JP6837986B2 - 微小粒子、特にナノチューブへの曝露を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、ナノ粒子、特にカーボンナノチューブ等の小さく細長いナノ粒子への長期間の曝露を測定するために、ナノ粒子を収集するための収集装置に関する。

さらに、本発明は、このような収集装置に使用するための、請求項１１に記載の収集要素に関する。

さらに、本発明は、請求項１４及び１６にそれぞれ記載の収集量の測定を可能にするシステム及び方法に関する。

人工ナノマテリアルの今日の進歩は、価値連鎖（ｖａｌｕｅ ｃｈａｉｎ）全体で従業員に新たな、前例のないリスクをもたらす。特に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）のような空気中の吸入可能な繊維状ナノ材料は、吸入するとアスベスト様の健康リスクを引き起こす。

本発明の目的は、上述の汚染が発生する環境下で働く人の汚染の記録を可能にする収集装置を提供することである。特に収集装置では、長期間の曝露が測定されるべきである。

このような目的は、請求項１に記載の収集装置によって解決される。従って、収集装置のナノ粒子への曝露を測定するために、流体中を運ばれるナノ粒子を収集するための収集装置が提供される。前記収集装置は、流体入口及び流体出口を有する流体ダクトと、流体ダクトを通って前記流体を推進する流体推進要素と、前記流体中を運ばれるナノ粒子の収集のために前記流体ダクト内に配置された少なくとも１つの収集要素を含む。収集要素は、収集表面と、前記収集表面に接続して配置される増強構造とを含む。前記ナノ粒子は、前記収集表面及び前記増強構造の領域に堆積される。収集表面は、収集されたナノ粒子の量の手軽な分析を可能にするために、前記ナノ粒子のスペクトル特性を増強する。

収集装置は、ナノ粒子を収集するためにのみ提供され、収集されるナノ粒子の量を測定するためには提供されないことが好ましい。これは、収集装置が、ナノ粒子を収集する手段を含むが、ナノ粒子を分析する手段を含まないことを意味する。より詳細には、収集装置は、ナノ粒子の量を測定するための分光計等を備えていない。分光器等は、収集装置から切り離されている。

言い換えると：収集装置は、好ましくは、汚染された、又は汚染された可能性のある区域内で、ユーザーが携行することができる持ち運び装置として提供される。それにより収集装置は、特に人がそのような区域に留まる間、ナノ粒子を連続的に収集する。さらに好ましくは、収集装置は、個人用携帯装置として提供される。

本明細書の記載から明らかなように、収集装置は、好ましくはシステムの一部である。前記システムは、収集装置と、収集装置とは切り離された分光計とを備える。収集装置で、ナノ粒子を収集し、分光計は、収集装置で収集されたナノ粒子の量を測定する。

収集装置は、ナノ粒子を収集する手段を備えるが、ナノ粒子を分析する装置を備えないことは利点である。何故なら、以下に概説されるように、集められたナノ粒子の量を分析又は測定する工程は切り離された分光計で行うことができるからである。これは、一方で、内蔵型分光器を備えた装置と比較して精度が高い分光器を使用することができるため、結果がより正確になり、他方で、内蔵型分光器を持たないため、収集装置のコストを低減できることを意味する。

この精度を高めた構造により、特に関心のあるナノ粒子と他の粒子との間の区別が容易になるため、収集されたナノ粒子の量の分析は容易になる。

ナノ粒子という用語には、これらに限定されないが、以下の少なくとも１つ又はそれらの組み合わせが含まれる：カーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバー及び／又はカーボンナノプレートレット及び／又はＰＭ２．５並びに他のナノチューブ及びナノファイバー。流体という用語は、好ましくは、空気又は他の流体を意味する。

増強構造は、好ましくは収集表面の一部である。収集表面は、幾何学的に規定された表面として、又は表面がランダム構造によって提供される幾何学的に規定されていない表面として提供され得る。

