JP2012516428A - エアロゾル粒子のサイズおよび化学組成のリアルタイム測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、粒子のサイズ、選択的には化学組成、またはその双方をリアルタイムに測定するシステムおよび方法である。エアロゾルビーム発生器は、サンプル粒子を含むビームを集束させ、そのビームは、ほぼ一定の幅のサイジングレーザビームを通過して、散乱光を生じ、その散乱光が光検出手段により検出され、それにより粒子速度の計算に使用できる電気パルスを生成することができる。ビームへと形成される際に、粒子は、そのサイズの関数となる終端速度に加速される。サイジングレーザビームの幅を粒子が通過する間に経過する持続時間は、粒子速度の関数であり、その速度は、粒子サイズの関数である。粒子の化学組成は、装置に含まれる質量分析計のような適当な分析手段により判定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアロゾル粒子の同定に関し、より詳細には、エアロゾル粒子のサイズと任意には化学組成のリアルタイム測定システムおよび方法に関するものである。

放射性物質、化学物質、生物学的物質、爆発物およびそれらの前駆体はすべてエアロゾルの形態で見付けることができるため、テロリズムに対する懸念の増加に伴い、エアロゾル粒子のリアルタイムの検出および同定に対する関心が高まってきている。

最近のエアロゾル質量分析の進歩により、政府機関の中心、空港およびスポーツ会場のような高価値なテロリズムの標的における非常に重要な分野において、エアロゾル粒子のリアルタイム分析が可能となっている。エアロゾル質量分析は、分析中のエアロゾルのコンディショニング（調整）、粒子ビームの形成、並びに、レーザ離脱／イオン化質量分析による個々の粒子の分析を必要とする。コンディショニングには、粒子がまだエアロゾル化されていない場合にエアロゾルを生成するステップと、粒子の濃度を調節するステップとを含むことができる。粒子ビームは、集束開口を通る粒子を囲む気体の超音波膨張により形成される。液体ストリーム中の粒子は、ビームへと同様に形成することができる。その後、粒子ビーム中の個々の粒子は、質量分析によって解析される。

高密度の粒子濃度は、正確に個々の粒子を追跡、分解および分析するエアロゾル質量分析計の能力に悪影響を与える可能性がある。不正確な速度測定は、イオン化レーザの正確な作動に必要なタイミングを歪める可能性がある。また、高密度の粒子を分解することは、歴史的に見ても、複雑さおよび費用を増大させる。

例えば、ＭｃＫｅｏｗｎ等による“Ｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｒｔｙ”６３ Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９０６，２０６９（１９９１）に開示される高速単一粒子分光計（ＲＳＭＳ）は、エアロゾルビーム中の粒子の存在を検知するために連続波レーザを利用している。この文献の開示内容は引用により本明細書に援用されるものである。各粒子は、連続レーザビームを横切る間に光を散乱させる。光電子増倍管（ＰＭＴ）は、光散乱強度を測定し、それにより粒子の屈折率を使用して、粒子サイズの大凡の測定値、本質的に不正確なサイズ測定値を与える。パルスレーザは、連続レーザビームの隣接位置に向けられており、粒子の検出により作動される。質量スペクトルは、粒子から脱離／イオン化された物質から集められる。

Ｐｒａｔｈｅｒ等に発行された米国特許第５，９９８，２１５号に開示されるエアロゾル飛行時間型質量分析計（ＡＴＯＦＭＳ）は、推定速度に基づいてエアロゾル粒子を区分する。この出願の開示内容は引用により援用されるものである。２台の連続レーザ間の距離の粒子横断時間は、質量分析計パルスレーザの作動を引き起こすために、測定および推定される。粒子速度は、光散乱強度よりも正確な粒子サイズの測定結果を与えるが、エアロゾル濃度が増加すると、個々の粒子を追跡する能力が低下し、それにより分析的なスループットを制限する。また、２台のレーザを利用するため、単一レーザ設計よりも複雑さが増大する。

６台の連続レーザのアレイを用いるエアロゾル質量分析計システムは、Ｇａｒｄ等に発行された米国特許第７，２６０，４８３号に開示されている。この出願の開示内容は引用により援用されるものである。個々のエアロゾル粒子の軌跡を追跡する６台のレーザアレイを使用することにより、スループットが改善される。粒子の濃度が高い場合に高い能力が発揮されるが、サイズの犠牲、コストおよび複雑さを伴う。

エアロゾルの粒子のサイズと、任意には組成が、粒子同定のためにリアルタイムで測定される。エアロゾルビーム発生器は、エアロゾル試料を含むエアロゾルビームを集束させる。終端速度において、各粒子は、連続波サイジングレーザ（continuous wave sizing laser）から放射された既知の一定幅のレーザビームを横切る。サイジングレーザのビームを通る粒子の横断時間は、エッジ間で測定されて、粒子の速度を求めるために使用され、その後、その速度から粒子サイズを推定することができる。一実施形態では、パルスレーザが、スペクトル解析のために、粒子を脱離してイオン化する。別の態様では、粒子の正体が、粒子のサイズおよび組成の分析から判定される。

