JP6560849B2 - 粉末分散方法及び装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は粉末を分散させるための装置に関し、より詳細には、粉末の構成粒子を分析できるように粉末を分散させる装置及び方法に関する。
微粒子試料の特性を明らかにするための幾つかの方法は、個々の粒子が空間的に分離されるように、試料がまず分散されることを必要とする。例えば、顕微鏡を用いた特性評価技術は、粒子が空間的に分離された状態で粒子が表面上に分散することを要求する場合がある。各粒子のサイズ及び形状等のパラメータは、その後、例えば自動スキャン技術及び画像処理技術を使用して判定することができる。良好な結果を得るために、試料粒子を適切に反復可能な方法で分離させることが有利である。

粒子を分散させるための一構成は、粉末試料が担持体に配置されるものであり、欧州特許出願公開第２６０２６０４号明細書に開示されている。圧力差が担持体を横断して加えられ、該担持体が破裂して、試料が分散室内に分散され、分散室の底にある表面上に堆積される。担持体（膜又はディスク状であってもよい）は消耗部品である。消耗部品を必要としない装置（及び方法は）は有利である。更に、粒子を分散させるこの方法は、ある状況においては、粒子が収集表面に衝突するときに粒子が破壊される可能性がある。あるタイプの試料（例えば壊れやすい試料）については、より破壊のおきにくい試料分散が望ましいであろう。

国際公開パンフレット第ＷＯ０３／０７４１５４号は、粒子試料ホルダが粒子収集表面より上方において粒子沈降室内に取り付けられる、粒子を分散させるための装置を開示している。高圧ガス放出装置が、試料ホルダの方向に向けられており、粒子を収集表面（この収集表面は走査型電子顕微鏡で使用されるスタブであってもよい）上に沈降させるように試料ホルダから沈降室へ粒子を分散させる高圧ガスを供給するために使用される。試料ホルダ上に試料を配置するためには、粒子沈降室が分解されることと、沈降室が再度組み立てられる際に（分散しなかった）試料を試料ホルダ上に直接落とすことが可能であることとが要求される。

米国特許出願公開第２００９／０２３３６３６号明細書及び米国特許５，６９３，８９５号明細書は、ガス流により運ばれる粒子がスロット形状の入口に隣接する収集表面に衝突する、試料収集装置を開示している。

本発明の目的は上述の問題を克服すること、又は少なくとも改善することである。
本発明の第１態様によれば、試料を担持するための表面と、入口開口及び出口開口を接続する流路とを備える試料分散デバイスであって、該デバイスは、流体が流路を通って入口開口から出口開口まで前記表面を渡って流れるときに、試料を分散させるように作動可能であり、前記表面が、前記入口開口の方向に面し、分散中は損なわれないままであるように構成される、試料分散デバイスが提供される。前記表面は、好ましくは、分散中は実質的に静止したままである。入口開口に面するこの表面の配置により、流体が試料に衝突し、これにより移動している流体中への試料の巻き込みが高められる。

入口開口を介して流路に進入する流体の流れ方向と、出口開口を介して流路を退出する流体の流れ方向とは略同一方向である。結果として生じる流体の流れ方向の変化は良好な分散を生じさせる。更に、同一方向である流入と流出を提供することは、軸方向の流れ構成の一部として組み込むために前記分散デバイスが真っ直ぐであることを意味する。入口開口の軸は出口開口の軸と略一致していてもよい。入口開口及び出口開口を整合させると、前記軸を中心に粒子が均一に分散する結果になる傾向がある。

試料分散デバイスは、粒子の略均一な分散を提供するように構成されてもよい。
入口開口は、試料担持表面を渡る流体の均一な流入を提供するように構成されてもよい。例えば、入口開口は略円形であってもよい。入口開口は、２次、３次、４次、５次、６次、７次、８次、１０次、１２次、２０次、又は５０次より高次の回転対称であってもよい。入口開口のアスペクト比は略１であってもよく、又は１．５以下、２以下、２以下．５以下、あるいは３以下であってもよい。入口開口のこのような構成は、試料担持表面を渡る流体の均一な流れと、故に粒子のより均一な分散とを提供することを補助する。

出口開口は複数の孔を備えていてもよい。出口開口は、複数の孔を備えることにより、前記表面を支持するための材料を残したままで、適宜前記表面の周りに配置されてもよい。出口開口は、前記表面の周囲に配設されてもよい。