前記収集表面及び前記増強構造の領域内という用語は、好ましくは、粒子が収集要素の表面上若しくは収集要素の近傍に堆積可能である、又は粒子が少なくとも部分的に収集要素内に堆積可能であると理解されるべきである。

流体ダクトは、好ましくは、前記流体入口から前記流体出口に延在し、密閉された流体ダクトを提供する側壁を含む。従って、流体は、環境への一切の干渉なしに、前記入口から前記出口に導かれる。流体ダクトの断面は、その長さにわたって変化する、又は一定である。最大断面積は、好ましくは７５〜１７５平方ミリメートルの範囲であり、最小断面積は、好ましくは０．２〜７平方ミリメートルの範囲である。

流体推進要素は好ましくはポンプである。ポンプの体積流量は、好ましくは１〜１１００ｍｌ／分である。

収集装置は、好ましくは、汚染された環境に曝されるときにユーザーがそれを持ち運びできるように提供される。従って、収集装置は、好ましくは、軽量であり、比較的小さいサイズである。サイズに関しては、好ましくは最大寸法が１５センチメートル未満である。

好ましくは、前記収集表面及び前記増強構造は、ナノ粒子がラマン分光法によって検出されるように、表面増強ラマン散乱用に設計される。増強構造は、好ましくはＳＥＲＳ活性である。

第１の実施形態では、増強構造は、前記収集要素の、表面又は前記収集表面によって提供される平面内に配置される縁部を含む。縁部と平面は幾何学的に定義された構造を提供する。

好ましくは、前記第１の実施形態では、収集要素は、複数のフィルタ孔を有するフィルタプレートであり、前記開口部の縁沿いの部分が前記縁部を提供する。従って、縁部は、前記フィルタプレート内のフィルタ孔によって直接提供される。

フィルタ孔は、フィルタプレートの前面側からフィルタプレートの背面側に延びる円筒状開口部とすることができる。それにより、前面側の円筒形開口部の縁沿いの部分が前記縁部を提供する。

好ましくは、前記フィルタ孔は、流体ダクトの断面にわたって延在する前記フィルタプレートの領域にわたって均一に分布している。好ましくは、前記領域は、フィルタプレートに通じる流体ダクトの断面と一致する。

好ましくは、前記フィルタ孔の幅は２０〜９００ナノメートルの範囲内、特に８０〜２００ナノメートルの範囲内である。

好ましくは、前記フィルタ孔の密度は、１平方センチメートルあたり１０^８〜１０^１０孔の範囲内である。孔は、好ましくは、互いに規則的な間隔で配置される。

好ましくは、フィルタプレートは、白金又は銀又は金又はパラジウム等の貴金属のコーティングを有する。前記コーティングは、前記ナノ粒子が、少なくとも部分的に、コーティングされた領域上に堆積するように配置される。コーティングされた領域は、好ましくは、
フィルタプレートの全表面、又は
少なくともフィルタプレートの収集表面、又は
フィルタ孔の少なくとも縁部である。

コーティングは、ナノ粒子と他の粒子との間の分光学的な差が増大されるという点で有利である。

好ましくは、フィルタプレートの材料は窒化ケイ素（ＳｉＮ）又はケイ素（Ｓｉ）又はアルミナ又は多孔質シリコンである。

第２の実施形態では、収集要素は、前記増強構造を含むフィルタ膜である。フィルタ膜は、表面がランダム構造によって提供される、幾何学的に規定されていない表面として提供される。フィルタ膜は、不織又は織り構造によって提供され得る。

好ましくは、第２の実施形態による前記増強構造は、フィルタ膜の表面上に配置される。あるいは、増強構造を前記フィルタ膜に埋め込むこともできる。

好ましくは、前記フィルタ膜は、白金又は銀又は金又はパラジウム等の貴金属のナノ粒子で少なくとも部分的にコーティングされる。貴金属粒子コーティングは、第１の実施形態に関して述べたのと同じ効果を有する。コーティングは、好ましくは、貴金属粒子がフィルタ膜上に噴霧され、浸され又は堆積された形で提供される。それにより、コーティングは、フィルタ膜の表面上に提供される。