さらに、その他の実施形態は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明白なものとなるであろう。ここでは、予期されるベストモードを示すことを目的として実施形態が記載されている。実現されるように、その他の実施形態および異なる実施形態が可能であり、それらの幾つかの細部構造は、趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な自明な点に関して変更が可能である。従って、図面および詳細な説明は、本来例示とみなされるべきであり、限定としてみなされるべきものではない。

図１は、一実施形態に係る個々のエアロゾル粒子のサイズおよび化学組成の測定システムを示す機能ブロック図である。 図２は、エアロゾル粒子のサイズおよび化学組成のリアルタイム測定を一例として示す機能図である。 図３Ａ乃至図３Ｃは、図１のシステムのサイジングレーザビームを横切る粒子を一例として示すブロック図である。 図４は、円形レーザビームおよび方形レーザビームを通る路程（path lengths）を示すブロック図である。 図５は、例示的な粒子サイズ−粒子速度較正曲線を示すグラフである。 図６は、一実施形態に係る個々のエアロゾル粒子のサイズおよび化学組成の測定方法を示すフロー図である。 図７は、図６の方法に使用する粒子の速度およびサイズを測定するルーティンを示すフロー図である。

潜在的に危険なエアロゾル粒子の効率的で正確な同定は、公衆安全の保護に極めて重要であり、リアルタイムで行なわれるときに最も有効なものである。より一般的には、バクテリアやウィルスなどのような様々な微細粒子の迅速で、適切で効率的な同定に対する要求が存在する。本発明は、それら要求を達成するための装置と方法を提供する。

図１は、一実施形態に係る個々のエアロゾル粒子のサイズおよび化学組成を測定するシステム１０を示す機能ブロック図である。概要として、このシステム１０は、粒子同定のために、エアロゾルビーム発生器１１、エアロゾル粒子サイジングレーザ１２および質量分析計１３を含む。その他の構成要素が含まれるものであってもよく、また、エアロゾル生成、データ可視化、分析、オフロードを含む追加的機能も可能である。

システム１０は、頑丈で高度に可搬型の形態で構成され、これにより、バイオテロリズム対策、環境問題研究または基礎研究のような多種多様の用途の分野の現場への効率的な配備が可能となっている。簡素なデザインは、大きなレーザアレイを用いるその他のシステムよりも、使用および維持するのにより単純で、製造するのにより安価で、かつより効率的なシステムをもたらす。粒子追跡用に単一の連続波レーザを使用することにより、粒子速度に基づいた粒子サイジング精度を保持しながらも、多数のレーザを使用するシステムにあるような複雑さを取り除くことができる。システムを単純化することにより、追加的な構成要素およびその他の機械により必要とされる電子機器を減らすことができ、それにより、セットアップ、移送および調整がより単純でより信頼できるシステムが可能となる。また、集束させた状態に粒子ビームを維持しなければならない距離および時間の長さを低減することにより、スループットを増大させて、機器アーチファクト（instrumental artifacts）を低減することが可能になる。

一般的に、システム１０による分析のためのエアロゾル粒子１４は、リアルタイムサンプリングにより周囲の外気から直接的に、あるいは収容された空気試料から間接的に、集めることができる。また、エアロゾル粒子１４は、例えば、圧縮空気を検査試料に吹き付けることにより、あるいは噴霧器または同様の実験器具を使用して検査試料を直接エアロゾル化することにより、検査試料から製造することができる。ダクトまたはパイプのような管路（図示省略）が、エアロゾル粒子１４の供給源をシステム１０に接続する。このため、エアロゾル粒子１４は、最初にエアロゾルビーム発生器１１の入口１９を通ってシステム１０内に導入される。

エアロゾルビーム発生器１１は、粒子１４をエアロゾルビーム１５にコリメート（一直線に）する。エアロゾルビーム発生器１１は、ＭｃＭｕｒｒｙ等に発行された米国特許第５，２７０，５４２号に開示されるような空気力学集束レンズスタックとすることができる。この出願の開示内容は引用により援用されるものである。主要な条件は、ビーム発生器が、サイジングレーザビームを通り過ぎて導くことができるエアロゾル（または液体）試料から粒子の高速狭集束ビームを生成することができる、ということである。このため、その他のエアロゾルビーム発生器を、適用な密度および速度のエアロゾルビーム１５を形成するのに使用することができる。その他のエアロゾルビーム発生器の選択は、十分に先行技術の範囲内のものである。一実施形態においては、粒子１４は、連続的に小さくなる開口部（明確にするために省略されている）を通ってエアロゾルビーム１５に集束されて、集束円錐ノズル２２によって加速される。スキマー２１は、エアロゾルビーム１５がそれらの間に進むことを可能にするが、気体がそれらの間の各チャンバ内においてシステム１０から抜かれるに連れて連続的に高くなる真空を達成することを可能にする。抜かれたエアロゾルビーム１５からの粒子１４は、そのままの状態を保ち、システム１０を通るさらに下流の集束粒子ストリーム２０として、進行する。

