droplet recuperator, said side wall of said droplet collector defining a counter electrode to said discharge electrode for attracting droplets collecting exhaled breath-borne particles to said sidewall.
  • the fluidic microsystem for analyzing the collected particles is connected to said device for collecting the particles of exhaled breath at said flow orifice.
  • an electrostatic precipitator for the electrostatic collection of exhaled breath particles comprising a droplet recuperator provided with a side wall having a shape meshed and convergent to a flow port allowing droplets attracted to said sidewall to flow therealong toward the flow port; and a discharge electrode mounted within the droplet recuperator, said side wall of said droplet collector defining a counter electrode to said discharge electrode for attracting droplets collecting exhaled breath-borne particles to said sidewall.
  • the Fig. 1 illustrates by way of example a system 10 for the analysis of particles extracted from exhaled breath according to the present invention.
  • Exhaled breath is normally loaded with water vapor and may contain particles, including pathogens such as viruses, bacteria, cells, antibodies, antigens, nucleic acids or other, that one would like to analyze.
  • the system 10 comprises a device 30 for collecting expired breath particles and a fluidic microsystem for analyzing the collected particles 20.
  • the device 30 comprises a cooling system 16 and a droplet recuperator 7 defining an electrostatic precipitator. These are represented in the Fig. 1 by being transparent, for illustration.
  • the cooling system 16 comprises a chamber 18 having an inner wall 19 which is here, for the illustration, of cylindrical shape. According to a preferred embodiment, the cooling system 16 is positioned upstream of the droplet collector 7 and connected by a connection tight to it. The cooling system 16 is able to cool the water vapor contained in the exhaled breath to obtain droplets by the condensation of water vapor. For the illustration, the expired breath is conveyed to the chamber 18 by a tip 3.
  • the particular position and embodiment of the cooling system 16 are not limited to those illustrated in FIG. Fig. 1 , as long as it allows to cool the water vapor contained in the exhaled breath to obtain droplets by condensation.
  • the cooling system 16 and the droplet collector 7 can be combined so that the water vapor contained in the exhaled breath is only cooled from its arrival in the droplet collector 7.
  • the recuperator droplet 7 may be cooled itself, for example by contact and conduction with the cooling system 16.
  • different embodiments are possible and generally contemplated.
  • the droplet collector 7 has a side wall 2 which preferably defines a convergent shape towards a flow orifice 9 provided at its lower tip 8.
  • the side wall 2 has an inner side 4 and an outer side 5.
  • the droplet collector 7 is advantageously of meshed form.
  • a discharge electrode 1 which is capable of creating a flow of ions from a pocket of ionized gas surrounding the discharge electrode 1.
  • the side wall 2 defines a counter electrode to the discharge electrode 1.
  • droplets capable of collecting particles carried by the breath are expired are carried by the flow of ions from the location of the discharge electrode 1 to the side wall 2 of the droplet collector 7.
  • these droplets capture particles to collect and take them to the side wall 2 or the droplets with the captured particles form a liquid film 6 flowing along the side wall 2 to and through the flow port 9 in the microsystem 20.
  • the flow orifice 9 is adapted to a respective inlet of the microsystem 20. This is connected to the device 30, for example by gluing, to recover the collected particles.
  • the microsystem 20 comprises a silicon substrate 21 having fluidic chambers and channels, such as the chambers 22, 23 and the channel 24. These can be generated by conventional silicon photolithography and etching techniques on or in the upper face of the substrate 21. According to the need or the analysis protocol of a respective sample to be collected via the device 30, the fluidic chambers 22, 23 and the channel 24 can be provided with a depth of the order of 10 to 500 ⁇ m.
  • the fluidic part of the microsystem 20 is sealed by assembling above the substrate 21 a silica wafer 40 pierced with holes serving as input-output of the microsystem 20.
  • the silica wafer 40 may alternatively be made of glass, plastic or any other material making the microsystem 20 waterproof.
  • the assembly of the wafer 40 and the substrate 21 can be made irreversible by a deposit of adhesive on the substrate 21 around the fluidic parts of the component, that is to say around the chambers 22, 23 and the channel 24. This glue deposit is made for example by screen printing of glue. A suitable process is described in the patent FR 2,856,047 .
  • microsystems 20 can be assembled on a single wafer as described above.
  • This wafer can be cut into individual components by cutting with a saw adapted.
  • the Fig. 2 shows the device 30 for collecting particles from the exhaled breath of the Fig. 1 in enlarged sectional view.
  • the chamber 18 of the cooling system 16 is made hermetic with respect to the nozzle 3 by means of a seal 17 and the discharge electrode 1 is a tip 15.
  • the discharge electrode 1 can be made as a wire, especially a polarized wire.
  • a wire will generate a larger discharge area than tip 15, since the corresponding discharge zone would be around the entire length of the wire, thus allowing collection of the expired breath particles.