好ましくは、フィルタ膜の材料は、ポリカーボネート及び／又は混合セルロースエステル及び／又はポリテトラフルオロエチレン等である。

好ましくは、全ての実施形態による収集要素は、定められた基準又は較正情報が配置される基準部をさらに含む。この情報は、ナノ粒子の量を測定する際に使用することができる。

収集装置は、好ましくは、前記流体ダクト内に、前記流体の流れの方向に見て前記収集要素の手前に配置されたフィルタ機構を備える。フィルタ機構によって、収集要素上にナノ粒子ではない粒子が堆積するのを防ぐことができる。

第１の実施形態では、フィルタ機構は、いくつかの湾曲部を有するフィルタダクトと、前記フィルタダクトへの少なくとも１つの入口と、前記フィルタダクトからの少なくとも１つの出口とを含む。前記湾曲部分の各々に、前記出口が１つずつ配置されている。前記湾曲部の半径は、収集される粒子が関心のない他の粒子から分離可能であり、前記出口の少なくとも１つが収集要素の方に向けられるように提供される。

第２の実施形態では、フィルタ機構は、収集されるナノ粒子がフィルタ要素を通過するように、収集されるナノ粒子よりも大きいフィルタ孔を有するフィルタ要素である。

全ての実施形態におけるフィルタ機構は、好ましくは、９００ナノメートルより大きなサイズを有する粒子を濾過して取り除くように提供される。

従って、第２の実施形態によるフィルタ機構は、９００ナノメートルの範囲のフィルタ孔を有する。収集装置が使用される環境に依存して、フィルタ孔は、分析されるナノ粒子だけでなく他の粒子も含む粒子組成物を通過させるために、特に９００ナノメートルよりも大きくすることができる。フィルタ孔のサイズは、収集装置が使用される環境に応じて５マイクロメートルまで可能である。粒子が凝集塊を形成すると予想される場合、フィルタの孔は最大２０マイクロメートルまでであってよい。

フィルタ機構は、特に第２の実施形態において、１つより多いフィルタを備えることができる。特に、少なくとも第１のフィルタ及び第２のフィルタが配置される。第１のフィルタは、第２のフィルタよりも大きな孔径を有する。第２のフィルタは、第１のフィルタと収集要素との間に配置される。従って、流体は、第１のフィルタを通過し、続いて第２のフィルタを通過し、次いで収集要素に到達する。これは、望ましくない粒子が、第１及び第２のフィルタによって流体流から濾過によって除かれることを意味する。

好ましくは、流体入口、流体ダクトの一部及び収集要素は、収集カートリッジの一部である。収集カートリッジは、収集装置とは切り離されているが、収集装置に接続可能又は挿入可能である。収集カートリッジは、ナノ粒子の収集後に新しい収集カートリッジに交換することができ、これにより使用済み収集カートリッジを処分することができる。流体ダクトインターフェースを介して、収集カートリッジの流体ダクトの一部は、収集装置の流体ダクトの一部に接続される。

好ましくは、前記フィルタダクトは、収集カートリッジの流体ダクトの一部であり、少なくとも１つの前記出口の手前に、前記収集要素の１つが配置される。好ましくは、出口の各々は、収集要素を含む。しかしながら、出口の１つ又はいくつかの出口のみに、収集要素を配置することも可能であり、その他の出口において、収集要素と同じ又は類似の抵抗を有する空気調節要素を配置して、ダクト内の同様の流れ状態を維持することができる。

好ましくは、収集装置は、収集カートリッジが挿入可能なチャンバを備え、前記チャンバ内で前記流体ダクトインターフェースは、その前記流体ダクトインターフェースを介して、収集カートリッジの流体ダクトの一部が収集要素装置の流体ダクトの一部に接続されるように配置される。