経路の終点において、エアロゾルビーム発生器１１は、狭い集束断面を有する粒子ストリーム２０を生成する。エアロゾルビーム発生器１１内のマニホールド圧力の特異的減少（differential decrease）は、通過中の粒子１４を含む気体の超音波膨張を引き起こし、一方、開口部が粒子１４を集中粒子ストリーム２０内に集束させ、粒子ストリームは、エアロゾルビーム発生器１１から超音速で流出して、その結果、粒子１４が、獲得した慣性により、ビーム軸からゆっくりと分散する。粒子の速度は、サイズの一次関数であり、よって、特定のシステムの各々については、粒子の終端速度の測定が、粒子のサイズを求めるために使用される。

下流では、粒子ストリーム２０が、個々の粒子１４の速度を求めるために、サイジングレーザ１２によって生成される連続波レーザビーム１８を通過する。図３に関連して後でより詳細に検討するように、粒子速度は、粒子がビーム１８の断面を横切って通過する必要がある時間の長さから求められる。その後、粒子速度は、個々の粒子１４のサイズを求めるために使用することができる。一実施形態においては、図５に関連して後でより詳細に検討するように、粒子のサイズが、粒子速度−サイズ較正曲線から求められる。例えば、テーブルまたは相互参照表の形式で、粒子速度からの粒子サイズを推定するその他の手段も可能である。

サイジングレーザ１２は、放射されたレーザビーム１８がエアロゾルビーム発生器１１の下流でエアロゾルビーム１５にあたるように、向けられている。エアロゾルビーム１５の軸と垂直に、レーザビーム１８を通過する粒子１４は、ビーム１８を遮って、散乱光のパルスを生じさせ、それがＰＭＴ１６によって検出される。一実施形態では、レーザビーム１８は、多数のファセットを有しており、ビーム１８の２の平行面がエアロゾルビーム１５と交差するように構成されている。このため、粒子１４はレーザビーム１８の両面を横切る。例示的なサイジングレーザ１２としては、スイスのチューリヒ所在のＲａｉｎｂｏｗ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社により製造されるＢｌｕｅ Ｐｏｉｎｔ ４３０／４９０ Ｌａｓｅｒが挙げられるが、これは、出力１０ｍＷ、４３０ｎｍ波長レーザを生成する。ＰＭＴ１６のような光検出手段は、連続波レーザビームを受信する。その他のサイジングレーザおよび光検出源を使用することも可能である。

更なる実施形態では、光検出の効率を増大させるために、ミラーまたはプリズム（図示省略）がサイジングレーザ１２およびＰＭＴ１６と組合わせて使用される。粒子によって散乱した光は、ＰＭＴ１６によって検出されない可能性がある。例えば、レーザビーム１８とエアロゾルビーム２０の交差位置に一方の焦点を有し、ＰＭＴ１６の表面に他方の焦点を有する楕円ミラーは、さもなければ失われて検出を逃す可能性のある光を検出に導く。

ＰＭＴ１６は、検知した散乱光を電気パルスに変換し、この電気パルスは、タイミング回路（図示省略）に与えられる。電気パルスのデータサンプリングレートは、粒子１４がレーザビーム１８に入出する個々の時間の検出を可能とするのに十分に高い。一実施形態においては、ＰＭＴ１６からの電気パルスが、２５ＭＨｚのサンプリングレートで集められるが、エアロゾルビーム１５中の粒子の速度と望まれる精度に応じて、より低いまたは高いサンプリングレートを使用することも可能である。

粒子速度は、質量分析計１３による分析の開始の時間を決めるために使用される。各粒子１４の速度は、サイジングレーザ１２によって生成されたレーザビーム１８中の粒子１４の滞留時間から決定することができ、それは、図３に関連して後でより詳細に検討するように、ビームの幅またはビームを通る路程に依存する。

更なる実施形態において、イオン化レーザがサイジングレーザ１２の直ぐ近隣にある場合には、粒子速度の測定の前に質量分析計の操作を開始させることができる。光散乱がＰＭＴ１６に検出されなくなることは、粒子１４がレーザビーム内にもはや存在しないことを示しており、そのときには、タイミング回路からの信号が、質量分析計１３を起動するために送信されて、それにより、粒子速度の計算に付随する遅延を避けることができる。