  • a discharge voltage of 10 KV could be applied to a wire having a diameter of 50 ⁇ m in order to create a suitable discharge zone. This voltage can be increased for a wire having a larger diameter. It can be decreased for a wire having a smaller diameter, for example a wire having a diameter of 10 microns.
  • the wire is made of a mechanically resistant conductive material, such as for example tungsten.
  • the material used is also weldable, such as copper.
  • Such a wire will preferably be positioned parallel to the axis of the droplet collector 7, preferably parallel to its central axis, and fixed by support means in its position, said support means being for example pressed against the side 4 inside the side wall 2 and joining the ends of the wire to it without hindering the flow of collected droplets.
  • the droplet collector 7 of the device 30 is of meshed form.
  • Its side wall 2 comprises, for example, a plurality of conductive strips 34 converging towards the flow orifice 9. These are preferably interconnected by struts 37, and spaced apart from gaps 35.
  • the conductive strips 34 define a counter-electrode to the discharge electrode 1 and are preferably made of metal.
  • the interstices 35 are oversized to clarify their realization. Nevertheless, it is necessary to make the interstices 35 so that the droplets carried to the side wall 2 can flow to the flow orifice 9 along the side wall 2 without constraint and that the exhaled breath, that is to say any non-condensable gas, can exit the recuperator of droplets 7 without constraint.
  • the Fig. 3 shows the droplet collector 7 of the Fig. 1 in enlarged perspective view. This clarifies the meshed form of the recuperator 7 with the conductive lamellae 34, the interstices 35 and the struts 37. Only a portion of the conductive lamellae 34 and interstices 35 have been designated by identification references for the sake of clarity of the invention. representation.
  • the droplet collector 7 is preferably conically shaped with a base 32 and the tip 8 having the flow orifice 9.
  • the conical shape of the recuperator 7 is defined by the generatrices of the cone carrying the conductive strips 34.
  • the conductive strips 34 represent generatrices of the cone and are then carried downstream by the tip 8 of the cone and upstream by its base 32, that is to say by the downstream portion of the cooling system 16 of the Fig. 2 .
  • the above-mentioned embodiment of the droplet collector 7, and in particular its conical shape, has the advantage of constituting on its inner side 4 a surface, which is not arranged parallel to the expired breath and therefore to the trajectory of the particles. conveyed by it.
  • This surface and the meshed form of the droplet collector 7 then promote the passage of particles in the vicinity of at least one of the conductive strips 34, thereby increasing the collection efficiency of the droplet collector 7, unlike a structure disposed parallel to the trajectory of the particles carried by the expired breath.
  • conductive lamellae 34 may be made in a circular, spiral, chevron or other shape as long as the functionality described in the context of the present invention is ensured. Thus, all these different modes of execution are contemplated.
  • the droplet collector 7 illustrated in FIG. Fig. 3 comprises a plurality of struts 37 as an example. Nevertheless, according to a preferred embodiment the conductive strips 34 are held only by a first strut provided near the base 32 and a second strut provided near the tip 8 of the droplet collector 7, preferably starting from the lower end. of the last. In other words, the number and the location of the struts 37, which serve essentially to maintain the structure of the cone chosen to produce the recuperator 7, can be modified without changing the functionality of the droplet collector 7.
  • a suitable size cone of stamped aluminum alloy can be used.
  • lateral discharge slots defining the interstices 35 as well as the flow orifice 9 at the tip 8 of the cone are made by laser cutting.
  • the Fig. 4 illustrates the principle of operation of the device 30 of the Fig.1 according to the present invention.
  • the expired breath 60 is conveyed to the cooling system 16 by the nozzle 3.
  • the expired breath 60 is charged with steam and contains particles to collect 66.
  • the exhaled breath 60 is cooled to obtain condensation water vapor droplets.
  • These droplets are carried to the side wall 2 of the droplet collector 7 by a flow of ions generated from an ionized gas bag 50 surrounding the tip 15 of the discharge electrode 1.
  • the droplets obtained capture particles 66 and take them to the side wall 2.
  • the droplets form a liquid film 6 flowing along the side wall 2 to the flow orifice 9.
  • the operation of an electrostatic precipitator as defined by the device 30 is generally known. by those skilled in the art, a more detailed description is omitted here.
  • the inner side 4 of the side wall 2 of the droplet collector 7 can be rendered hydrophilic by a surface treatment, for example by a silicon oxide (SiO 2 ) deposit.
  • the inner side 4 can also be structured by grooving oriented in the direction of flow of the droplets, the grooving helping to channel the flow.
  • its outer side 5 can be rendered hydrophobic by a surface treatment.
  • the inner wall 19 of its chamber 18 can also be rendered hydrophobic by a surface treatment.

Landscapes

  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée, et plus particulièrement un électrofiltre pour la collection électrostatique de particules véhiculées par l'haleine expirée.