出口開口は、出口からの流れの均一な分配と、故に粒子の均一な分散とを提供するように構成されてもよい。例えば、出口開口は略円形であってもよい。出口開口は２次、３次、４次、５次、６次、７次、８次、１０次、１２次、２０次、又は５０次より高次の回転対称であってもよい。出口開口のアスペクト比は、略１であってもよく、又は１．５以下、２以下、２．５以下、あるいは３以下であってもよい。出口開口のこのような構成は、出口からの均一な流体の流れと、故により粒子の均一な分散とを提供することを支援する。

出口開口の孔は略円形であってもよい。
入口開口は前記表面よりも小さな面積を有していてもよい。入口開口の軸線に沿った、前記表面に向けた入口開口の投影は、前記表面の範囲内にあってもよい。この配置は、試料が配置されるときに前記表面に試料を向かわせることを支援すると共に、分散中に流体を試料の方向に向かわせることを支援する。

前記デバイスは入口開口に向かってテーパが付けられた漏斗部を更に備えていてもよく、漏斗部の出口は入口開口である。漏斗部はノズルとして作用してもよく、該ノズルは、前記表面に接近するにつれて流体速度を増加させ、前記表面に試料を容易に配置することを補助してもよい。

前記デバイスは、デバイス軸を有し、略円柱形であってもよい。この形状は他の円形部品とともに好適に取り付けることができる。デバイス軸は、入口開口の軸及び出口開口の軸に略一致していてもよく、また、前記表面の図心を通過していてもよい。入口開口と出口開口と表面とが同軸上に配列されることにより、試料はデバイス軸に沿って均一に分散されることになる。

デバイスの多数の特徴部は、全体として、デバイス軸を中心とする比較的高次の回転対称であってもよく、これにより粒子の分散の均一性が高まる。入口開口と、試料担持表面と、出口開口とは、デバイス軸を中心とする回転対称であってもよい。デバイス軸を中心とするこれらの特徴部の回転対称は、２次、３次、４次、５次、６次、７次、８次、１０次、１２次、２０次、又は５０次より高次であってもよい。本デバイスは、入口開口、試料担持表面、及び出口開口が（全体として）同次である、実質的に回転対称であってもよい。前記表面は流路の壁を形成してもよい。

前記デバイスは、前記表面の周囲にリップを有していてもよい。リップは前記表面上に試料を保持することを補助してもよく、又は、流れの方向に影響を与えることにより移動中の流体による試料の分散を補助してもよい。

前記表面は略平坦であってもよい。
本発明の第２態様によれば、少なくともハウジングの基部が閉鎖されるときに分散室を形成するハウジングと、本発明の第１態様による前記デバイスと、前記デバイスの出口開口が分散室への入口と連通するように、分散室への入口に隣接して分散室の外側にデバイスを位置決めするためのアダプタとを備える試料分散装置が提供される。

前記装置は更に、前記表面上で微粒子試料を巻き込んで試料を分散室内に分散させるように、前記デバイスを介して正圧パルスを提供するように作用する流体供給源（好ましくは加圧ガス供給源）を備えていてもよい。

圧力パルスは、０．２バール（２０ｋＰａ）と１０バール（１０００ｋＰａ）（ゲージ）の間の圧力を有していてもよい。該圧力パルスは、１ミリ秒と３００ミリ秒の間の持続時間を有していてもよい。好ましくは、圧力パルスは０．７５バール（７５ｋＰａ）と１．２５バール（１２５ｋＰａ）の間の圧力を有していてもよい。好ましくは、圧力パルスは５ミリ秒と１００ミリ秒の間の持続時間を有していてもよい。

前記装置は、粒子が分散室内で沈降するときに粒子を収集するための収集表面を備えていてもよい。
前記装置は更に、収集表面上に堆積した粒子を分析するための装置を含む粒子分析用アセンブリを備えていてもよい。

本発明の第３態様によれば、本発明の第１態様によるデバイスを使用して試料を分散させる方法であって、前記表面に試料を配置することと、流体が出口開口を通って流れるときに流体中に試料が巻き込まれるように、流路を介して入口開口から出口開口まで流体を流すことと、を含む方法が提供される。

前記流体は加圧ガス（濾過した乾燥空気等）であってもよい。
前記流体を流すことは、入口開口に正圧パルスを印加することを含んでいてもよい。
前記方法は、第２態様による試料分散装置の一部として第１態様によるデバイスを使用することを含んでいてもよく、試料は流体により分散室内に分散されてもよい。

