JP6466454B2 - 取外し可能電極を利用して誘電性流体内のアッセイ可能な作用物質を捕捉する、動電現象による装置 - Google Patents
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Description
本出願は、２０１０年１１月３０日出願の米国特許出願第１２／９５５，１５０号の一部継続出願であり、２０１３年８月２７日出願の米国仮特許出願第６１／８７０，３４８号の優先権を主張する。
連邦支援による研究又は開発
該当せず。
該当せず。
マイクロフィッシュ／著作権の参照
該当せず。
該当せず。
本発明は、誘電体媒質中のアッセイ可能な作用物質の収集及びサンプリングに関する。これは、生物特異的アッセイによって存在の有無が測定可能な作用物質について空気をサンプリングすることを含むが、これに限定されるものではない。本分野は、生物学的作用物質について空気をサンプリングし、アッセイ装置の収集手段に向けて方向づけ、その上に被着させることを含む。この作用物質特異的アッセイは、イムノアッセイ、核酸ハイブリダイゼーションアッセイ、又はリガンド−抗リガンド相互作用を伴う任意の他のアッセイを含み得る。アッセイは、比色、蛍光、濁度測定、電気化学、又はボルタメトリーによる検出手段を含み得るが、これらに限定されるものではない。アッセイ対象の作用物質は、生物兵器用の作用物質、病原体、アレルゲン、又は汚染物質を含むが、これらに限定されるものではない。病原体の場合、炭疽生物体又は結核生物体などの感染性空中浮遊物質についてスクリーニングすることを含む。さらに、誘電性媒質の場合、食品産業用の油又は石油化学及び産業用の油などの誘電体流体媒質をサンプリングすることを含み得る。
従来技術では、空気から作用物質を収集してバイオアッセイを行うことに関して多くの実例がある。例えば、刊行物（非特許文献１〜１３及び特許文献１）は、アレルゲン、病原体、及び毒素を収集してアッセイを行う様々な方法を記載している。
他の公知の試料収集方法には、活性炭上への揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）の捕集、脱着、及び質量分析法による解析が含まれる。非特許文献１４及びこの中に記載される参照文献を参照されたい。ＶＯＣは、アッセイが性質上厳密には化学的なので本発明に含まれないと見なされ、本願明細書で定義されるような生物特異的ではない。生物特異的（ｂｉｏ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ）とは、核酸特異性、抗体特異性、レセプタ−リガンド特異性などの生物学的特異性によって結果が測定されるアッセイを意味する。診断特異性は、ＶＯＣ分析によって達成されることがあるが、生物学的特異性は、定義された有機化合物群の存在及び量によって推定される。
上記先行技術文献では、ポンプ輸送及びろ過、拭き取り、受動被着、動電現象による搬送などを用い、通常、その後で抽出ステップを行い、抽出物をアッセイに適用する「乾式」法が説明されている。
液体流中での収集方法は、特許文献２及び３に記載されている。
空気からは物質が効率的に収集されるが、このような液体を流すシステムでは試料の希釈度が高くなることが避けられない。そのため、物質を再度濃縮しない限り感度が犠牲になる。
特許文献４及び５は、空気をサンプリングし、空中浮遊物質を同定する自律動作システムを記載している。これらの特許文献は、空気をサンプリングする方法を厳密に特定しておらず、サンプリングされた空気をアッセイ・システムに送る方法も詳しく述べていない。
ろ過又は静電沈殿に基づく空気浄化システムが多く市販されている。全体的な説明については、米国環境保護庁の刊行物である非特許文献１５を参照されたい。高性能微粒子除去（ＨＥＰＡ：Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ）フィルタ又は静電沈殿フィルタのいずれかを用いる多くの市販システムの実例が存在する。このようなシステムは、家庭での暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ：ｈｅａｔｉｎｇ， ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）用のシステムの一部として用いられることを含めて、空気から粒子状物質又はアレルゲンを除去するために広く用いられている。ＨＥＰＡフィルタは、マイクロメートル（ミクロン）サイズの範囲まで粒子を除去するという利点を有し、静電沈殿法は、差圧がほとんど又は全くなしで大容積流を伴うという利点を有する。静電沈殿システムの技術仕様の詳細な実例として、特許文献６を参照されたい。このような空気浄化システムは、空気から物質を効率的に除去するが、試料を収集して分析にかけるには不向きである。
Ｓｈａｒｐｅｒ Ｉｍａｇｅ社によって動電現象による空気清浄化システムが開発され、Ｉｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅという商標で以前に商品化された（ただし、現在は製造中止となっている）。最初の動電現象の原理は、特許文献７で言及されている。これが特許文献８でさらに改善されて、空気流が改善されオゾン発生が最小限に抑えられた。市販システムに対するさらなる改善が、特許文献９〜１３に記載されている。動電現象による推進力を利用する装置の上記記載では、ワイヤからなる高電圧電極が共通の要素である。ワイヤの断面積が極めて小さいので、極めて急峻な電圧勾配がワイヤに直交して生成される。この高電圧勾配により荷電粒子からなるプラズマが生成され、高電圧勾配によって荷電粒子に運動エネルギーが付与される。その結果、荷電粒子と非荷電粒子の間で運動エネルギーが交換されることによって正味の空気流が生成され、この正味空気流は、電圧がゼロであるか又はワイヤ電極の電圧に対して反対の極性である平面電極を並置することによって方向づけられる。荷電粒子は、平面電極上に静電的に沈殿するが、清浄化のために周期的に除去されることがある。これらの研究の主要部分は空気浄化を対象とし、試料収集を対象としていない。しかし、Ｃｕｓｔｉｓら（２００３年）によって最初に述べられたように、Ｉｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅ装置は、ティッシュペーパーで電極を拭くことによって試料を収集し、アレルゲンを分析することに適合している。このティッシュペーパーからアレルゲンが抽出され、イムノアッセイにかけられる。Ｉｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅは、Ｐｅｔｅｒｓら（２００７年）及びＰｌａｔｔｓ−Ｍｉｌｌｓら（２００５年）のアレルゲンを収集してイムノアッセイによる分析にかける研究でも用いられている。それより先に、Ｐａｒｖａｎｅｈら（２０００年）は、「収集プレートとしての導電面を有する金属カップ」を備えたイオン化装置について述べており、この金属カップからアレルゲンが抽出されてアッセイにかけられる。金属カップの内部に試料がどのように収集されるかは明らかではなく、試料は表面全体に付着しない。この装置は、スエーデン国ストックホルム所在のＡｉｒｐｏｉｎｔ ＡＢ社によって製作された。しかし、Ａｉｒｐｏｉｎｔ ＡＢ社によるこのような製品の製造又は販売に関する情報は公開されておらず、当業者がこの装置の詳細を理解し得るのに十分な情報はなく、環境アレルゲン検出に関するその後の刊行物では同じ著者は類似の装置を使っていない。電圧勾配によって生じる電位井戸に試料を集束させることについても述べられていない。
Ｙａｏら（２００９年）並びにＹａｏ及びＭａｉｎｅｌｉｓ（２００６年）は、バイオアッセイ可能な作用物質をアッセイ用の手段又は装置に収集するための方法を述べている。Ｙａｏ及びＭａｎｉｅｌｉｓ（２００６年）は、平面電極と電気的に接触する寒天ゲルのブロックについて述べており、Ｙａｏら（２００９年）は、平面電極間に介在させたマイクロタイタ・プレートについて述べている。これらの研究はいずれも、ポンプによって駆動される空気の流れ及び分析対象作用物質をアッセイ手段上に静電的に沈殿させることについて述べている。これらの研究では、電極及び寒天ブロックはほぼ同じ面積を有する。