  • Un électrofiltre (ESP, electrostatic precipitator ou ESP en anglais) est un appareil conçu pour extraire des particules d'un gaz, tel que l'air, en utilisant les forces électrostatiques produites par un champ électrique que traversent ces particules. Le champ électrique, qui est élevé (plusieurs dizaines de kV par cm) et non uniforme, est induit par deux électrodes. Dans un tel électrofiltre, une décharge électrique se crée au sein d'une poche de moins d'un millimètre de gaz ionisée entourant une des électrodes, typiquement en forme de pointe ou de fil, portée à un potentiel élevé négatif ou positif, phénomène appelé effet couronne. La poche de gaz est sphérique dans le cas d'une pointe, et cylindrique dans le cas d'un fil. Issu de cette poche, un flux d'ions, appelé vent ionique, balaie la majorité de l'espace inter-électrodes. Il revêt les particules qui se trouvent alors chargées. Sensibles aux forces de Coulomb, elles sont entraînées sur la contre électrode cylindrique ou planaire, portée à la masse.
  • L'efficacité d'un électrofiltre est remarquable pour toutes tailles de particules ayant un minimum généralement en-dessous du micron. On peut trouver des appareils fonctionnant selon ce principe dans le commerce (par exemple chez United Air Specialists, Inc.). Leurs avantages sont la compacité et un rendement d'environ 1 pour les particules plus grandes que le micron. Le principal inconvénient de ces systèmes est le rendement médiocre en ce qui concerne la collecte des particules submicroniques.
  • Pour améliorer le rendement des électrofiltres dans la collecte des particules submicroniques, certains électrofiltres mélangent préalablement l'air contenant les particules à collectionner avec de la vapeur d'eau introduite soit sous forme de gouttelettes, soit sous forme de vapeur sèche, dans une unité en amont de l'unité de collection. Le premier cas est celui des nettoyeurs à pulvérisation d'eau dans lesquels les gouttelettes collectent les particules. Ce genre d'électrofiltre existe dans le commerce, comme par exemple chez Wheelabrator Air Pollution Control Inc. Le captage des particules résulte du fait qu'elles se déplacent avec la vitesse du gaz tandis que les gouttelettes possèdent une vitesse relative par rapport au gaz, qui peut être pilotée par différents mécanismes, tels que par exemple la gravité, l'inertie et la turbulence Dans le second cas, aux mécanismes de collection précédents s'ajoute celui lié a la nucléation. Si la vapeur injectée voit sa température dans la zone de vent ionique baisser suffisamment en dessous de la température de saturation de la vapeur, alors cette dernière se condense autour des particules qui se comportent comme des sites de nucléation. La taille des gouttelettes susceptibles de transporter des petites particules est ainsi augmentée par condensation et les petites particules sont ainsi rendues plus sensibles au champ électrique. Dans les deux cas, bien que permettant la collecte des petites particules avec un rendement satisfaisant, ces électrofiltres sont destinés à une utilisation industrielle et peuvent nécessiter dans le premier cas des quantités d'eau très importantes (plusieurs dizaines de litres par heure). Ils ne conviennent donc pas aux applications portables.
  • La US 2005/0137491 A1 décrit un dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée ledit dispositif comprenant un électrofiltre sec.
  • La WO 2007/012447 A1 décrit un dispositif d'extraction air/eau par collection électrostatique semi-humide qui permet des applications portables et la collecte efficace des particules submicroniques en suspension dans l'air. Ce dispositif comprend une chambre pourvue d'une entrée pour un mélange air et aérosol à nettoyer qui contient des particules liquides ou solides, ladite chambre contenant une électrode de décharge et une contre électrode. Une pompe entraîne le mélange air et aérosol à travers le dispositif. L'électrode de décharge est conçue pour créer un flux d'ions à partir d'une poche de gaz ionisée entourant cette électrode. La contre électrode peut être munie d'un système de refroidissement servant à accélérer la condensation de la vapeur d'eau autour des particules solides se trouvant ainsi piégées dans des gouttelettes.
  • Le dispositif de la WO 2007/012447 A1 comporte une sortie pour l'air nettoyé et un tube d'arrivée de vapeur permettant d'introduire de la vapeur dans un espace entre l'électrode de décharge et la contre électrode de manière à former une gaine de vapeur entourant l'électrode de décharge sur toute sa longueur. A la limite de la gaine de vapeur d'eau, des gouttelettes se forment et encapsulent les particules. Lorsque ces gouttelettes sont amenées vers la contre électrode, elles entraînent avec elles toutes les particules qu'elles rencontrent. Tout d'abord, la vapeur est introduite par une buse à l'extrémité du tube dans l'espace entre les électrodes et on travaille dans une atmosphère non-saturée. Ce n'est qu'à l'extrémité de la gaine de vapeur que les gouttelettes se forment. La vapeur est générée par un générateur de vapeur d'eau comportant un réservoir d'eau et un chauffage pour produire la vapeur à partir de l'eau. Le réservoir est situé en amont de la chambre et l'électrode de décharge est préférablement située dans l'axe du tube.
  • Plus généralement, par leurs tailles respectives, les électrofiltres décrits ci-dessus ne sont pas adaptés à un usage permettant une collection électrostatique de particules véhiculées par l'haleine expirée dans un microsystème portable.