本発明の実施形態を添付された図面を参照しつつ、例示により以下に説明する。

本発明の第１態様の実施形態によるデバイスの概略側断面図である。 図１のデバイスの断面斜視図である。 出口側から見た場合の図１のデバイスの斜視図である。 入口側から見た場合の図１のデバイスの斜視図である。 図１のデバイスを含む、本発明の第２態様の実施形態による装置の概略図である。 （破裂ホイルを用いた）先行技術による試料分散デバイスと、本発明の第１態様の実施形態による試料分散デバイスとをそれぞれ使用して得られた（個数による）粒径分布の比較を示すグラフである。 先行技術による破裂ホイルを備えたデバイスを使用して収集表面上で分散させられたプロピオン酸フルチカゾン試料の顕微鏡写真図である。 本発明の実施形態によるデバイスを使用して収集表面上で分散させられたプロピオン酸フルチカゾン試料の顕微鏡写真図である。

図１〜４を参照すると、試料を担持するための固定面４と、入口開口１と、出口開口２と、流路９とを備えるデバイス１００が示されている。流体が入口開口１を介して流路９に進入し、出口開口２を介して流路を退出することができるように、流路９は入口開口１を出口開口２に接続する。

入口開口１を介して流路９に進入する流体が固定面に衝突する傾向にあることにより、固定面４上にある微粒子試料が移動している流体中へ巻き込まれやすくなるように、固定面４は入口開口１に面して配置される。この実施形態においては、固定面４は平坦であり、表面４からの法線方向は円形入口開口１の軸と平行である。他の実施形態においては、表面４は平坦でなくてもよい。例えば、表面４は凹面であっても、又は他の好適な形状であってもよい。

入口開口１の軸に沿って見た場合、入口開口１の外側範囲は、表面４の範囲内に完全に位置する。この配置により、入口開口１の軸と略平行な方向において入口開口１を通って流路９内に落下するいかなる試料も、下方の表面４上に確実に着地する。表面４の周囲には、表面４上で試料を保持することを補助するリップ５が設けられる。更に、リップ５は、移動している流体中への試料の巻き込みを高めるように構成されてもよい。本実施形態におけるリップ５は、円環の一部と一致する形状を有する。

デバイス１００は更に漏斗部６を備え、該漏斗部は、試料を入口開口１へ案内するとともに、漏斗部６を通って入口開口１に向かって流れる試料の速度を増加させるためのノズルを提供する。漏斗部６は、入口開口１に向かってテーパが付けられている。

本実施形態において、表面４の中心は入口開口１の軸と一致し、入口開口１及び表面４は共に円形であり、入口開口１の半径は表面４の半径よりも小さい。他の実施形態では、入口開口１及び表面４は異なる形状であってもよく、円形でなくてもよい。

出口開口２は、入口開口１の軸と一致する軸を有する円上に等間隔で配置された複数の円形開口を有する。各円形開口は、流路９から出口開口２を出て流れる流体を流し込む面取り部の前に配置されてもよい。出口開口２及び入口開口１が共通軸を有することは、入口開口１を通ってデバイス１００に進入する流体が出口開口２を介して略同方向に流れながらデバイス１００を退出するということを意味する。本実施形態では複数の円形開口が出口開口２として使用されているが、他の実施形態では、出口開口２は多数の環状スロット（例えば、単一の環状スロット）を含んでいてもよい。

本実施形態において、デバイス１００の本体は略直円柱状であり、第１開口１は本体の一方の円形端部にあり、出口開口２は本体の他方の円形端部にある。デバイス１００を通って流れる流体は、略軸方向に流れながら入口開口１を介して進入し、表面４に衝突し、流れの方向が変化するときに試料を巻き込み、その結果、流れ方向は外方向の略放射状の流れに変化する。その後、流体が出口開口２を通って出るときに、流体の流れの方向が再び変化して、流体が再び略軸方向の流れとなる。

図５を参照すると、試料分散装置２００の一部として設置された図１〜４のデバイス１００が示されている。装置２００は、デバイス１００と、ハウジング２０１と、アダプタ２０３と、クランプ２０５と、取付具２０４とを含む。

ハウジング２０１は、試料が試料分散デバイス１００により分散させられる分散室を形成するように構成される。例えば顕微鏡を使用して、試料の粒子を分析できるように、分散された試料は収集表面に集められる。本実施形態では、ハウジングは略円筒状である。ハウジングの第１端（基部）は開放されており、収集表面により閉鎖されることが意図されている。ハウジング２０１の第２端は、アダプタ２０３を受容するためのねじ付き開口２１０を有する。

アダプタ２０３は、ハウジング２０１の第２端において開口２１０に取り付けられるように構成されており、この目的のためにねじ部分２３０が設けられている。アダプタ２０３は更にカラー２３１を備え、該カラー２３１により、装置が移動可能に把持され得る。アダプタ２０３は、デバイス１００の本体と係合するための肩部２３２と、デバイス１００の本体と密閉的に係合可能なシール２３３とを有する。アダプタ２０３は、デバイス１００から分散室に連通する貫通孔を有する。