粒子ストリーム２０は、サイジングレーザ１２から質量分析計１３のイオン源領域内へと下流に進み、そこで、各粒子１４が、ニューヨーク州ボヘミア所在のＰｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｔ’ｌ社により製造されるＤＳ Ｓｅｒｉｅｓ Ｄｅｅｐ ＵＶ Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒのようなパルス脱離／イオン化レーザ１７により脱離およびイオン化される。このレーザは、最大繰り返し率において、平均出力３．０ワット、２６３ｎｍ波長レーザを生成する。また、脱離／イオン化レーザ１７は、維持管理を容易にするために、サイジングレーザ１２に隣接させて配置することができる。

粒子の脱離およびイオン化によって形成されるスペクトルは、質量分析計１３によって解析される。この質量分析計は、モノポーラ飛行時間型質量分析計、または望ましくは、スイスのトゥーン所在のＴｏｒｗｅｒｋ ＡＧ社により製造されるＺ−ＴＯＦのようなバイポーラ飛行時間型質量分析計の何れかである。粒子１４の質量スペクトルデータは、一旦集められると、更なる分析のために、電子的に記憶されるか、スペクトル分析コンピュータプログラムにインポートされる。一実施形態においては、市販のソフトウェアを使用して、コンピュータシステム上で実行することにより、スペクトル分析が行われる。コンピュータシステムは、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードドライブまたはＣＤ−ＲＯＭドライブのような不揮発性補助記憶装置、ネットワークインターフェース、キーボードおよびディスプレイのようなユーザインターフェース手段を含む周辺デバイスから構成される汎用のプログラム式デジタル計算装置である。ソフトウェアプログラムを含むプログラムコードとデータは、ＣＰＵによって実行および処理するためにＲＡＭにロードされ、表示、出力、伝送または記憶のために、その結果が生成される。

解析プログラムは、求めた粒子サイズと組み合わせて、粒子のスペクトルデータを分析して、粒子１４の化学成分および正体を同定する。スペクトル分析の例示的な方法は、Ｇａｒｄ等に発行された米国特許第７，２６０，４８３号に開示されている。この出願の開示内容は、引用により援用されるものである。スペクトル分析のその他の方法も可能である。

上述したシステムは、気体中に浮遊する粒子１４を分析するように構成されているが、このシステムは、容易に、水中に漂う粒子またはその他の液体懸濁液の分析に適したものとすることが可能である。例えば、液体ストリーム中に浮遊する粒子は、フローサイトメトリの同様の計測タイミング回路によって解析することができる。血球計算器は、１９９５年３月７日に発行された米国特許第５，３９５，５８８号に記載されている。市販のフロー血球計算器の流体系は、気体エアロゾル用に使用されたエアロゾルビーム発生器の代わりとして適合させることができる。エアロゾルビーム発生器のときのように、試料は、高速流動流体を有するシースに囲まれた狭小化チューブのコア内に注入される。シース流体が注入コアの先端に出会うところで、単一粒子の高速移動ストリームが形成される。サイジングレーザおよび関連する光検出器は、エアロゾル粒子ストリームのときのように、下流に配置される。また、分析手段は、エアロゾル粒子に使用される質量分光分析ではなく、液体懸濁液中の粒子についても使用することができる。その他の適当な分析手段の選択は、十分に先行技術の範囲内のことである。

エアロゾル粒子１４は、個々の分析のための狭ビームに集束される。図２は、エアロゾル粒子のサイズおよび化学組成のリアルタイム測定を一例として示す機能図である。気体２３とエアロゾル化した粒子１４の不均一混合物は、エアロゾルビーム発生器１１の入口を経由してシステム内に導入される。エアロゾルビーム発生器１１は、真空源２５により生成された差圧によって、周囲気体および浮遊粒子を超音速に加速する。粒子ビーム中の粒子の終端速度または速さは、それらのサイズの一次関数である。エアロゾル化された粒子は、１またはそれ以上の開口部によって、エアロゾルビームに集束される。周囲気体２３は、地点２４でシステムから排出されて、集束粒子ビーム２０として高速で下流に進む粒子１４から離れる。エアロゾルビーム発生器１１は、図１に関連して上でさらに詳細に検討したように、空気力学集束レンズスタックとすることができる。その他のエアロゾルビーム発生器も可能である。

サイジングレーザ１２は、エアロゾルビーム発生器１１の下流に配置されるとともに、放射されたレーザビーム１８が粒子ビーム２０と交差するように、その向きが設定されている。レーザビームと交差する粒子１４からの光散乱は、１６で検知されて、粒子速度を求めるために使用される。図５に関連して後でより詳細に検討するように、個々の粒子１４のサイジングはその速度から推定される。