ＭｃＮｅｒｎｅｙら（２０１０年）は、呼気分析装置について述べている。この装置では、個々人が息又は咳を呼吸チューブに吹き込み、チューブの内面上に収集された試料を、プランジャでこすり取って光学バイオセンサに載せ、免疫結合反応を実施し、バイオセンサがエバネッセント波照明系を利用して散乱光によってマイコバクテリウム・ツベルクローシス（Ｍ． ｔｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ）の存在の有無を測定する。
上記方法のいずれも、電界勾配を利用して電位井戸を形成し、それによって作用物質をアッセイ装置用の収集手段上に集束させることは考慮されていない。
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本発明は、単数又は複数の電極を使用して、流れている誘電体流体流から荷電粒子を引き寄せ、これらの荷電粒子をアッセイ装置の収集手段上に集束させる電位井戸を生成することを含む。電極自体は、アッセイ装置に組み込むことを容易にするために、取外し可能にすることができる。この電位井戸は、これらの粒子を効率的に捕捉し、収集手段への集束効果によって感度が増強することに寄与する。流れる空気流は動電現象的又は機械的に生成される。流れがまだ荷電されていない場合でも、高電圧ワイヤ電極を配置しそれによりプラズマを生成することによって、分析対象物質に電荷を付与する。この物質は、電位井戸によってアッセイ装置の収集手段上に集束され、最終的に収集手段上に静電的に沈殿する。
本発明の一態様では、生物特異的アッセイ装置用に誘電体流体媒質から試料を収集するための装置は、筐体を備える。流れ手段が、筐体内で誘電体流体媒質の流体流れを方向づける。筐体内の１つ又は複数のワイヤ電極が、筐体内を流れる誘電体流体媒質をイオン化プラズマに曝す。筐体に動作可能に付随する支持手段が、生物特異的アッセイ装置を支持する。電位井戸を生成するために１つ又は複数の捕捉電極が支持手段近傍に位置決めされ、それによって誘電体流体媒質内で生成されたか、又は当該誘電体流体媒質にすでに存在していた荷電粒子が、支持された生物特異的アッセイ装置内に進められ、それによって、荷電粒子が生物特異的アッセイ装置の試料収集領域に静電的に沈殿する。
本発明の別の態様では、エアロゾル粒子の生物特異的アッセイのための試料を提供するイオン推進力装置が、エアロゾル粒子の試料を受容し、荷電粒子のプラズマを生成する高電圧電極を封入するハウジングを備える。担持体アセンブリが、ハウジング内に取外し可能に受容可能であり、この担持体アセンブリは、非導電担持体と、担持体に取外し可能に固定された捕捉電極とを含む。担持体アセンブリのハウジング内への受容に伴って、電極が電圧にかけられ、これによって、荷電エアロゾル粒子の流れが、ハウジングを通る正味空気流を生成し、上記荷電エアロゾル粒子は捕捉電極上に被着し、上記捕捉電極は、上記担持体から取り外され、生物特異的アッセイのために抽出導管内に配置されることができるようなっている。
本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付の特許請求の範囲及び図面を含めて明細書全体を検討することによって明らかになろう。
本発明は、その最も簡単な実施例では、ファン様装置によって生成される、流れている空気流中で高電圧に保持される一連のワイヤと、この流れに曝され、流れている流れから荷電粒子を引き付けるように並置される電極を有するアッセイ装置の収集手段とを含む。並置された電極は、アッセイ装置の収集部位に荷電粒子を静電的に沈殿させる電位井戸を生成する。それに従って図３にこのような装置を詳細に示す。この装置は、非導電ハウジング３５、入口グリル３１、及び出口グリル３７を含む。ファン３６などのポンプ輸送装置が、３０で流入し３８で流出する、流れている空気流を方向づけ通過させる。図３では断面で示されるワイヤ電極３２が、キロボルト程度の高電圧に保持され、プラズマの発生により荷電粒子３３が得られ、荷電粒子３３は流れている空気流から電位井戸を介してアッセイ装置４３の捕捉手段４２に引き付けられる。アッセイ装置４３には、接地を示す一般的な電気記号によって接地状態であることが示されている電極４１が組み込まれている。アッセイ装置４３は、ハウジング３５の凹形状開口３９内に取外し可能に支持され締結されている。見やすくするために、図４にアッセイ装置４３を離して示す。したがって、アッセイを行うには、アッセイ装置は、本発明の動電現象による装置のハウジング３５の開口３９内に締結され、所定の電圧、流量に所定の時間曝された後で取り外される。
アッセイの一形態は、横方向流イムノクロマトグラフ装置であり、この装置では、アッセイは、適切なクロマトグラフ搬送促進流体を試料ウェル４２に塗布し、所定時間後に結果を読み取ることによって開始される。アッセイ対象物質の存在の有無又はその量を光学的又は電気化学的に検出し測定することを含む多数の他の簡単なアッセイ・システムも使用し得る。横方向流装置の代替形態は、酵素イムノアッセイ装置であり、検出される物質の存在の有無又はその量は、免疫複合体に結合した酵素に発色物質を塗布し、その後の色反応を測定することによって測定される。本発明の装置は誘電性媒質内で動作するので、通常、導電水性流体を様々なアッセイ・タイプに加えて検出反応を開始させる必要がある。
本発明の理解は、従来技術の装置を示すことによって容易になる。さらに、本発明は従来技術の装置の簡単な改変によって達成されるので、いくつかの従来技術の装置の図面を含む図が含められている。図１は、家庭住宅用のＨＶＡＣシステムの様々な技術仕様から導き出したものである。ファン１６によって空気流が駆動され、入口流れ１１及び出口流れ１８が得られる。これらの流れは、グリル１２を通って流入し、粗い前段フィルタ１３及び高電圧ワイヤ電極、接地電極１５を通り、そこで荷電粒子が静電沈殿し、グリル１７から流出する。本発明の機能では、前段フィルタは、通常、必要とされない。
本発明のさらなる実施例において、図５に、動電現象による手段によって進められる誘電体流体の流れを用いる装置を示す。この装置は、非導電ハウジング５６と、それぞれ流入誘電体流体５１及び流出誘電体流体５８用の入口グリル５２及び出口グリル５７とからなる。図５では断面で示されるワイヤ５３は正の高電圧に維持され、動電現象による流れが接地平面電極５５及び５９によって方向づけられる。電極５９には開口が存在し、その下に収集手段及びアッセイ装置が配置され、これらはハウジング５６内でクランプ３９において取外し可能に支持される。図４と同様に、収集手段には、接地平面電極５９と比較して寸法が小さい電極４１が組み込まれる。この場合、電極４１はキロボルト程度の負の高電圧に保持される。平面電極５５及び５９により、荷電粒子５４がまず正味流体流と共に搬送されるが、これらが負電極４１によって生じる電位井戸に到達すると、荷電粒子５４はそれまでの流れから進路を変え、収集手段４３の収集部位に至る。そのため、アッセイを実施するには、アッセイ装置は、本発明の動電現象による装置のハウジング５６内の適切な開口３９に配置され、ワイヤ５３及び電極４１の所定の電圧に所定の時間曝された後、取り外される。アッセイの一形態は、横方向流イムノクロマトグラフ装置であり、この場合、適切なクロマトグラフ搬送促進流体を試料ウェル４２に当て、所定の時間後、結果を読み取ることによってアッセイが開始される。アッセイ対象作用物質を光学的又は電気化学的に検出し同定することを含む多数の他の簡単なアッセイ・システムも使用し得る。本発明の装置は誘電体媒質内で動作するので、検出反応を開始させるために、通常、様々なアッセイ・タイプに導電水性流体を加える必要がある。