好ましくは、収集装置又は収集カートリッジは、特に５１４〜７８５ナノメートルの範囲、特に５３２ナノメートルの波長を有するレーザー光に対して透明である窓を含み、その窓の下に前記収集要素が配置され、前記窓を通して、前記収集要素の上又は中に堆積したナノ粒子を分析することができる。

従って、前記窓によって、前記収集装置又は前記収集カートリッジから収集要素を取り外すことなく、収集されたナノ粒子の量の分析を行うことができる。しかしながら、収集カートリッジが使用される場合、収集カートリッジは収集装置から取り外すことができるが、収集要素は収集カートリッジから取り外すことができない。これには、収集要素を操作する必要がないという利点がある。従って、外から入って来る粒子による望ましくない汚染を防止することができる。

さらに、分析の後、ナノ粒子の最大量に達していない場合には、収集装置を再利用することができる。

好ましくは、収集装置は、少なくとも前記流体推進要素に電力を供給するバッテリをさらに含む。

好ましくは、本明細書中に記載された全ての構成要素は、共通の支持プレート上に配置される。支持プレートは、好ましくは、上述したようにさらに窓を有するハウジングの一部である。

さらに、データの保存、収集時間又は使用時間の測定、ポンプの制御等のさらなる機能のために、チップ等の追加の要素を前記ハウジング内に配置することも可能である。

さらに、収集装置は、さらなるデータを監視するために、加速度計及び／又は温度計及び／又は湿度計を含むことができる。さらに、通信に関して、収集装置は、通信機能を提供するための無線チップ及び／又は収集装置の位置を特定することを可能にする無線チップを含むことができる。無線チップは、ＷＬＡＮモジュールとすることができる。

加速度計は、例えば、ユーザーの身体活動を検出し、それに応じてポンプを制御するために使用することができる。これは、ユーザーの身体活動が高い場合は体積流量も高く、ユーザーの身体活動が低い場合には体積流量も低いことを意味する。従って、収集装置への空気の吸入は、収集装置を持ち運ぶ人の肺への空気の吸入にほぼ対応している。

温度計及び／又は湿度計によって、収集装置の場所又は使用に関するさらなる情報を得ることも可能である。例えば、ユーザーが職場にいるか、外で休憩しているかを検出することが可能である。

好ましくは、収集装置はガス検出器を含む。ガス検出器を用いて、収集装置の周囲のガスの特性を特定することが可能である。例えば、収集装置がナノ粒子の発生する環境にあるか、又は別の環境にあるかを特定することが可能になる。

上述のようにセンサによって提供されるデータを使用して測定することができる収集装置の位置に基づいて、流体推進要素は制御することができ、及び／又は収集装置をオン又はオフに切り替えることができる。例えば、収集装置がナノ粒子の存在する部屋にある場合、収集装置がオンになるか、又はポンプの体積流量が増加する。収集装置がその部屋から出て、重大でない量のナノ粒子のみが存在する環境に移動した場合、収集装置のスイッチがオフになるか、又はポンプの体積流量が減少する。

収集要素は、特に、上述のような収集装置での使用のために、収集表面と、収集表面に関連して増強構造が配置された増強構造とを含む。収集要素は収集装置とは切り離されているが、収集装置に挿入することができる。

好ましくは、収集要素は、収集装置に関連して上に概説した特徴をさらに含む。

好ましくは、収集要素は、前記収集装置内の吸入開口に導入可能なキャリア要素上に配置される。吸気開口部は、前記ハウジング及び／又は前記支持要素の一部であってもよい。

好ましくは、前記フィルタ機構及び前記収集要素は、流体ダクト内に挿入可能な単一の要素として提供される。従って、フィルタ機構及び収集要素は、一回の動作で置き換えることができる。もちろん、収集要素をフィルタ機構から切り離して設けることも可能である。