  • La présente invention a pour but de proposer un dispositif compatible avec une utilisation portable et permettant l'extraction de particules de l'haleine expirée tout en ayant une consommation en énergie réduite. Plus particulièrement, cette invention a pour but de proposer un dispositif pour la collection électrostatique de pathogènes véhiculées par l'haleine expirée en vue d'une analyse subséquente.
  • Ce but est atteint par un système pour l'analyse de particules extraites de l'haleine expirée, par un dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée, et par un électrofiltre pour la collection électrostatique de particules véhiculées par l'haleine expirée présentant les caractéristiques des revendications indépendantes.
  • Plus particulièrement, ce but est atteint par un dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée, comportant un système de refroidissement pour créer des gouttelettes par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée, un récupérateur de gouttelettes pourvu d'une paroi latérale ayant une forme grillagée et convergente vers un orifice d'écoulement, permettant aux gouttelettes attirées vers ladite paroi latérale de couler le long de celle-ci vers l'orifice d'écoulement, et une électrode de décharge montée à l'intérieur du récupérateur de gouttelettes, ladite paroi latérale du dit récupérateur de gouttelettes définissant une contre électrode à ladite électrode de décharge pour attirer des gouttelettes collectant des particules véhiculées par l'haleine expirée vers ladite paroi latérale.
  • Ainsi, un dispositif permettant l'extraction de particules de l'haleine expirée compatible avec une utilisation portable tout en ayant une consommation en énergie réduite peut être réalisé.
  • Selon un mode d'exécution préféré, la paroi latérale du récupérateur de gouttelettes comporte une pluralité de lamelles conductrices. Les lamelles conductrices convergent vers l'orifice d'écoulement et sont préférablement réalisées en métal. De préférence, les lamelles conductrices sont espacées les unes des autres afin de réaliser la fonction de grillage.
  • La forme grillagée permet de laisser l'haleine expirée sortir du récupérateur de gouttelettes sans contrainte. Ainsi, l'haleine expirée peut librement sortir du dit récupérateur de gouttelettes sans interférer avec le processus de collecte des gouttelettes capturant des particules véhiculées par l'haleine expirée.
  • Selon un mode d'exécution préféré, ledit récupérateur de gouttelettes est réalisé en forme de cône ayant une pointe comportant ledit orifice d'écoulement. Les lamelles conductrices sont portées par les génératrices du cône définissant le récupérateur de gouttelettes. Autrement dit, les lamelles conductrices sont portées vers l'aval par la pointe du cône et vers l'amont par la base du cône.
  • La forme de cône permet avantageusement l'adaptation du récupérateur de gouttelettes pour une utilisation dans un système portable.
  • L'électrode de décharge peut être réalisée comme une pointe ou un fil. Le côté intérieur de la paroi latérale du récupérateur de gouttelettes est préférablement rendu hydrophile par un traitement de surface. Ce traitement peut être un dépôt d'oxyde de silicium. Le côté intérieur de la paroi latérale du récupérateur de gouttelettes peut également être rainuré. Son côté extérieur est préférablement rendu hydrophobe par un traitement de surface.
  • Ainsi, l'écoulement des gouttelettes collectant les particules véhiculées par l'haleine expirée le long de la paroi latérale du récupérateur de gouttelettes vers l'orifice d'écoulement de ce dernier est amélioré.
  • Le système de refroidissement comporte préférablement une chambre ayant une paroi intérieure, ladite paroi intérieure étant rendue hydrophobe par un traitement de surface. Ledit récupérateur de gouttelettes est connecté en aval de ce système de refroidissement.
  • Ainsi, l'écoulement des gouttelettes créées par la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée le long de la paroi intérieure de ladite chambre du système de refroidissement vers la paroi latérale du récupérateur de gouttelettes est amélioré.
  • Selon un mode d'exécution préféré, ledit récupérateur de gouttelettes est connecté à un microsystème fluidique d'analyse des particules, collectées au moyen des gouttelettes ayant coulé le long de la paroi latérale du dit récupérateur de gouttelettes vers son orifice d'écoulement. Préférablement, les particules collectées sont des pathogènes.
  • Ainsi, des pathogènes véhiculés par l'haleine expirée peuvent rapidement et efficacement être collectés et analysés par un système portable.
  • Le but de la présente invention est également atteint par un système pour l'analyse de particules extraites de l'haleine expirée, comportant un dispositif pour collecter des particules de l'haleine expirée et un microsystème fluidique d'analyse des particules collectées. Le dispositif pour collecter des particules de l'haleine expirée comporte un système de refroidissement pour créer des gouttelettes par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée; un récupérateur de gouttelettes pourvu d'une paroi latérale ayant une forme grillagée et convergente vers un orifice d'écoulement permettant aux gouttelettes attirées vers ladite paroi latérale de couler le long de celle-ci vers l'orifice d'écoulement; et une électrode de décharge montée à l'intérieur du récupérateur de gouttelettes, ladite paroi latérale du dit récupérateur de gouttelettes définissant une contre électrode à ladite électrode de décharge pour attirer des gouttelettes collectant des particules véhiculées par l'haleine expirée vers ladite paroi latérale. Le microsystème fluidique d'analyse des particules collectées est connecté au dit dispositif pour collecter les particules de l'haleine expirée au niveau du dit orifice d'écoulement.