本発明の別の実施例では、試料収集の代替手段を用いて分析対象の作用物質の連続記録を生成し得る。図６に、このような実施例を示す。図６の装置は、アッセイ装置が省略されその代わりにオープンリール式試料収集手段が設けられる点を除き、図５の装置にあらゆる点で類似している。このオープンリール式装置では、正味誘電体流体流に直交して試料収集手段を支持し移動させる。したがって、図６は、図５の装置のＸ．．．．Ｘ断面を示す。リール６１及び６２は、矢印で示す方向に回転して、ハウジング５６のスロット６４を通して試料収集手段６２を搬送する。ハウジング内に実装される電極６３は、キロボルト程度の負電圧に保持される。図５と同様に、荷電粒子が、電極５３によって生じる電位井戸によって流れている流れから取り出され、試料収集手段６２上に被着する。そのため、アッセイを実施するには、ワイヤ電極５３及び面積が接地平面電極５９よりも小さい電極６３は所定の電圧に設定され、オープンリール式搬送装置は試料収集手段を所定の時間移動させる。試料収集装置の材料は、受動的な繊維状若しくは膜状の材料、又はアッセイ時まで定位置に試料を捕捉する活性材料を含んでもよいし、マイクロピラー・タイプなどの構造材料を含んでもよく、また、リガンド−抗リガンド反応をもたらすなどの埋め込まれた捕捉分子を有してもよい。所定の時間が経過した後で、巻き取りリール６１が取り外され、アッセイの前に水和反応にかけられ、それによって、捕捉された分析対象作用物質が、能動的若しくは受動的な固定のいずれかによって、又は、リガンド−抗リガンド反応相互作用による捕捉によって捕捉手段上に置かれたままになる。アッセイが実施され、捕捉手段の長さに沿った値の処理により、測定対象作用物質の存在又はその量の時間記録が得られる。この連続記録は比色に基づくものとすることができ、この場合の記録は、時間の関数としての作用物質の存在又はその量を可視的に表すものである。この連続記録はデジタル値とすることもでき、この場合の記録は、時間の関数としての作用物質の量又はその存在の図式表現として提示し得る。
図２は、Ｃｕｓｔｉｓら（２００３年）の刊行物から再製したものである。図２の従来技術の装置は、動電現象により駆動される空気流が２０で流入し、２５で流出するハウジング２４、ワイヤ電極２１、及び平面電極２３を含む。定電圧推測線（等電圧線）が、電極２１を取り囲む破線円で示されており、空気流中の推測粒子運動が矢印２２で示されている。これは、粒子が取外し可能な平面電極２３に当たり、その上に静電沈殿する様子を示している。Ｃｕｓｔｉｓらの手順によれば、平面電極をティッシュペーパーで拭くことによって平面電極から分析対象試料が収集され、抽出され、抽出物がイムノアッセイにかけられる。本発明の利点は、このような別々の拭き取りステップ及び抽出ステップが必要とされないことである。さらに、Ｃｕｓｔｉｓらの従来技術における等電圧線は推定によるものであるが、本発明ではコンピュータ・シミュレーションが利用可能であり、それによって、必要以上の実験をせずに本発明の装置の設計が容易になる。特許文献７の図２でも電圧勾配の推定線が描かれている。この電圧勾配により、荷電粒子が受ける力及びその方向が求められる。電圧勾配は、コンピュータ・シミュレーションによって厳密に求めることができ、必要以上の実験は要らない。
本発明の装置のコンピュータ・シミュレーションは、米国ニューメキシコ州アルバカーキ（郵便番号８７１９２）、私書箱１３５９５号のＦｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣ社が提供するソフトウェア・パッケージを使用して実施される。Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣが提供するこのソフトウェアは、クーロンの法則及びガウスの法則に基づく有限要素解析を利用している。この研究は、非特許文献１６に記載されている。このソフトウェアの説明及び購入の状況はＦｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣが提供している。ここで用いるバージョンは、無料の学生バージョンであり、装置を設計するためのプログラムＭｅｓｈ６．５及び出力を生成するためのプログラムＥｓｔａｔ ６．０を含む。図７ａ、７ｂ、及び７ｃ〜図１９ａ、１９ｂ、及び１９ｃの図は、このソフトウェア・パッケージによって生成される。図２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄ〜図２５ａ及び２５ｂは、より高性能の３次元プログラムＧｅｏｍｅｔｅｒ、Ｍｅｔａｍｅｓｈ、ＨｉＰｈｉ、及びＰｈｉＶｉｅｗ（Ｕ.Ｓ． ＥＰＡ／ＯＡＲ／ＯＲＩＡ／Ｉｎｄｏｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ （ＭＣ−６６０９Ｊ） ＥＰＡ４０２−Ｆ−０８−００４，Ｍａｙ ２００８）によって生成される。
コンピュータ・シミュレーションの利用をさらに示すために、且つ、本発明が従来技術とどのように異なるかを示すために、図７ａ、７ｂ、及び７ｃ〜図１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃに従来技術の装置及びその配置を示す。このソフトウェア・パッケージの応用例をよりよく理解するために、図７ａ、７ｂ、及び７ｃについて、処理を詳細に説明する。図７ａに、Ｍｅｓｈプログラムで生成されるＩｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅの構成（図２）の表現を示す。４単位×４単位の境界ボックスが定義され、このボックス内にワイヤ電極を表す２つの点７０と、平面電極を表す３本の線７１とが配置される。対称性は面対象として定義される。これにより、面外の第３の次元に延びるすべての断面が等価になる。このバージョンのソフトウェアは２次元で演算を実施し、そのため計算が簡略化される。ＭｅｓｈプログラムはＣＡＤフォーマット（拡張子．ＤＸＦ）でファイルを保存し、また、このファイルはＥＳｔａｔプログラムによって認識されるスクリプト（拡張子．ＭＯＵ）に変換される。ＥＳｔａｔはさらに、寸法（単位はインチ）、誘電率（空気の場合は１）などの材料の性質、及び電圧（ワイヤ電極の場合は１０００、平面電極の場合は０）を追加する。これらのパラメータを用いて、新たなファイル（拡張子．ＥＩＮ）が生成される。次いで、このＥＩＮファイルに対してシミュレーションの数学的な解が実施され、それによって、解を含むファイル（拡張子．ＥＯＵ）が生成される。次いで、この．ＥＯＵファイルの解の様々な図式表現が利用可能である。図７ｂに、等高線、すなわち電圧に従って数値ラベルが付与された等電圧線を用いた等高線プロット出力を示す。図７ｃに、表面プロット形式を示す。ここでは、斜視図を用いて電圧を第３の次元の高さとして表現する。この表面プロット図は、表面における傾きの急峻さ及び方向が電圧の勾配及び方向を表すので特に有用である。したがって、この表面プロットは、荷電粒子にかかる力及び方向のベクトルを表す。図７ｃから、ワイヤ電極のところで生成された、又は空気中にすでに存在していた荷電粒子が勾配に沿って下向きに進められて３つの谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることがすぐにわかる。
残りの図８ａ、８ｂ、及び８ｃ〜図２１ａ、２１ｂ、及び２１ｃの様々な構成もすべて同様に生成される。
本発明の設計コンセプトを立証するために、図８ａ、８ｂ、及び８ｃに、平面電極の厚さの影響を示す。図７ａ、７ｂ、及び７ｃでは、平面電極は、厚さがゼロであるとして示されているが、図８ａ、８ｂ、及び８ｃでは、平面電極は、０．１２７ｃｍ（１／２０インチ）の有限の厚さを有するプレートとして示されている。これら２組の図は他のすべての点で同じである。無限に薄い電極から有限且つ実際的な厚さを有する電極に変更しても得られる電圧勾配には影響を及ぼさないことが容易にわかる。パテント・ファミリーである特許文献１０、１２、及び１３は、特許文献８の従来技術に対して、電極の厚さを小さくすることによる改善を教示している。ただし、厚さをさらに小さくしても本発明の利益にはならない。
本発明の目的では、電極配置をいくらか簡略化すると、アッセイ可能な作用物質をアッセイ装置の収集手段上に捕捉するための電位井戸を生成する第３の電極の配置を容易にするのに有利である。これに従い、図９ａ、９ｂ、及び９ｃ並びに図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃのコンピュータ・シミュレーションは、電極数を連続して減少させることの効果を示している。図９ａに、１つの高電圧ワイヤ電極９０及び電圧がゼロである２つのプレート電極９１を示す。等高線プロットの図９ｂ及び表面プロットの図９ｃは、ワイヤ電極９０のところでプラズマとして生成された、又は、空気中にすでに存在していた荷電粒子が、勾配に沿って下向きに進められて２つの谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることを示している。同様に、図１０ａは、単一の高電圧ワイヤ電極１００及び電圧がゼロである単一のプレート電極１０１を有する設計を示している。図１０ａの物理的な配置は、特許文献７での動電現象による最初の設計に対応する。等高線プロットの図１０ｂ及び表面プロットの図１０ｃは、ワイヤ電極１００のところでプラズマとして生成された、又は、空気中にすでに存在していた荷電粒子が、勾配に沿って下向きに進められて谷に入り、平面電極の表面上に方向づけられることを示している。