脱離／イオン化レーザ１７は、サイジングレーザ１２の下流側に配置されている。脱離／イオン化レーザ１７は、質量分析計１３による分析のために各粒子１４をイオン化して脱離させるレーザビームを放出する。一実施形態では、粒子の速度が、脱離／イオン化レーザ１７の作動のタイミングのために使用される。更なる実施形態では、光散乱が検出されなくなると、脱離／イオン化レーザ１７が始動され、その一方で、粒子速度が別個に求められる。スペクトル分析と粒子サイジングの結果は、各粒子１４を同定するために使用される。

既知の路程でサイジングレーザビームを通って進むときに、粒子１４の滞留時間から、粒子速度が求められるとともに、サイズが推定される。図３Ａ乃至図３Ｃは、図１のシステム１０のサイジングレーザビームを横切る粒子を一例として示すブロック図である。ｘ軸３１、３２および３３は時間を表している。生成されたレーザビーム１８は、エアロゾルビーム１５を垂直に横切り、レーザビーム１８からの入射光がＰＭＴ１６に当たる。次いで、ＰＭＴ１６は、ビーム１８を通過する粒子１４によって散乱した光を検出する。光が散乱する持続時間は、ビームを通る粒子１４の横断時間を示している。横断時間およびビーム１８を通る既知の路程は、粒子の速度の関数である。図５に関連して後でより詳細に検討するように、粒子速度−サイズの較正手段のような較正曲線を使用して、速度から粒子のサイズを推定することができる。

サイジングレーザ１２は、既知の幅または距離の路程を有するビーム１８を生成しなければならない。一実施形態においては、サイジングレーザ１２は、断面正方形のレーザビーム１８を形成し、その上面および下面が、粒子ビーム２０の面に垂直であり、かつ粒子ビーム２０と交差する地点で１ミリメートルの既知の路程に集束される。エアロゾルビームの路程に対して垂直な平坦な上面および下面を規定する形状は、他の物質が含まれない粒子の入出の検出を最も良く容易にするが、その他の断面形状を使用することもできる。断面が一定のビームが好ましい。サイジングレーザ１２は、直接的に、あるいはレンズまたは光ファイバ束のような別個のフォーカスによって、適当な形状のビームを形成することができる。例えば、ミシガン州のアナーバ所在のＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃａｂｌｅ Ａｍｅｒｉｃａ社により製造されるＤｉａｇｕｉｄｅ ＳＱ Ｓｅｒｉｅｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒを、上述したＢｌｕｅ Ｐｏｉｎｔ ４３０／４９０レーザを１ミリメートルの正方形のビームに形成するのに使用することができる。

ここで図３Ａを参照すると、粒子１４がサイジングレーザビーム１８を横切るときに、散乱光が生成され、その散乱光が、ＰＭＴ１６により検知されて、電気パルスに変換され、その電気パルスがタイミング回路（図示省略）に提供される。最初の交差ポイントは、時点ｔ_{ｅｎｔｅｒ}と表示される。ここで図３Ｂを参照すると、ＰＭＴ１６のデータサンプリングレートに応じて、追加の光散乱データポイントｔ_ｉが、粒子がビーム１８を通過するときに、収集される。ＰＭＴ１６によって生成された信号のデータサンプリングレートは、所望の精度を提供するように設定される。例えば、秒速１００メートルでエアロゾルビーム１５中を進む粒子１４は、１ミリメートルの路程を有するサイジングレーザビーム１８を、１０マイクロ秒で横断することとなる。２５ＭＨｚのサンプリングレートは、光散乱レベルの約２５０のデータポイントｔ_ｉを生じさせる。ここで図３Ｃ参照すると、サイジングレーザ１２により生成されたレーザビーム１８から粒子１４が出るときに、散乱光の最後のデータポイントｔ_ｅｘｉｔが検出される。

粒子１４による光散乱持続時間は、粒子速度を決定する。サイジングレーザビーム１８内に粒子１４が入る時間（ｔ_{ｅｎｔｅｒ}）と出る時間（ｔ_ｅｘｉｔ）との差異と、ビーム１８を通る既知の路程は、粒子１４の速度を求めるために使用することができ、粒子の速度は以下のように表すことができる。
ｔ_Ａ＝ｔ_ｅｘｉｔ−ｔ_{ｅｎｔｅｒ} （１）
ここで、ｔ_Ａ、ｔ_ｅｘｉｔおよびｔ_{ｅｎｔｅｒ}は、時間（ミリ秒）である。よって、流速νは、以下のように表すことができる。
ν＝ｄ／ｔ_Ａ （２）
ここで、νは、メートル／秒で与えられ、ｄは、ビームの既知の路程（ミリメートル）である。