  • Le but de la présente invention est également atteint par un électrofiltre pour la collection électrostatique de particules véhiculées par l'haleine expirée, comportant un récupérateur de gouttelettes pourvu d'une paroi latérale ayant une forme grillagée et convergente vers un orifice d'écoulement permettant aux gouttelettes attirées vers ladite paroi latérale de couler le long de celle-ci, vers l'orifice d'écoulement; et une électrode de décharge montée à l'intérieur du récupérateur de gouttelettes, ladite paroi latérale du dit récupérateur de gouttelettes définissant une contre électrode à ladite électrode de décharge pour attirer des gouttelettes collectant des particules véhiculées par l'haleine expirée vers ladite paroi latérale.
  • Les détails de réalisation ainsi que les avantages du dispositif et de l'électrofiltre selon l'invention ressortiront de la description détaillée suivante d'une forme d'exécution donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexés qui montrent schématiquement:
    • Fig. 1 une vue en perspective d'un système pour l'analyse de particules extraites de l'haleine expirée selon la présente invention,
    • Fig. 2 une vue agrandie en coupe d'un électrofiltre pour la collection électrostatique de particules véhiculées par l'haleine expirée selon la présente invention,
    • Fig. 3 une vue agrandie en perspective du cône de l'électrofiltre de la Fig. 2, et
    • Fig. 4 une vue agrandie en coupe de l'électrofiltre de la Fig. 2 illustrant son principe de fonctionnement selon la présente invention.
  • Dans la description détaillée suivante des dessins annexés, les éléments identiques sont désignés par des références d'identification identiques. De manière générale, ces éléments et leurs fonctionnalités sont décrits une seule fois pour raisons de brièveté afin d'éviter des répétitions. Les termes tels que «à gauche», «à droite», «en haut», «en bas», «inférieur», «supérieur», «devant» ou «derrière» peuvent être utilisés dans la description des dessins annexés. Ces termes font généralement référence à un emplacement particulier d'un composant dans une figure associée, qui peut varier d'une figure à une autre.
  • La Fig. 1 illustre à titre d'exemple un système 10 pour l'analyse de particules extraites de l'haleine expirée selon la présente invention. L'haleine expirée est normalement chargée de vapeur d'eau et peut contenir des particules, dont des pathogènes tels que virus, bactéries, cellules, anticorps, antigènes, acides nucléiques ou autre, que l'on voudrait analyser.
  • Selon un mode d'exécution préféré, le système 10 comporte un dispositif 30 pour collecter des particules de l'haleine expirée et un microsystème fluidique d'analyse des particules collectées 20. Le dispositif 30 comporte un système de refroidissement 16 et un récupérateur de gouttelettes 7 définissant un électrofiltre. Ceux-ci sont représentés dans la Fig. 1 en étant transparents, pour l'illustration.
  • Le système de refroidissement 16 comprend une chambre 18 ayant une paroi intérieure 19 qui est ici, pour l'illustration, de forme cylindrique. Selon un mode d'exécution préféré, le système de refroidissement 16 est positionné en amont du récupérateur de gouttelettes 7 et relié par une connexion étanche à celui-ci. Le système de refroidissement 16 est susceptible de refroidir la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée afin d'obtenir des gouttelettes par la condensation de la vapeur d'eau. Pour l'illustration, l'haleine expirée est acheminée vers la chambre 18 par un embout 3.
  • Néanmoins, il faut noter que la position et la réalisation particulières du système de refroidissement 16 ne soient pas limitées à celles illustrées dans la Fig. 1, tant que ce dernier permet de refroidir la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée afin d obtenir des gouttelettes par condensation. Par exemple, le système de refroidissement 16 et le récupérateur de gouttelettes 7 peuvent être combinés de manière que la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée est seulement refroidie à partir de son arrivée dans le récupérateur de gouttelettes 7. Alternativement, le récupérateur de gouttelettes 7 peut être refroidi lui-même, par exemple par contact et conduction avec le système de refroidissement 16. Ainsi, différents modes d'exécution sont envisageables et généralement contemplés.
  • Comme montre la Fig. 1, le récupérateur de gouttelettes 7 a une paroi latérale 2 qui définit préférablement une forme convergente vers un orifice d'écoulement 9 prévu à sa pointe inférieure 8. La paroi latérale 2 a un côté intérieur 4 et un côté extérieur 5. Comme décrit ci-dessous en faisant référence aux Figures 2 à 4, le récupérateur de gouttelettes 7 est avantageusement de forme grillagée.