図１１ａの設計は、直径０．５０８ｃｍ（０．２インチ）の２つのロッド電極１１２が追加され、ワイヤ電極１１０及びプレート電極１１１の上流に配置されることを除き図８ａの設計と同じである。電極１１２は、ワイヤ電極１１０と同様に１０００ボルトに保持される。図１１ｂ及び１１ｃのプロットは、電圧勾配の急峻さがロッド電極１１２の存在によって損なわれ、プラズマの生成及び動電現象による推進力が低減しているが、荷電粒子は依然として平面電極１１１に隣接する電位の谷に方向づけられることを示している。本発明で利用するという趣旨では何の集束効果も得られないことを強調しておく。Ｔａｙｌｏｒ及びＬｅｅは、特許文献９で、上流電極を配置するとイオン化された粒子の流れを制御する助けとなると教示していることに留意されたい。Ｔａｙｌｏｒ及びＬｅｅは、電位井戸を生成して流れている流体流から荷電粒子を捕捉する手段として、平面電極と比較して小さな寸法の電極を使用するという教示をどこにもしていない。図１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃは、以下で述べる本発明の実施例から明らかになるように、Ｔａｙｌｏｒ及びＬｅｅによって教示される集束効果が本発明で用いられる集束とは異なることを示している。
図１２ａに本発明の一実施例を示す。この実施例は、２つのワイヤ電極１２０、３つのプレート電極１２１、及び捕捉電極１２３からなる。この実施例は、図７ａ、７ｂ、及び７ｃの従来技術の装置に類似しているが、本発明に従って捕捉電極１２３が追加されている。電極１２０は１０００ボルトであり、プレート１２１はゼロボルトであり、捕捉電極１２３は−１０００ボルトである。図１２ｂの等高線プロット及び図１２ｃの表面プロットは、ワイヤ電極１２０のところでプラズマによって生成される動電現象により駆動される荷電粒子が、プレート電極１２１近傍の電位の谷まで駆動されるが、図１２ｃの表面プロットで明らかなように、これらの谷は下向きに傾いていることを示している。その結果、荷電粒子の流れは、捕捉電極１２３の方向に進められ、最終的に、捕捉電極１２３によって生じる電位井戸に捕捉される。平面電極１２１近傍の谷の下向きの傾きは、等高線プロットの図１２ｂでは表面プロットの図１２ｃよりも不明瞭であることに留意されたい。これは、見易いようにシミュレーション・プログラムによってプロット間隔が調整されているからである。
図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃに、本発明のより好ましい実施例を示す。電極配置は、図９ａ、９ｂ、及び９ｃの従来技術の装置に基づいており、本発明に従って下記の改変がなされている。電極１３２がスロット１３４を伴って製作され、スロット１３４に類似の寸法の捕捉電極１３３が並置される。図５の電極配置も参照されたい。この配置では、動電現象による主な流体の流れに対して横方向にオフセットされた電位井戸を生成しており、本発明による或る種の設計では、捕捉手段及びアッセイ装置を流体の流れの中に直接挿入するよりも、これらの挿入に好都合である。このようにオフセットされた配置にしても、図１３ｂの等高線プロット及び図１３ｃの表面プロットは、荷電粒子の流れが捕捉電極１３３の方向に進められ、最終的に、捕捉電極１３３によって生じる電位井戸に捕集されることを示している。
簡単のため、且つ理解し易くするために、図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃには捕捉手段もアッセイ装置も含まれていない。図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃには、捕捉手段及び／又はアッセイ装置１４４の図が含まれている。捕捉手段及び／又はアッセイ装置１４４は、スロット付きプレート電極１４２と捕捉電極１４３の間に配置される。コンピュータ・シミュレーションには、捕捉手段及び／又はアッセイ装置に対する誘電率値２．０が入力される。非特許文献１７から典型的な誘電率の参照値を得ることができる。この値２．０は、乾いた紙に対する値である。図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃと図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃを比較すると、捕捉手段としての紙の存在は、電界分布に大きな影響を及ぼさない。
同じウェブ・サイトから、ポリスチレン樹脂は、２．４〜２．６の範囲の誘電率を有することがわかる。捕捉手段及びアッセイ装置に用いる可能性のある材料の範囲をカバーするために、図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃのコンピュータ・シミュレーションにおいて、捕捉手段及び／又はアッセイ装置１５４に誘電率３．０を適用した。ここでも、図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃ、図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃと図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃとを比較すると、電界分布の結果に大きな乱れはない。このように、これらの上記シミュレーションは、本発明の設計において、捕捉手段及びアッセイ装置の選択及び配置に大きな自由度があることを示している。
図１６ａの１６４及び１６５によって示すように、捕捉手段は捕捉電極の両側に配置し得る。先の図１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃ、図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃ、並びに図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃと同様に、電界分布に対する大きな影響はない。
図１７ａ、１７ｂ、及び１７ｃに、図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃの従来技術の装置に基づく本発明による装置を示す。この装置は、単一のワイヤ電極１７０、単一の平面電極１７１、及びこれらに加えて、平面電極１７１の下流に位置する捕捉電極１７２からなる。この配置は、流体の流れから荷電粒子を捕捉するために、捕捉電極が中心に配置された状態で、この流れを中心線に集中させることによって設計し得る。さらに、図１８ａ、１８ｂ、及び１８ｃの本発明による装置は、誘電率が２．０である捕捉手段１８３を平面電極１８１と捕捉電極１８２の間に追加して配置していることを示している。
図１９ａ、１９ｂ、及び１９ｃに、本発明による好ましい設計を示す。ここでは、３つのワイヤ電極１９０及び３つの平面電極１９１が角度を付けて配置されて捕捉電極１９２上に収束するように流体の流れを最大限に活用し、それによって、流体の流れと、動電現象により方向づけられ捕捉電極によって生じる電位井戸に入る流れとの組合せが最適化される。