また、散乱光の検出により、脱離／イオン化レーザ１７の作動を同期させることもできる。粒子速度は、質量分析計１３の脱離／イオン化レーザ１７の作動の時間を決めるために使用することができ、その結果、粒子１４が質量分析計１３のイオン源領域に入るときに、レーザが発射される。更なる実施形態では、粒子速度はイオン化とは別個に求められる。ＰＭＴ１６が散乱光を検知しなくなると、タイミング回路により電気信号が、脱離／イオン化レーザ１７を直ちに作動させるために送信され、一方、速度は、別途測定され、２形式のデータが事後に合成される。

エアロゾルビーム内の粒子１４の集中度がより高くなると、粒子サイジング領域内に２つの粒子１４が同時に存在する確率が増加し、それにより、不正確な粒子速度およびサイズの測定に繋がるとともに、重なり合うスペクトルパターンから、不明瞭なスペクトルデータが得られるものとなる。粒子速度およびサイズが測定される長さは、粒子の同時性の確率に比例する。先行技術のシステムは、数センチメートルの粒子サイジング長さにわたり、粒子速度およびサイズを測定する。例えば、前述したＰｒａｔｈｅｒ等による特許文献に開示されるシステムは、６センチメートルの粒子サイジング領域を有する。１ミリメートルの単一サイジングレーザビーム１８を利用する粒子サイジング領域は、２つの粒子が粒子サイジング領域に同時に存在する確率を低減し、より高い粒子濃度において高い感度およびスループットを提供する。

粒子サイズは、粒子速度から推定される。図４は、円形レーザビーム４１および方形レーザビーム４２を通る路程をそれぞれ示すブロック図である。粒子速度は、レーザビーム１８の断面を横切るのに粒子１４が必要とする時間の長さから求められる。図３に関連して上でさらに詳細に検討したように、正確な速度測定には、粒子が横切る既知の路程が必要である。既知の路程と異なる距離を移動する粒子は、粒子速度の不正確な測定結果をもたらす。一般的に、粒子ビーム２０の幅は、サイジングレーザビーム１８の幅よりも小さいが、粒子１４の幅よりも大きい。粒子１４は、ビーム２０の軸に沿って進むときに、粒子ビーム２０の幅内の任意の場所に位置させることができ、ビーム１８の面に沿った異なるポイントでサイジングレーザビーム１８内に入ることができる。

円形レーザビーム４１は、様々な長さのビーム４１を通る経路を含む。円形ビーム４１は既知の直径に集束させることができるが、粒子１４は、直径に沿った経路から切り離された位置でビーム４１内に入ることができる。例えば、路程ｄ_ａ、ｄ_ｂおよびｄ_ｃは、異なるサイズの路程であり、ｄ_ｃ＞ｄ_ｂ＞ｄ_ａである。ｄ_ａに沿ったビーム４１を横切る粒子１４は、ｄ_ｂまたはｄ_ｃに沿って進む粒子よりも高く、粒子１４の実際の速度よりも高い測定速度を有することとなる。粒子１４は、正確な粒子速度を測定するためには、既知の路程ｄ_ｃに沿って進む必要があるであろう。粒子１４によるどのような偏差も、不正確な粒子速度の測定結果、不正確な粒子サイズの推定結果、および脱離／イオン化レーザ１７の発射の誤ったタイミングをもたらすこととなる。

他方、一致した路程がビームの全幅に沿って生じるように形成されたサイジングレーザビーム１８は、粒子１４の経路に関わらず、正確な速度の測定結果をもたらす。例えば、粒子ビーム２０に直交するように向けられた２の平行面を有する方形ビーム４２は、ビーム４２を通る、ほぼ等距離または一定の路程ｄ_１、ｄ_２およびｄ_３を有する。本明細書に使用される一定の幅のビームは、実質的に一定、例えば、ビームを横断する全幅の僅か約１０％の幅における変動を有するビームのことを云う。求められた粒子速度は、どの経路に沿っても実質的に等しく、粒子の真の速度と一致するものとなる。

粒子サイズは、システム１０を通る粒子の速度に影響を及ぼす。図５は、例示的な粒子サイズ−粒子速度較正曲線５０を示すグラフである。ｘ軸５１はエアロゾル粒子速度を表わし、ｙ軸３２は粒径を表わしている。一実施形態では、曲線５０が、既知のサイズの基準エアロゾル粒子１４の速度を与える。基準エアロゾル粒子は、例えば、ミネソタ州ショアビュー所在のＴＳＩ社により製造されるＭｏｄｅｌ ３４５０ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒのような振動オリフィスエアロゾル発生器を使用して形成することができる。更なる実施形態では、ベンチマーキングを必要とすることなく、参照データとして曲線５０を与えることができる。その場合、サイズが未知の粒子１４のサイズは、粒子サイズ−粒子速度曲線５０との比較により観察される速度から求めることができる。粒子サイズから粒子速度を推定するその他の手段、例えば、テーブルまたは相互参照表から粒子速度を推定する手段も可能である。