  • A l'intérieur du récupérateur de gouttelettes 7 est montée une électrode de décharge 1 qui est susceptible de créer un flux d'ions à partir d'une poche de gaz ionisée entourant l'électrode de décharge 1. Pour permettre la création d'un tel flux d'ions, la paroi latérale 2 définit une contre électrode à l'électrode de décharge 1. Ainsi, des gouttelettes susceptibles de collecter des particules véhiculées par l'haleine expirée sont emportées par le flux d'ions de l'endroit de l'électrode de décharge 1 vers la paroi latérale 2 du récupérateur de gouttelettes 7. Pendant leur trajet, ces gouttelettes capturent des particules à collecter et les emmènent vers la paroi latérale 2, ou les gouttelettes avec les particules capturées forment un film liquide 6 qui coule le long de la paroi latérale 2 vers l'orifice d'écoulement 9 et à travers celui-ci dans le microsystème 20.
  • Selon un mode d'exécution préféré, l'orifice d'écoulement 9 est adapté à une entrée respective du microsystème 20. Celui-ci est connecté au dispositif 30, par exemple par collage, pour récupérer les particules collectées.
  • Le microsystème 20 comporte un substrat de silicium 21 ayant des chambres fluidiques et des canaux, tel que les chambres 22, 23 et le canal 24. Ceux-ci peuvent être générés par des techniques de photolithographie et de gravure classique du silicium sur ou dans la face supérieure du substrat 21. Suivant le besoin ou le protocole d'analyse d'un échantillon respectif à collecter par le biais du dispositif 30, les chambres fluidiques 22, 23 et le canal 24 peuvent être prévus avec une profondeur de l'ordre de 10 à 500µm.
  • La partie fluidique du microsystème 20 est rendue étanche en assemblant au dessus du substrat 21 un wafer de silice 40 percé de trous servant d'entrée-sortie du microsystème 20. Le wafer de silice 40 peut alternativement être réalisé en verre, plastique ou tout autre matériau permettant de rendre le microsystème 20 étanche. L'assemblage du wafer 40 et du substrat 21 peut être rendu irréversible par un dépôt de colle sur le substrat 21 autour des parties fluidiques du composant, c'est-à-dire autour des chambres 22, 23 et du canal 24. Ce dépôt de colle est réalisé par exemple par sérigraphie de colle. Un procédé adapté est décrit dans le brevet FR 2 856 047 .
  • Ainsi, de multiples microsystèmes 20 peuvent être assemblés sur un seul wafer comme décrit ci-dessus. L'assemblage ainsi achevé, ce wafer peut être découpé en composants individuels par découpe avec une scie adaptée.
  • Néanmoins, il faut noter que la réalisation de microsystèmes fluidiques adaptés à l'analyse de particules collectées de l'haleine expirée soit connue par l'homme du métier. Ainsi, une description plus détaillée du microsystème 20 et de son fonctionnement sont omis par souci de brièveté.
  • La Fig. 2 montre le dispositif 30 pour collecter des particules de l'haleine expirée de la Fig. 1 en vue agrandie en coupe. Comme montre la Fig. 2, la chambre 18 du système de refroidissement 16 est rendue hermétique par rapport à l'embout 3 au moyen d'un joint 17 et l'électrode de décharge 1 est une pointe 15.
  • Alternativement, l'électrode de décharge 1 peut être réalisée comme un fil, notamment un fil polarisé. Un tel fil permettra d'engendrer une zone de décharge plus étendue que la pointe 15, car la zone de décharge correspondante se situerait autour de toute la longueur du fil, permettant ainsi la collection des particules de l'haleine expirée. A titre d'exemple, une tension de décharge de 10 KV pourrait être appliquée à un fil possédant un diamètre de 50µm afin de créer une zone de décharge convenable. Cette tension peut être augmentée pour un fil ayant un diamètre supérieur. Elle peut être diminuée pour un fil ayant un diamètre inférieur, par exemple un fil ayant un diamètre de 10 microns.
  • Selon un mode d'exécution, le fil est réalisé en un matériau conducteur résistant mécaniquement, comme par exemple le tungstène. Préférablement, le matériau utilisé est également soudable, comme par exemple le cuivre. Un tel fil sera de préférence positionné parallèlement à l'axe du récupérateur de gouttelettes 7, préférablement parallèlement à son axe central, et fixé par des moyens de support dans sa position, lesdits moyens de support étant à titre d'exemple appuyés contre le côté intérieur 4 de la paroi latérale 2 et joignant les extrémités du fil à celle-ci sans pour autant gêner l'écoulement des gouttelettes collectionnées. Selon un mode d'exécution, trois supports coplanaires espacés d'approximativement 60° les uns par rapport aux autres, constituant ainsi un support en forme d'étoile, sert de moyen de support à chaque extrémité du fil.
  • Comme mentionné ci-dessus, selon un mode d'exécution préféré le récupérateur de gouttelettes 7 du dispositif 30 est de forme grillagée. Sa paroi latérale 2 comporte par exemple une pluralité de lamelles conductrices 34 convergentes vers l'orifice d'écoulement 9. Celles-ci sont préférablement interconnectées par des contrefiches 37, et espacées d'interstices 35. Les lamelles conductrices 34 définissent une contre électrode à l'électrode de décharge 1 et sont, de préférence, réalisées en métal.