上記コンピュータ・シミュレーション・パッケージは、すべての断面が第３の次元に延びる面に相当する従来技術の装置を記述するのに適している。しかし、荷電粒子の流れを３次元的に集束させ、それによって真の集束効果をもたらす装置を形成することが望ましい。この目的で、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣからのよりハイレベルのソフトウェア・パッケージが用いられる。このパッケージは、同じ基本的な物理方程式を同じ有限要素解法によって３次元空間で厳密に解く。このプログラムは３段階で実行される。プログラムＧｅｏｍｅｔｅｒは、３次元ＣＡＤの特徴を有し、例えば立体図を生成することによる初期設計及び視覚化を生成するために用いられる。プログラムＭｅｔａｍｅｓｈはＧｅｏｍｅｔｅｒからの出力を取り込み、有限要素解析用のメッシュを生成し、また、これらの構成要素の寸法及び様々な電気的且つ物理的な特性を入力する。ＨｉＰｈｉは、Ｍｅｔａｍｅｓｈによって生成されるファイルについての方程式を解き、Ｐｈｉｖｉｅｗは、さらなる任意選択の計算を実施し、出力を表すための様々な任意選択肢を提供する。これに従って、図２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２０ｄに、Ｇｅｏｍｅｔｅｒで生成される装置を示す。ここでは、図９ａ、９ｂ、及び９ｃの従来技術の装置は、本発明による追加の捕捉電極を備える。ワイヤ電極２００は長さが２５．４ｃｍ（１０インチ）であり、プレート電極２０１は２５．４ｃｍ（１０インチ）×２５．４ｃｍ（１０インチ）平方であり、捕捉電極２０２は１．２７ｃｍ（０．５インチ）×１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。プレート電極２０１及び捕捉電極２０２は厚さが０．２５４ｃｍ（０．１インチ）である。図２０ａは、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の向きを示す概略立体図である。図２０ｂはｘ軸に沿って装置を見下ろした図であり、図２０ｃはｙ軸に沿って装置を見下ろした図であり、図２０ｄはｚ軸に沿って装置を見下ろした図である。これらの軸の定義及びこれらの軸に対するそれぞれの部品の向きは、図２１〜２３を理解するのに重要である。というのは、図２１〜２３がこれら３つの軸に沿って装置内を進む連続面を表すからである。図２０〜２３では、本発明による装置は、ワイヤ電極２００で電圧が１０００であり、プレート電極２０１で０ボルトであり、捕捉電極２０２で−１０００ボルトである。Ｐｈｉｖｉｅｗプログラムは、これら３つの各軸に沿った無数の面を表現し得るが、ここでは、例示のために、装置内の重要な場所に存在する面のみを示す。それに従って、図２１ａは、位置Ｘ＝−４．９５におけるｙ−ｚ面の図である。
面の位置は、各図の垂直軸上に示されている。定電圧の等高線は、約１００ボルトの間隔で引かれている。等高線の密度は場の強さ、したがって、荷電粒子に加えられる力を示している。矢印は、計算が行われた各セルにおける場の方向を表すベクトルである。それに従って、図２１ａでは、荷電粒子を中心線から離すように進める中ぐらいの力の場がある。この力は単にＹ−Ｚ面におけるベクトルの成分であり、ここでは、他のあらゆる場所と同様に、最終的な方向は３つのすべての次元におけるベクトルの合成であることに留意されたい。以後の連続した図２１ｂ〜２１ｈは、装置全体を連続的に進む面である。図２１ｂは、ワイヤ電極２００が存在する面での断面であり、ワイヤから外向きに伝播する極めて大きな場の力を示す。次に、図２１ｃ〜２１ｅは、平面電極に直交してその両端及び中心で切断したものである。場の強さは、この領域では比較的小さく、１本又はそれ未満の等高線によって示されているように、２．５４ｃｍ（１インチ）当たり１０ボルト未満である。図２１ｆは、平面電極間の中間での図であり、断面の中心の方向に増大する電圧勾配を示す。図２１ｇは、捕捉電極の断面を示し、電位井戸を形成する極めて大きな電圧勾配を示す。最後に、ｘ＝１２．７ｃｍ（５インチ）における面は、中程度の場の強さとなっていることを示すが、ベクトルの方向は依然として中心線に向いている。意外にも、装置から出る荷電粒子はいずれも、ｙ−ｚ面の中心に押し出され、図２２ａ及び２３ａ以降は、Ｘ軸に沿って電位井戸に戻る。
図２２ａ〜２２ｄに、原点からｙ軸に沿って外向きに進む連続したｘ−ｚ面を示す。この装置はｙ軸の原点に対して対称なので、ｙが負の値の断面は示されていない。ｚ軸に沿った図２３ａ〜２３ｆについても同様である。
図２２ａは、この２次元解析ソフトウェア・パッケージの知見を確認するものであるが、図２２ａの中心線近傍から出て、ベクトルが流れをプレート電極から離すように又は下流に方向づけるという点で異なる。さらに、図２３ではどの断面も、ベクトルのｘ−ｙ成分が下流を指していることを示している。したがって、プレート電極上への電気沈殿が最小限に抑えられる。図２３ａに、ｘ−ｙ面でのワイヤ電極と、捕捉電極とを含む断面を示す。この断面では、荷電粒子をワイヤ電極から捕捉電極の電位井戸に進める力が明らかである。図２３ｂは、捕捉電極にごく近接するｘ−ｙ面の断面であり、次いで、図２３ｃ、２３ｄ、及び２３ｅと図２３ｄに見えるプレート電極に近接してゆき、それを通り過ぎ、離れていく。
Ｇｅｏｍｅｔｅｒプログラムで生成された図２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに、本発明のさらなる実施例を立体投影図で示す。この実施例は、マイコバクテリウム・ツベルクローシス（Ｍ． ｔｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ）などの呼気に含まれる病原体用の呼気分析器装置として機能させることを意図している。この実施例は、図３に類似しているがファン３６を取り除いた構造を用いて実現され得る。ファンの代わりに、ユーザは、入口グリル３１内に呼気を吹き込む。入口グリル３１は、吹きかけられた空気流を筐体内に導く。図２４ａは、電極配置の全体的な斜視図であり、すべての３つのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。図２４ｂはＹ軸に沿って見下ろした図であり、図２４ｃはＸ軸に沿って見下ろした図であり、図２４ｄはＺ軸に沿って見下ろした図である。図２４は電極配置のみを示しており、理解し易いように、電界に影響を及ぼさない範囲の誘電率の材料でできている支持構造を省略している。この装置は、プラズマを生成するための４つのワイヤ電極と、２つの異なるアッセイ・タイプを収集する手段に用いられ得る２つの捕捉電極とを含む。そのため、捕捉電極２４１は、特許文献１に詳細に記載されているように、イムノアッセイを利用する光学センサ装置（免疫センサ）に用いられ、捕捉電極２４２は、非特許文献１８及び１９並びにこれらの論文の参照文献に記載されている核酸ポリメラーゼ連鎖反応増幅に基づくＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦシステム用の捕捉装置として用いられ得る。第１のフェーズでは、試料核酸の標的核酸は、ハイブリッド形成反応によって認識され、その後、リアルタイム・ポリメラーゼ連鎖反応によって検出される。捕捉電極２４１と共に用いられ得る免疫センサ装置の実例は、エバネッセント波を照明される免疫センサ表面における免疫複合体から散乱された蛍光信号が、分析対象物質の尺度である場合である。この実施例の性能はＭｅｔａＭｅｓｈで処理され、結果はＨｉＰｈｉで生成される。図２５ａ及び２５ｂはＰｈｉＶｉｅｗから生成される２つの図を表す。完全な３次元解析結果から選択されたこれら２つの図は、性能の実証を表現するのに十分である。図２５ａは、Ｚ軸の原点を通るＸ−Ｙ面内の電界分布を示す疑似３Ｄ等高線プロットである。このＺ軸は、物理的なＺ軸ではなく、０〜１０００ボルトの範囲を表す。図２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄからわかるように、この面は、４つのすべてのワイヤ電極と交差し、２つの捕捉電極の中間を通る。そのため、図２５ａは、電位の形成が、プラズマを生成し、且つ荷電粒子を捕捉し電気沈殿させるように働く捕捉電極近傍に電位井戸を生成するワイヤ電極でピークになることを示している。図２５ｂのさらなる等高線プロットは、物理的なＺ軸から２．５４ｃｍ（１インチ）変位した平行面内の電圧分布である。この面は、長さが５．０８ｃｍ（２インチ）であるワイヤ電極の端部の周囲にある。ここでも、ワイヤ電極と、ここでは捕捉電極の端部の１．２７ｃｍ（０．５インチ）先にある残りの電位井戸とで電位がピークになることがわかる。この場合、２つの捕捉電極を組み込むことができるので、同じ検体用の２つの全く異なるアッセイ・システムを提供することによって、アッセイの感度が増強される。さらなる改善が、電極２４２を同じ寸法のワイヤメッシュで置き換えることによって得られる。ワイヤメッシュ電極は、ワイヤのごく近傍にさらに大きな局所電圧勾配を生成し、そのため、捕捉効果が増強されるという利点を有する。試料収集の後で、ワイヤメッシュ電極を取り外し、２ｍＬのＮａＯＨ−イソプロパノール試料処理試薬に浸し、５秒間振とうし、室温で１５分間培養し、再度振とうし、ＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦカートリッジに移し、このアッセイ装置の標準の手順にかける。ＮａＯＨ−イソプロパノール試薬は、ＸｐｅｒｔＭＴＢ／ＲＩＦアッセイ装置の製造元であるＣｅｐｈｅｉｄ Ｉｎｃによって提供される。