デバイス１００はアダプタ２０３と係合され、デバイス１００の出口開口２が分散室に面し、且つ入口開口１がクランプ２０５に面した状態で、デバイス１００は、アダプタ２０３と密閉的に係合する際にクランプ２０５により挟持される。

クランプ２０５は、アダプタ２０３及びクランプ２０５上のねじ構成を用いてアダプタ２０３と係合される。クランプ２０５は、流体供給源に接続可能な取付具２０４と係合する。クランプ２０５は、流体供給源から分散室へ連通する貫通孔を備える。クランプ２０５とデバイス１００との係合のためにシールが設けられ、クランプ２０５とアダプタ２０３との係合のために別のシールが設けられる。

前記装置を使用して試料を分散させる方法は、以下の工程を含む。試料は、デバイス１００の入口開口１を介して、試料担持表面４上に配置される。この工程中、ユーザがデバイス１００の入口開口１にアクセスできるように、クランプ２０５はアダプタ２０３と係合していない。その後、デバイス１００及びアダプタ２０３間、デバイス１００及びクランプ２０５間、ならびにクランプ２０５及びアダプタ２０３間において密閉的な係合が生じるように、クランプ２０５がアダプタ２０３と係合される。試料収集表面（図示しない）は、ハウジング２０１の基部と接触させられて、ハウジング２０１を閉鎖し、分散室を形成する。

流体供給源は、取付具２０４に接続されており、正圧でデバイス１００に所定量の流体を供給するために使用されることにより、試料収集表面上での収集のために試料を分散室に分散させる。流体供給源は、所定の圧力で所定の時間だけ流体を提供するように作動可能であってもよい。このような制御により、様々な試料の分散を高度に反復可能に、且つ効果的に行うことができる。

図５に示す試料分散装置を使用して試験を行った。正圧パルス下で破裂する試料担持膜を使用する試料分散装置の従来の設計に対して、比較試験を行った。
本発明の一実施形態による装置の性能は、分散装置の性能が適格であるかどうかを判断するためにこれまで使用されてきた多分散ガラスビーズ移動標準を含む品質監査標準を用いて、適格であると認められた。使用された流体は、濾過された圧縮乾燥空気であった。

本発明の一実施形態による、デバイス１００を備えた装置２００は、２０ミリ秒の流体注入時間、１バール（１００ｋＰａ）の圧力、６０秒の沈降時間を採用する品質監査標準について非常に効果的な分散を提供することが分かった。これらのパラメータは、試料分散装置の従来の設計で得られる結果と十分に合致する結果を提供する。

図６は、本発明の一実施形態による試料分散装置２００を使用して得られた幾つかの例示的結果を示す。（パーセントとしての）粒子の個数による粒子の割合がＹ軸上にプロットされており、ＣＥ粒径がＸ軸上にプロットされている。ＣＥ（円相当）径は、投影された粒子像と同面積を有する円の直径である。１バール（１００ｋＰａ）の圧力、２０ミリ秒の注入時間、６０秒の沈降時間で、本発明の一実施形態を使用して得られた曲線４０２は、従来技術のデバイスを使用して得られた参照曲線４０１と十分に合致している。試料間のある程度のバラツキは避けられないが、そのバラツキはバラツキの許容範囲内である。

セルトラリン（ｓｅｔｒａｌｉｎｅ）塩酸塩、ラクトース、セメント、プロピオン酸フルチカゾンを含む、様々な試料の種類が続いてテストされた。先行技術の設計と比較すると、広範に類似した分散結果が得られたが、図７（ａ）及び７（ｂ）に示すように、試料収集表面上での衝撃の結果として生じる粒子の破損がより少ないという証拠が得られ、よって、本発明の一実施形態を使用する分散は有利である。

図７（ａ）は、先行技術の試料分散デバイスを使用して分散させたプロピオン酸フルチカゾンの試料を示す。４バール（４００ｋＰａ）の注入圧力、１０ミリ秒の注入時間及び６０秒の沈降時間が使用された。試料は２５μｍ厚さの箔上に配置され、別の２５μｍ厚さの箔が試料担持表面の上流に配置された。結果として分散された試料は、試料収集表面での衝撃の際に、より大きな粒子３０２が破壊された結果であると思われる微粒子３０１を含んでいる。