システム１０は、リアルタイムで未知のタイプの粒子を分析するために使用することができる。図６は、一実施形態に係る個々のエアロゾル粒子のサイズおよび化学組成の測定方法６０を示すフロー図である。携帯型フォームファクタで与えられた場合、システム１０は現場に移送されて、現場で設置される。操作の前に、システムの電子機器を較正し、エアロゾルビームの経路を清浄にし、レンズ１２、１７およびＰＭＴ１８を清浄にし、残存する前の試料をすべて取り除くなど、システム１０の準備を整える。操作可能となったら、エアロゾル試料が集められる。試料は、周囲の外気サンプリングから、収容された試料から、あるいは検査試料を能動的にエアロゾル化することにより、取得することができる。エアロゾルは、試料と入口１９をシステム１０内に接続する管路またはパイプを介してシステム１０内に導入される。最初に、粒子１４を含むエアロゾルビーム１５が、エアロゾルビーム発生器１１によって生成される（ブロック６１）。図１に関連して上で検討したように、エアロゾル発生器１１は、空気力学集束レンズスタックである。エアロゾルビーム発生器１１は、周囲気体の超音波膨張によって、粒子１４を高速に加速する。

次に、図７に関連して後でさらに検討するように、個々の粒子１４の速度およびサイズが求められる（ブロック６２）。簡単に触れると、粒子速度は、サイジングレーザ１２により生成されるビーム１８内の粒子１４の滞留時間から求められる。その後、粒子１４の速度は、粒子のサイズを求めるために使用される。任意には、下流において、粒子１４が質量分析計１３に入り、パルスレーザ１７によってイオン化および脱離される（ブロック６３）。好ましくは、質量分析計１３は、二重極性の飛行時間型質量分析計である。結果として得られるイオンは、粒子１４の化学組成を判定するために解析される（ブロック６４）。最後に、例えば、引用により援用されるＧａｒｄ等に発行された米国特許第７，２６０，４８３号に開示されるような方法で、粒子１４の化学組成およびサイズから粒子１４の正体が判定される（ブロック６５）。

粒子サイズは、既知の路程のレーザビームを通る粒子の横断時間から求められる。図７は、図６の方法に使用する粒子１４の速度およびサイズを求めるルーティンを示すフロー図である。粒子ビーム２０内の粒子１４が、サイジングレーザ１２によって生成されたレーザビーム１８に当たり（横断し）、そのレーザビームを通って進むと、散乱光が生成される。散乱光はＰＭＴ１６によって検出される。散乱光は、粒子１４の入出時点を分割するのに十分な速さでサンプリングされる。２５ＭＨｚのサンプリングレートは、秒速約１００メートルで進む粒子１４に適している。より低いまたは高い速度の粒子１４に対して、その他のサンプリングレートを適用することが可能である。時点は、サイジングレーザ１２により生成されたビーム１８に粒子が入るとき（ブロック７１）と出るとき（ブロック７２）について測定される。粒子速度は、２時点の差異と、サイジングレーザビーム１８の既知の幅とにより、求められる（ブロック７３）。例えば、１ミリメートルの路程を有するビーム１８を、２．５マイクロ秒の横断時間で通る粒子１４は、秒速４００メートルの測定速度を有することとなる。その後、粒子サイズが、図５に関連して上述したように、各装置または機械に固有のサイズ−速度較正曲線に基づいて、粒子１４の速度から求められる（ブロック７４）。例えば、秒速４００メートルの粒子速度を有する粒子１４は、５００ナノメートルの粒子サイズに相当する。

本発明の実施形態を参照しながら本発明を具体的に開示および説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、形式および細部の上述した変更およびその他の変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (22)