複数の捕捉電極を用いることによってさらなる多重能力を得ることができる。図２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃ並びに図２５ａ、２５ｂ、及び２５ｃは呼気分析装置内の電極の配置を示すが、マウスピース、ハウジング、及びアッセイ装置とのインターフェースのさらなる詳細が、特許文献１の明細書に記載されており、また、英国ケンブリッジ、Ｂａｂｒａｈａｍ所在のＲａｐｉｄ Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄによって商品化された収集手段及びアッセイ装置もある。筒状又は楕円形の断面のハウジングは、マウスピースを内包するように構成することができ、入口径がワイヤ電極の寸法に合うように最適化され、出口径が捕捉電極の寸法に合うように最適化されている。こうすると、呼気とワイヤ電極との接触面積が最大になり、出口流が捕捉電極全体に集中され得る。
Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣが提供するソフトウェア・パッケージは、必要以上の実験をせずに最適な設計を達成するのに有用であることが明らかである。このようなプログラムが数年にわたって開発中である。非特許文献２０によりこのようなパッケージが利用可能になった。静電沈殿装置を設計するためのこのようなソフトウェア・パッケージの応用例が、非特許文献２１及び２２によって提供されている。本発明の設計の最適化は、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣが提供するソフトウェア・パッケージに限定されるものではない。
本発明の主要な要素は、流れている流体流中の対象とする荷電粒子の捕集手段として作用する電位井戸を提供することである。本発明の範囲内で多数の装置を設計することが可能であり、本明細書で例示する構成は単に例として示すためのものである。電位井戸を生成することによって、荷電粒子を捕集する汎用的で効率的な手段が提供され、捕集された荷電粒子が測定装置又は検出装置に切れ目なく移されることは驚くべきことである。この検出又は検出装置の測定感度は、大容量の流体をサンプリングし、検出装置の小さな領域に荷電粒子を集中させることができることにより大きく増強される。非導電材料の特性、配置、及び寸法が電界分布に大きな影響を及ぼさないので、例えば任意の広範なプラスチック又は高分子の非導電材料を用いる実際的な応用例の装置の設計及び製作には無限の可能性がある。
上記で説明した装置では、捕捉電極の面積がシステム内の他の電極と比較して小さく、そのため、大きな電圧勾配が得られる。これらの実例では、捕捉電極の典型的な面積比は２０：１である。特定の装置の構成に応じて、この比は、５：１〜１０００：１の範囲、さらにはこれよりも広い範囲で変わることがあり、特定のシステムの性能要件によってのみ制限される。捕捉電極は、通常、矩形プレートの形態をとるが、金属製のグリッド又はメッシュの形態をとることもできる。プラズマを生成するためのワイヤ電極が複数ある場合、これらのワイヤ電極は、通常、平行ワイヤとしてアレイ化されるが、特定の設計の要件又は制約によっては矩形グリッドとして配置されてもよい。捕捉電極の幾何形状が、プラズマ生成を開始するには勾配が急峻すぎる電位井戸を生成するような形状であってはならず、且つ電位井戸から出る荷電粒子を生成するような形状であってはならないことのみが制約である。捕捉電極の寸法は、ワイヤ電極と比較して、有利な集束効果が生じるように十分小さくしなければならない。経験則上、ワイヤ電極の長さの和に対する捕捉電極の最も長い寸法の比を用いることができる。実際の有用な範囲は、１：５の下限を用いたものとすることができ、これを下回ると、荷電粒子を有用に集中させることができない。特定の設計要件には、より小さいか又はより大きい範囲が有用である場合がある。
これに対して、ワイヤ電極の寸法は、プラズマが生成されるのに十分な電位勾配が生成されるように十分に小さくしなければならない。ワイヤ電極は、有利には、直径が１．０ｍｍよりも大きくなく、一実施例では、直径が約０．１ｍｍとし得る。ただし、ワイヤの幾何形状は変更することができ、先端が尖ったスパイクの形態をとってもよい。この場合、尖った先端により、荷電プラズマが形成されるのに十分に大きい局所電位勾配が生じ得る。
印加電圧は、本発明が実施される状態をもたらすのに十分に大きくなければならないが、電圧は性能を最適化するために変更し得る。電圧の値は、ワイヤ電極又は捕捉電極のいずれかで正負のいずれでもよい。本発明を実施するには、相対的な電圧のみが重要であり、そのため、例えば安全上の理由で、任意の電極を接地するか、又は低電圧に設定してもよい。
実際の形まで単純化するために、本発明の装置は、既存の装置の簡単な改変により製作し得る。そのため、ハードウェア、電子制御、美的配慮、寸法、携帯性、ＡＣ電源又は電池からの電力供給の細部に関するすべての仕様が、本明細書に記載の従来技術参照文献に詳細に説明されており、そのため、さらなる細部を本明細書で詳述する必要はない。
図２６〜３２は、取外し可能電極を用いて誘電性流体におけるアッセイ可能な物質を捕捉するための動電現象による装置を提供する、米国Ｓｈａｒｐｅｒ Ｉｍａｇｅ社によって以前に販売されていた、小空間用のＩｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅ空気清浄機などの既存の市販の装置の適用を示している。上記の図２は、小空間用のＩｏｎｉｃ Ｂｒｅｅｚｅ空気清浄機のための概略図に類似しているが、異なる数の電極を有する典型的な概略図を示している。典型的な従来技術の空気清浄装置は、平面電極が超音波溶着された取外し可能担持体を備える。担持体は電極の清掃のために取外し可能である。
図２６を参照すると、誘電性流体内のアッセイ可能な作用物質を捕捉するためのイオン推進力装置３００は、従来のＡＣアウトレットに挿入するための電気プラグ３０４を有するハウジング３０２を含む。ハウジング３０２はグリル開口３０４を含む。ハウジング３０２の遠位端は、取外し可能担持体アセンブリ３０８を受容するための開口３０６を含む。これについては図２７を参照されたい。担持体アセンブリ３０８は、ハウジング３０２内のトラック３１０に摺動可能に受容される。ハウジング３０２は、単一のワイヤ電極２１及び２つの平面捕捉電極２３を用いて図２に示す装置と同様に動作する電気回路を備える。明確であるように、他のハウジング形状も用い得る。
図２７を参照すると、担持体アセンブリ３０８は、１つのプラスチック担持体３１２と、ラッチ３１４と、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂとを備える。捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂは、互いの鏡像である点を除いて同一である。
担持体３１２は、図２８Ａ及び２８Ｂに詳細に示される。担持体３１２は、ハウジング開口３０６に対応するサイズ及び形状の端壁３２０を備える。これについては図２６を参照されたい。ハンドル３２２が端壁３２０から外側に延びる。細長い同一平面上の一対のレール３２４及び３２６が端壁３２０から内側に延びる。レール３２４及び３２６は互いに平行である。横材３２８がレール３２４及び３２６の遠位端を接続する。第１のレール３２４の遠位端は、以下で説明するように、電気接続を提供するための末端開口部３３０を備える。同様に、第２のレール３２６の遠位端は末端開口部３３２を備える。
ラッチ支持部３３４は、レール３２４と３２６との間を端壁３２０から内側に延びる。ラッチ支持部３３４の遠位端に拡大された頭部３３６が設けられる。