  • Les interstices 35 sont représentés de manière surdimensionnée afin de clarifier leur réalisation. Néanmoins, il convient de réaliser les interstices 35 de façon à ce que les gouttelettes emportées vers la paroi latérale 2 puissent s'écouler vers l'orifice d'écoulement 9 le long de la paroi latérale 2 sans contrainte et que l'haleine expirée, c'est-à-dire tout gaz non condensable, puisse sortir du récupérateur de gouttelettes 7 sans contrainte.
  • La Fig. 3 montre le récupérateur de gouttelettes 7 de la Fig. 1 en vue agrandie en perspective. Celle-ci explicite la forme grillagée du récupérateur 7 avec les lamelles conductrices 34, les interstices 35 et les contrefiches 37. Une partie seulement des lamelles conductrices 34 et des interstices 35 a été désignée par des références d'identification par souci de clarté de la représentation.
  • Comme montre la Fig. 3, le récupérateur de gouttelettes 7 est préférablement réalisé en forme de cône avec une base 32 et la pointe 8 comportant l'orifice d'écoulement 9. La forme conique du récupérateur 7 est définie par les génératrices du cône portant les lamelles conductrices 34. Dans l'exemple illustré dans la Fig. 3, les lamelles conductrices 34 représentent des génératrices du cône et sont alors portées vers l'aval par la pointe 8 du cône et vers l'amont par sa base 32, c'est-à-dire par la partie avale du système de refroidissement 16 de la Fig. 2.
  • La forme de réalisation susmentionnée du récupérateur de gouttelettes 7, et notamment sa forme conique, offre l'avantage de constituer sur son côté intérieur 4 une surface, qui n'est pas disposée parallèlement à l'haleine expirée et donc à la trajectoire des particules véhiculées par celle-ci. Cette surface ainsi que la forme grillagée du récupérateur de gouttelettes 7 favorisent alors le passage de particules à proximité d'au moins une des lamelles conductrices 34, permettant ainsi d'accroître l'efficacité de collection du récupérateur de gouttelettes 7, contrairement à une structure disposée parallèlement à la trajectoire des particules véhiculées par l'haleine expirée.
  • Néanmoins, il faut noter que d'autres formes de réalisation soient possibles. Par exemple, les lamelles conductrices 34 peuvent être réalisées dans une forme circulaire, spirale, en chevrons ou autre, tant que la fonctionnalité décrite dans le contexte de la présente invention est assurée. Ainsi, tous ces différents modes d'exécution sont contemplés.
  • Il faut noter que le récupérateur de gouttelettes 7 illustré dans la Fig. 3 comporte une pluralité de contrefiches 37 à titre d'exemple. Néanmoins, selon un mode de réalisation préféré les lamelles conductrices 34 sont tenues seulement par une première contrefiche prévue à proximité de la base 32 et une seconde contrefiche prévue à proximité de la pointe 8 du récupérateur de gouttelettes 7, préférablement partant de l'extrémité inférieure de ce dernier. En d'autres mots, le nombre et l'emplacement des contrefiches 37, qui servent essentiellement au maintien de la structure du cône choisi pour réaliser le récupérateur 7, peuvent être modifiés sans changer la fonctionnalité du récupérateur de gouttelettes 7.
  • Pour réaliser le récupérateur de gouttelettes 7 de la Fig. 3 en forme de cône, plusieurs techniques sont envisageables et contemplées. Par exemple, un cône de dimension adaptée en alliage d'aluminium embouti peut être utilisé. Dans ce cône, des fentes d'évacuation latérales définissant les interstices 35 ainsi que l'orifice d'écoulement 9 à la pointe 8 du cône sont réalisés par une découpe laser.
  • La Fig. 4 illustre le principe de fonctionnement du dispositif 30 de la Fig.1 selon la présente invention. Selon un mode d'exécution préféré, l'haleine expirée 60 est acheminée vers le système de refroidissement 16 par l'embout 3. L'haleine expirée 60 est chargée de vapeur d'eau et contient des particules à collecter 66.
  • Dans le système de refroidissement 16, l'haleine expirée 60 est refroidie afin d'obtenir des gouttelettes de vapeur d'eau par condensation. Ces gouttelettes sont emportées vers la paroi latérale 2 du récupérateur de gouttelettes 7 par un flux d'ions généré à partir d'une poche de gaz ionisée 50 entourant la pointe 15 de l'électrode de décharge 1. Pendant leur trajet, désigné pour l'illustration par des flèches 70, les gouttelettes obtenues capturent des particules 66 et les emmènent vers la paroi latérale 2.
  • En arrivant à la paroi latérale 2, les gouttelettes y forment un film liquide 6 qui coule le long de la paroi latérale 2 vers l'orifice d'écoulement 9. Le fonctionnement d'un électrofiltre comme celui définit par le dispositif 30 étant généralement connu par l'homme du métier, une description plus détaillée est omise ici.