1. エアロゾル中の粒子のサイズを求める装置であって、
   集束粒子ストリームを生成して、粒子サイズの関数となる終端速度に粒子を加速させるエアロゾルビーム発生器と、
   前記集束粒子ストリームに垂直な面において一定の幅のレーザビームを生成し、それにより、当該ビームを通過する粒子に、当該ビームを横切るのにかかる時間中、散乱光のパルスを生じさせる連続波サイジングレーザであって、前記時間が粒子の速度に比例するものとなる連続波サイジングレーザと、
   前記散乱光を電気パルスに変換する光学検出手段であって、前記電気パルスが、前記サイジングレーザビームの幅を粒子が通過する経過時間を示すために使用され得るものである光学検出手段とを備えることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   粒子組成を判定するための粒子分析手段をさらに備え、この粒子分析手段が前記連続波サイジングレーザの下流に配置されることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、
   前記分析手段が、
   タイミング回路からの電気パルスにより作動されるパルス脱離／イオン化レーザであって、レーザビームを粒子に当てて、粒子を脱離およびイオン化するパルス脱離／イオン化レーザと、
   脱離プロセスで生成されたイオンまたはその他の生成物から粒子の化学組成を判定するための分析手段とを備えることを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置において、
   前記サイジングレーザビームと粒子ビームとが交差する位置には、前記光学検出手段に散乱光を導いて光の消失および不検出を防止する集束手段が設けられていることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置において、
   前記サイジングレーザビームが複数のファセットを有し、当該ビームの２つの平行面が前記粒子ストリームを横切るように構成されていることを特徴とする装置。
6. 請求項２に記載の装置において、
   前記サイジングレーザビームと粒子ビームとが交差する位置には、前記光学検出手段に散乱光を導いて光の消失および不検出を防止する集束手段が設けられていることを特徴とする装置。
7. 請求項２に記載の装置において、
   前記サイジングレーザビームが複数のファセットを有し、当該ビームの２つの平行面が前記粒子ストリームを横切るように構成されていることを特徴とする装置。
8. 請求項３に記載の装置において、
   前記分析手段が質量分析計であることを特徴とする装置。
9. 請求項３に記載の装置において、
   前記パルス脱離／イオン化レーザが、そのパルスビームが前記サイジングレーザビームの直下に位置するか、または前記サイジングレーザビームと部分的に重なり合うように、配置されていることを特徴とする装置。
10. 請求項１に記載の装置において、
    前記粒子サイズが、粒子の速度に基づいて計算手段により求められ、前記速度が、前記サイジングレーザビームを粒子が通過する経過時間に比例するものであり、そのビームの幅が前記粒子ビームに垂直な平面内にあり、サイズ−速度の較正が当該装置に固有のものであることを特徴とする装置。
11. 請求項３に記載の装置において、
    前記脱離／イオン化レーザのパルスビームが、前記サイジングレーザビームを通る粒子の通過の持続時間から求められる粒子速度と、前記サイジングレーザビームの底部から前記パルスレーザビームの経路までの距離との計算から生成される電気信号により作動されることを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載の装置において、
    前記粒子が液体中で浮遊していることを特徴とする装置。
13. 請求項２に記載の装置において、
    前記粒子が液体中で浮遊していることを特徴とする装置。
14. 請求項１１に記載の装置において、
    連続波サイジングレーザを有するフロー血球計算器が適合され、前記連続波サイジングレーザが、前記集束粒子ストリームに垂直な平面において一定の幅のレーザビームを生成し、その結果、当該ビームを通過する粒子に、当該ビームを横切るのにかかる時間中、散乱光のパルスを生じさせるようになっており、前記時間が粒子の速度に比例することを特徴とする装置。
15. エアロゾル粒子のサイズを求める方法であって、
    エアロゾルビーム発生器の入口に粒子含有エアロゾルを導入するステップであって、前記エアロゾルビーム発生器が、集束粒子ストリームを生成して、粒子サイズの関数となる終端速度に粒子を加速させるものであるステップと、
    連続波サイジングレーザのレーザビームを超えて前記粒子ストリームを通過させるステップであって、前記ビームが、前記集束粒子ストリームに垂直な面において一定の幅のビームであり、それにより、通過する粒子に、当該ビームを横切るのにかかる時間中、散乱光のパルスを生じさせ、前記時間が粒子の速度に比例するものとなるステップと、
    散乱光を検出する光学検出手段により、前記散乱光から電気パルスを生じさせるステップとを備えることを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記粒子の組成が化学的な分析手段により判定されることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記粒子の分析手段が、
    粒子ビームにパルス脱離／イオン化レーザを通過させて、それにより、レーザビームを粒子に当てて、粒子の脱離およびイオン化によりスペクトルを生じさせるステップと、
    生成されたスペクトルから粒子の化学組成を判定する分析手段に、そのように生成されたスペクトルを伝達するステップとを含むことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    前記分析手段が質量分析計であることを特徴とする方法。
19. 請求項１５に記載の方法において、
    前記サイジングレーザビームが複数のファセットを有し、当該ビームの２つの平行面が前記粒子ストリームを横切るように構成されていることを特徴とする方法。
20. 請求項１５に記載の方法において、
    前記エアロゾルビーム発生器が、空気力学集束レンズスタックであり、集束手段が、前記光学検出手段に散乱光を導いて光の消失および不検出を防止するために、前記サイジングレーザビームと粒子ビームとの交差する位置に設けられていることを特徴とする方法。
21. 請求項１５に記載の方法において、
    前記粒子が液体中で浮遊していることを特徴とする方法。
22. 請求項１６に記載の方法において、
    前記粒子が液体中で浮遊していることを特徴とする方法。
    

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