第１のレール３２４は、外縁において下方向に曲がった壁３４２に接続された概ね平坦な壁３４０を備える。この壁３４２はさらに、下縁において、外側に曲がったフランジ３４４に接続される。同様に、第２のレール３２６は、外縁において下方向に曲がった壁３４８に接続された平坦な壁３４６を備え、この壁３４８は、外側に曲がったフランジ３５０に下縁が接続されている。各レール３２４及び３２６の構成は、それぞれの電極３１６Ａ及び３１６Ｂを支持し、且つハウジング３０２内のトラック３１０に摺動可能に受容されるように適合されている。これについては図２６を参照されたい。
図２７を参照すると、第１の捕捉電極３１６Ａは、導電性金属の単一のプレート３５２で形成される。プレートは、ラッチ支持部３３４の長さ未満の、レール３２４の長さに概ね等しい接続部分３５４を有する。プレート３５２は、より短い長さの電極部分３５６を定義するように内側に曲げられる。このため、遠位末端部３５８は、電極プレート３５６の縁を超えて延びる。使用時、第１のレールの平坦な壁３４０の下側に接続部分３５４が位置決めされ、末端部３５８が末端開口部３３０内で露出される。電極部分３５６は上方に延びる。これについては図３２を参照されたい。
同様に、第２の捕捉電極３１６Ｂは、接続部分３６４と、電極部分３６６と、末端部３６８とを有する導電性金属プレート３６２を備える。使用時、第２のレールの平坦な壁３４６の下側に接続部分３６４が位置決めされ、末端部３６８が末端開口部３３２内で露出される。電極部分３６６は上方に延びる。これについては図３２を参照されたい。
図２９Ａ及び２９Ｂを参照すると、ラッチ３１４は、対向する側壁３７２及び３７４に接続された上壁３７０を備える。側壁３７２及び３７４の反対側の下縁は、それぞれ、外側に延びるフランジ３７６及び３７８に接続される。上壁３７０の下側の外縁は、斜面３８０を含む。フランジ３７６及び３７８はそれぞれのレッジ３８２及び３８４を含む。
側壁３７２及び３７４間の間隔は、僅かにレール３２４及び３２６間の間隔未満である。フランジ３７６及び３７８の外縁間の全体幅は、僅かにレールの外壁３４２及び３４８間の間隔未満である。
担持体アセンブリ３０８を組み立てるために、ラッチ３１４がレール３２４及び３２６間に位置決めされ、フランジ３７６及び３７８がそれぞれレール３２４及び３２６の下側にある。傾斜３８０は、下方向に偏向するようにラッチ支持頭部３３６と係合し、次に、ラッチ３１４は、ラッチ支持部３３４上で支持されるように摺動される。このため、ラッチ３１４はラッチ支持部３３４上で摺動可能である。図３０Ａ及び３０Ｂに示すように、ラッチ解除位置において、ラッチ３１４は担持体端壁３２０に近接する。次に、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂは、示すように、それぞれのレール３２４及び３２６の下側に接続部分３５４及び３６４と共に位置決めされる。図３０Ａ及び３０Ｂに示すように、ラッチ３１４と捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂとの間には僅かな空間が存在する。担持体３１２上に捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂを維持するために、ラッチ３１４は、壁３２０から離れて図３１Ａ及び３１Ｂに示す位置までラッチ支持部３３４上を摺動され、それぞれのレール３２４及び３２６に固定された捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂを挟持し、これを維持する。捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂが適所にあるとき、それぞれ末端部３５８及び３６８は、それぞれ窓３３０及び３３２において見ることができる。さらに、末端部３５８及び３６８は、レール３２４及び３２６の遠位端においてそれぞれのタブ３８４及び３８６に入れ子式に収納することができる。
したがって、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂは、担持体３１２に取外し可能に固定される。ラッチ３１４は、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂを担持体３１２に固定するように適合される。さらに、レッジ３８２及び３８４は、端部係止として働き、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂがそれぞれのレール３２４及び３２６上を摺動することを防ぐ。ラッチ３１４に対する下方向の圧力によって、端部係止の解放並びに捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂの取り外しが可能になる。
捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂは、ステンレス網シートのレーザ切断によって製作することができる。ラッチ３１４及び担持体３１２は、プラスチック成形部品から形成されるか、又は立体印刷によって製作され得る。
担持体アセンブリ３０８は、本明細書に記載の任意の装置構成と共に用いることができ、特に、動電現象による推進力装置に適合される。同様に、装置は、他の回路構成に適合され得る。
担持体アセンブリ３０８を有する推進力装置３００は、エアロゾル粒子を分析するために用いられ得る。特に、図２の電極２１などのワイヤ電極によって帯電したエアロゾル粒子を、上記で記載したように、グリル３０４を通じてハウジング３０２に入る動電現象により推進された空気の容積から捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂ上に被着させることができる。担持体アセンブリ３０８はハウジング３０２から取り外すことができ、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂを抽出導管内に配置することができ、所定の容積の抽出流体がエアロゾル粒子の分析のために用いられる。
さらに、非導電スリーブ３９０及び３９２を、それぞれ捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂ上に配置し、捕捉手段４２に関連して上記で包括的に検討したようにエアロゾル粒子を捕捉することができる。スリーブ３９０及び３９２は、それぞれ電極部分３５２及び３６２の上にぴったり合うように対向する端部３９４において折り重ね、縫い合わせることができる非導電性の布で形成される。
図３３は、生物兵器ウィルスの可能性について、取外し可能電極を用いて得ることができる結果を示す。例示的な試験において、ガンマ線照射により以前に不活性化されたウィルス懸濁液のベネズエラ馬脳炎ウィルスが、制御された環境チャンバ内で水に希釈され、エアロゾル化される。様々なエアロゾル粒子濃度がチャンバ内に解放され、この雰囲気内で３０分間、図３２に示すような電極を有する動電現象による装置が実行された。これに並行して、シルクで製作された非導電スリーブ３９０及び３９２で全体をカバーされた電極を有するシリーズが実行された。スリーブ及び電極は装置から取り外され、１ｍＬのトリス緩衝生理食塩水、０．０５％のＴｗｅｅｎ２０、及び１％のウシ血清アルブミンを有するチューブ内に配置された。それらはボルテックスミキサを用いて１０分間撹拌された。各試料の１０μＬの容積が、逆転写酵素定量ＰＣＲ及びＡｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ ７５００ ＦａｓｔＤｘ Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ ＰＣＲシステムにおいて増幅されるウィルス・ゲノムのために５０μＬの反応混合物内に配置された。ＰＣＲは、既知の滴定濃度のウィルス懸濁液を用いて較正され、個々の動電現象による装置ごとに、ＰＣＲ値、較正及び体積流量を用いて結果が計算された。これらの結果は、チャンバ内の空気のＣＦＵ／Ｌとしてプロットされる。グラフ内のフラグは、約１０回の繰返しからの標準偏差である。図３３は、取外し可能電極が使い捨て可能なシルク・スリーブよりも良好に機能することを示している。