  • Pour améliorer le fonctionnement du dispositif 30, le côté intérieur 4 de la paroi latérale 2 du récupérateur de gouttelettes 7 peut être rendue hydrophile par un traitement de surface, par exemple par un dépôt d'oxyde de silicium (SiO2). Le côté intérieur 4 peut également être structuré par un rainurage orienté dans le sens d'écoulement des gouttelettes, le rainurage aidant à canaliser l'écoulement. De plus, son côté extérieur 5 peut être rendu hydrophobe par un traitement de surface. En ce qui concerne le système de refroidissement 16, la paroi intérieure 19 de sa chambre 18 peut également être rendue hydrophobe par un traitement de surface.
  • Bien qu'un mode particulier d'exécution soit décrit ci-dessus, des variations multiples peuvent être apportées au fermoir selon l'invention sans altérer sa fonctionnalité. En conséquence, toutes ces variations sont également envisagées et généralement contemplées.

Claims (18)

  1. Dispositif d'extraction de particules de l'haleine expirée, comportant:
    un système de refroidissement (16) pour créer des gouttelettes par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée;
    un récupérateur de gouttelettes (7) pourvu d'une paroi latérale (2) ayant une forme grillagée et convergente vers un orifice d'écoulement (9), permettant aux gouttelettes attirées vers ladite paroi latérale (2) de couler le long de celle-ci, vers l'orifice d'écoulement (9); et
    une électrode de décharge (1) montée à l'intérieur du récupérateur de gouttelettes (7), ladite paroi latérale (2) du dit récupérateur de gouttelettes (7) définissant une contre électrode à ladite électrode de décharge (1) pour attirer des gouttelettes collectant des particules véhiculées par l'haleine expirée vers ladite paroi latérale (2).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la paroi latérale (2) du récupérateur de gouttelettes (7) comporte une pluralité de lamelles conductrices (34).
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les lamelles conductrices (34) convergent vers l'orifice d'écoulement (9).
  4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les lamelles conductrices (34) sont réalisées en métal.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les lamelles conductrices (34) sont espacées les unes des autres afin de laisser l'haleine expirée sortir du récupérateur de gouttelettes (7) sans contrainte.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit récupérateur de gouttelettes (7) est réalisé en forme de cône ayant une pointe (8) comportant ledit orifice d'écoulement (9).
  7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel les lamelles conductrices (34) sont portées par les génératrices du cône définissant le récupérateur de gouttelettes (7).
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'électrode de décharge (1) est une pointe ou un fil.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le côté intérieur (4) de la paroi latérale (2) du récupérateur de gouttelettes (7) est rendu hydrophile par un traitement de surface.
  10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le traitement est un dépôt d'oxyde de silicium.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le côté intérieur (4) de la paroi latérale (2) du récupérateur de gouttelettes (7) est rainuré.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le côté extérieur (5) de la paroi latérale (2) du récupérateur de gouttelettes (7) est rendu hydrophobe par un traitement de surface.
  13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de refroidissement (16) comporte une chambre (18) ayant une paroi intérieure (19), ladite paroi intérieure (19) étant rendue hydrophobe par un traitement de surface.
  14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit récupérateur de gouttelettes (7) est connecté en aval du système de refroidissement (16).
  15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit récupérateur de gouttelettes (7) est connecté à un microsystème fluidique d'analyse des particules (20), collectées au moyen des gouttelettes ayant coulé le along de la paroi latérale (2) du dit récupérateur de gouttelettes (7) vers son orifice d'écoulement (9).
  16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les particules (66) sont des pathogènes.
  17. Système pour l'analyse de particules extraites de l'haleine expirée, comportant;
    un dispositif (30) pour collecter des particules de l'haleine expirée, comportant:
    un système de refroidissement (16) pour créer des gouttelettes par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'haleine expirée;
    un récupérateur de gouttelettes (7) pourvu d'une paroi latérale (2) ayant une forme grillagée et convergente vers un orifice d'écoulement (9), permettant aux gouttelettes attirées vers ladite paroi latérale (2) de couler le long de celle-ci, vers l'orifice d'écoulement (9);
    une électrode de décharge (1) montée à l'intérieur du récupérateur de gouttelettes (7), ladite paroi latérale (2) du dit récupérateur de gouttelettes (7) définissant une contre électrode à ladite électrode de décharge (1) pour attirer des gouttelettes collectant des particules véhiculées par l'haleine expirée vers ladite paroi latérale (2) ; et
    un microsystème fluidique d'analyse des particules collectées (20), ledit microsystème (20) étant connecté au dit dispositif (30) pour collecter les particules de l'haleine expirée au niveau du dit orifice d'écoulement (9).
  18. Système selon la revendication 17, dans lequel ledit dispositif (30) pour collecter les particules de l'haleine expirée est réalisé selon l'une quelconque des revendications 2 à 14.
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