これは、同じ分散設定（４バール（４００ｋＰａ）の注入圧力、１０ミリ秒の注入時間、６０秒の沈降時間）を用いて、本発明の一実施形態を使用して分散させた、図７（ａ）と同一材料の試料を示す図７（ｂ）とは対照的である。微粒子の群は試料収集表面上に見ることができず、全ての粒子３０２が良好に分離されている。

正圧パルス下で破裂する試料担持表面に依存する先行技術の分散デバイスの有用な代替物を提供するために、本発明の実施形態を示してきた。本発明の実施形態は、各試験用に消耗品である箔を必要とせず、これにより先行技術の構成に伴う問題が克服される。本発明の実施形態は、先行技術の方法を使用して得られた分散に少なくとも相当し、また幾つかの状況においては改善された分散を示すという、良好な分散を提供することを示してきた。特に、本発明の実施形態は、より過酷でない分散機構を示しており、その結果、試料収集表面での衝撃の際に粒子の破損がより少なくなる。更に、本発明の実施形態は、より高い適応性を提供し、試料の分散を制御する。破裂するディスクを使用すると、ディスク厚のバラツキにより、利用可能なディスクが制限される。利用可能なディスクの種類の数が相対的に限られる可能性があるため、分散に対する制御の程度が制限される。先行技術の実施形態は、注入圧力及び注入時間の両方を連続的な範囲に亘って調整可能であることにより、改善された適応性及び制御を提供している。

幾つかの特定の実施形態について説明してきたが、本発明はそれらに限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲により定義されるように、本発明の範囲内において多くの改変例及び変更例が可能であることが理解されよう。

Claims (21)

1. 試料を担持するための表面と、入口開口と出口開口とを接続する流路とを備える、粒子の略均一な分散を提供するための試料分散デバイスであって、前記デバイスは、流体が前記入口開口から前記出口開口まで前記流路を通り、前記表面を渡って流れるときに前記試料を分散させるように作動させることが可能であり、前記表面は前記入口開口の方向に面し、分散中は損なわれないままであるように構成されており、前記入口開口を介して前記流路に進入する流体の流れ方向と、前記出口開口を介して前記流路を退出する流体の流れ方向とが略同一方向である、デバイス。
2. 前記入口開口の軸が前記出口開口の軸と略一致する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記出口開口は複数の孔を備える、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記出口開口は前記表面の周囲に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
5. 前記入口開口は前記表面の面積よりも小さな面積を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 前記入口開口の軸に沿った、前記出口開口の前記表面に向けた投影は、前記表面の範囲内である、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記入口開口に向かってテーパが付けられた漏斗部を更に備え、該漏斗部の出口が前記入口開口である、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記デバイスは略円柱形であり、デバイス軸を有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
9. 前記デバイス軸は、前記入口開口の軸及び前記出口開口の軸に略一致し、前記表面の重心を通る、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記表面は前記流路の壁を形成する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
11. 前記表面の周囲にリップを更に備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のデバイス。
12. 前記表面は略平坦である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のデバイス。
13. 前記入口開口及び出口開口のうち少なくとも一方は、２次又は３次より大きな回転対称である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のデバイス。
14. 前記入口開口及び出口開口の少なくとも一方が円形孔を備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のデバイス。
15. ハウジングであって、該ハウジングの基部において少なくとも閉鎖されるときに、分散室を形成するためのハウジングと、
    請求項１〜１４のいずれか１項に記載の前記デバイスと、
    前記デバイスの前記出口開口が前記分散室への入口と連通するように、前記分散室への入り口に隣接して該分散室の外側に前記デバイスを位置決めするためのアダプタと
    を備える試料分散装置。
16. 前記表面上で微粒子試料を巻き込んで該試料を前記分散室内に分散させるように、前記デバイスを介して正圧パルスを提供するように作動可能な流体供給源を更に備える、請求項１５に記載の装置。
17. 粒子が前記分散室内で沈降するときに粒子を収集するための収集表面を備える、請求項１６に記載の装置。
18. 前記収集表面上に堆積した粒子を分析するための装置を含む粒子分析アセンブリを更に備える、請求項１７に記載の装置。
19. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の前記デバイスを使用して試料を分散させる方法であって、
    前記表面に試料を配置することと、
    前記流体が出口開口を通って流れるときに該流体中に前記試料が巻き込まれるように、前記入口開口から前記出口開口まで前記流路を介して流体を流すことと、
    前記流体を流すことは、前記入口開口に正圧パルスを印加することと
    を含む方法。
20. 前記流体は気体である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記デバイスは請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の試料分散装置の一部として使用され、前記試料は前記流体により前記分散室内で分散される、請求項１９又は２０に記載の方法。