図３３は、ウィルスの実例のための使用を例示しているが、ＰＣＲ、イムノアッセイ、比色若しくは蛍光アッセイ、質量分析、又は取外し可能電極から取り出した液体抽出物に対し行うことができる任意の他の公知のアッセイによる方法のいずれによるものであっても、捕捉された粒子の分析の任意の方法に本方法論を適用することができることが明らかである。イムノアッセイは、アレルゲンのためのものとすることもでき、Ｌｉｍｕｌｕｓ Ａｍｅｂｏｃｙｔｅ Ｌｙｓａｔｅアッセイを用いた比色分析又は蛍光分析による細菌内毒素の同定のために用いることもできる。内毒素はアレルギーにより誘発される喘息の増強物質であるため、アレルゲン試験との組合せが有用である。
図３４〜３６は、代替的な取外し可能担持体アセンブリ３０８’を示している。簡単のために、取外し可能担持体アセンブリ３０８に対応する要素は、同様の参照符号にプライム記号を付けたものを用いて識別される。
担持体３１２’は、レールの平坦な壁３４０’及び３４６’が細長い切り欠き部分３４１’及び３４７’を有し、外壁３４２’及び３４８’が、それぞれのノッチ３４３’及び３４９’によって形成された、分断可能な（ｆｒａｎｇｉｂｌｅ）切断点を含むという点で、担持体３１２と異なる。また、捕捉電極３１６Ａ’及び３１６Ｂ’はフラットな金属プレートである。したがって、切り欠き部分３４１’及び３４７’は、エアロゾル粒子の被着のためにそれぞれの捕捉電極３１６Ａ’及び３１６Ｂ’の一部分を露出させる。ラッチ３１４は変更されていない。
明白であるように、捕捉電極３１６Ａ及び３１６Ｂは担持体３１２’と共に用いることもできる。
ノッチ３４３’及び３４９’によって形成される切断点の使用は、切り欠き部分３４１’及び３４７’と共に、担持体３１２’が捕捉電極３１６Ａ’及び３１６Ｂ’を取り外すために、分断可能な切断点において担持体３１２’がスナップ係合することを可能にする。
空気中ではなく誘電体媒質中のアッセイ対象の実体を捕捉するさらなる応用例が、本明細書を通して述べられた同じ原理を用いて作成され得る。誘電体流体媒質はさらに、油などの非導電液体を含み得る。油は、汚染物質、汚染生物体、又は生体分解生物体の存在についてサンプリングされ得る。
Claims (20)
- エアロゾル粒子の生物特異的アッセイのための試料を提供するイオン推進力装置であって、
エアロゾル粒子の試料を受容し、荷電粒子のプラズマを生成する高電圧電極を封入するハウジングと、
前記ハウジング内に取外し可能に受容可能な担持体アセンブリであって、非導電担持体と、前記担持体に取外し可能に固定された捕捉電極とを含む担持体アセンブリと
を備え、
前記担持体アセンブリの前記ハウジング内への受容に伴って、前記高電圧電極が電圧にかけられ、これによって、荷電エアロゾル粒子の流れが前記ハウジングを通る正味空気流を生成して、前記荷電エアロゾル粒子が前記捕捉電極上に被着し、前記捕捉電極が、前記担持体から取り外され、生物特異的アッセイのために抽出導管内に配置されることができるようになっている、
イオン推進力装置。 - 前記担持体アセンブリが、前記捕捉電極を前記担持体に取外し可能に固定するように前記担持体上に摺動可能に受容されたラッチを備える、請求項１に記載のイオン推進力装置。
- 前記捕捉電極上に担持された非導電スリーブをさらに備えて、前記荷電エアロゾル粒子が前記スリーブ上に被着する、請求項１に記載のイオン推進力装置。
- 前記担持体が、細長いプラスチック・レールに接続された端壁を備え、前記捕捉電極が、前記レール上に担持されている、請求項１に記載のイオン推進力装置。
- ラッチ支持部が、前記レールに近接した前記端壁から延び、ラッチが、前記捕捉電極を前記レールに取外し可能に固定するように前記ラッチ支持部上に摺動可能に受容されている、請求項４に記載のイオン推進力装置。
- 前記ラッチが、前記レール上の前記捕捉電極の動きを制限する端部係止を備える、請求項５に記載のイオン推進力装置。
- 前記捕捉電極が、前記レール上に受容された接続部分及び上方に延びる電極部分を定義するように曲げられた金属シートを備える、請求項４に記載のイオン推進力装置。
- 前記担持体が、前記捕捉電極を取り外すために分断可能な切断点を含む、請求項１に記載のイオン推進力装置。
- エアロゾル粒子の生物特異的アッセイのための試料を提供するイオン推進力装置であって、
エアロゾル粒子の試料を受容し、荷電粒子のプラズマを生成する高電圧電極を封入するグリル開口と、担持体開口とを含むハウジングと、
前記担持体開口において前記ハウジング内に取外し可能に受容可能な担持体アセンブリであって、第１の細長いレール及び第２の細長いレールを含む非導電担持体と、前記第１の細長いレール及び前記第２の細長いレールに取外し可能に固定されたそれぞれの第１の捕捉電極及び第２の捕捉電極とを備える担持体アセンブリと
を備え、
前記担持体アセンブリの前記ハウジング内への受容に伴って、前記高電圧電極が電圧にかけられ、これによって、荷電エアロゾル粒子の流れが前記ハウジングを通る正味空気流を生成して、前記荷電エアロゾル粒子が前記捕捉電極上に被着し、前記捕捉電極が、前記担持体から取り外され、生物特異的アッセイのために抽出導管内に配置されることができるようになっている、
イオン推進力装置。 - 前記担持体アセンブリが、前記捕捉電極を前記担持体に取外し可能に固定するように前記担持体上に摺動可能に受容されたラッチを備える、請求項９に記載のイオン推進力装置。
- 前記捕捉電極上に担持された非導電スリーブをさらに備えて、前記荷電エアロゾル粒子が前記スリーブ上に被着する、請求項９に記載のイオン推進力装置。
- 前記担持体が、前記第１の細長いレール及び前記第２の細長いレールに接続された端壁を備える、請求項９に記載のイオン推進力装置。
- ラッチ支持部が、前記レール間の前記端壁から延び、ラッチが、前記捕捉電極を前記レールに取外し可能に固定するように前記ラッチ支持部上に摺動可能に受容されている、請求項１２に記載のイオン推進力装置。
- 前記ラッチが、前記レール上の前記捕捉電極の動きを制限する端部係止を備える、請求項１３に記載のイオン推進力装置。
- 前記電極がそれぞれ、前記それぞれのレール上に受容された接続部分及び上方に延びる電極部分を定義するように曲げられた金属シートを備える、請求項１２に記載のイオン推進力装置。
- 各レールが、その関連付けられた捕捉電極を取り外すために分断可能な切断点を含む、請求項９に記載のイオン推進力装置。
- エアロゾル粒子を分析する方法であって
荷電粒子のプラズマを生成する高電圧電極を封入するハウジングと、前記ハウジング内に取外し可能に受容可能な担持体アセンブリであって、非導電担持体、及び前記担持体に取外し可能に固定された捕捉電極を備える担持体アセンブリとを含む動電現象による推進力装置を設けるステップと、
前記装置を通って動電現象により進められた空気の容積から、前記捕捉電極上にエアロゾル粒子を被着させるステップと、
前記担持体から前記捕捉電極を取り外し、前記捕捉電極を抽出導管内に配置するステップと、
所定の容積の抽出流体を前記抽出導管に加えるステップと、
所定の時間にわたって前記抽出流体内で前記捕捉電極を撹拌するステップと
を含み、
前記抽出流体のすべて又は一部が、前記エアロゾル粒子の解析のために反応混合物に加えられる、
方法。 - 前記捕捉電極を取り外すステップが、前記捕捉電極を前記担持体に取外し可能に固定するように前記担持体上に摺動可能に受容されたラッチを備える前記担持体アセンブリを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記担持体アセンブリが、前記装置内の１つ又は複数の対電極との捕捉電極の機能的整合をもたらすように前記動電現象による推進力装置のハウジングと係合する、請求項１７に記載の方法。
- エアロゾル粒子を分析する方法であって、
荷電粒子のプラズマを生成する高電圧電極を封入するハウジングと、前記ハウジング内に取外し可能に受容可能な担持体アセンブリであって、非導電担持体、及び前記担持体に取外し可能に固定された捕捉電極を備える担持体アセンブリとを含む動電現象による推進力装置を設けるステップと、
前記装置を通って動電現象により進められた空気の容積から、選択された期間にわたって前記捕捉電極上にエアロゾル粒子を被着させるステップと、
前記担持体から前記捕捉電極を取り外し、前記捕捉電極から捕捉された前記エアロゾル粒子を抽出するステップと、
捕捉された前記エアロゾル粒子を分析して、前記空気の容積における粒子濃度を測定するステップと
を含む方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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