収集装置で使用するための収集カートリッジは、上述の通り、
前記収集カートリッジは流体入口と、流体ダクトの一部と、収集要素を含み、収集カートリッジは収集装置とは切り離されているが収集装置に接続可能又は挿入可能であり、
流体ダクトインターフェースを介して、収集カートリッジの流体ダクトの一部が、収集装置の流体ダクトの一部に接続される。

上述の収集要素、又は上述の収集カートリッジは、プロセス汚染を測定するための表面スワイプ装置として提供することもできる。

システムは、上述の説明による収集装置と、分光計とを含む。収集装置は、前記表面上に存在するナノ粒子の量に関して収集要素を分析する前記分光計内に配置することができる。あるいは、透過型電子顕微鏡装置を使用することもできる。

好ましくは、ラマン分光法を用いて分光計を動作させる。これは、増強された表面構造と組み合わせて特に有利である。

上述のように、収集装置は分光計と切り離されており、収集されたナノ粒子の量を分析するために分光計に挿入可能である。

好ましくは、収集要素又は収集カートリッジは、分光計内で収集装置から交換可能である。

ナノ粒子、特にカーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバー及び／又はカーボンナノプレートレット及び／又はＰＭ２．５への曝露を分析する方法は、
前記ナノ粒子で汚染されている可能性がある環境において、上記説明に従って収集装置を前記ナノ粒子に曝露する工程と、
前記流体推進要素を、収集装置が前記環境内に存在する限り連続的に作動させる工程と、
収集装置を前記環境から取り出す工程と、
上述のようなシステムに従って分光計に収集装置を設置する工程と、
ナノ粒子への曝露に関する情報を得るために、収集要素の増強構造上に堆積されたナノ粒子のスペクトルを分析する工程とを含む。

収集装置が上述のように窓を有する場合、収集装置から収集要素を取り外すことなく分析工程を実行することができる。これの有利な点は収集要素が影響を受けないことである。

好ましくは、分光計に収集装置を配置する工程と、ナノ粒子のスペクトルを分析する工程の間に、収集カートリッジを収集装置から取り外す工程を含む方法である。

好ましくは、装置の曝露の持続時間が記録され、保存される。

本発明のさらなる実施形態は、従属請求項に記載されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明するが、これは本発明の好ましい実施形態を例示するためのものであり、本発明を限定するものではない。図面では、

図１は、本発明の実施形態による収集部を有する収集装置の概略斜視図を示す。 図２は、本発明の実施形態による収集部を有する収集装置の概略斜視図及び部分断面図を示す。 図３は、本発明による収集装置を有するシステムを示す図である。 図４ａ／ｂは、図１による収集装置に使用される収集要素の第１の実施形態の詳細図を示す。 図５ａ／ｂは、図１による収集装置に使用される収集要素の第２の実施形態の詳細図を示す。 図６ａ−６ｃは、収集カートリッジを備えた図１及び２による収集装置のさらなる斜視図を示す。 図７は、収集カートリッジを挿入することができる前述の図による収集装置のチャンバの概略図を示す。

図１は、ナノ粒子Ｎへの曝露を特定するために、流体Ｆ中を運ばれるナノ粒子を収集するための収集装置１の一実施形態の斜視図を示す。

収集装置１の好ましい使用では、ユーザーがナノ粒子Ｎに曝される環境下で、収集装置はユーザーが持ち運ぶことができる。これにより、収集装置１は、前記環境において大気中に運ばれたナノ粒子Ｎを連続的に収集することができる。収集装置は、例えば、そのようなナノ粒子Ｎが大気中を運ばれる工業生産施設又は研究施設で使用することができる。

あるいは、収集装置１は、ＰＭ２．５又はより小さなサイズの何か他の粒状物質への曝露を測定するために、そのような環境だけでなく日常生活に使用されてもよい。

使用後、収集装置１は、曝露時間にわたって収集されたナノ粒子の量を分析するために分析装置に運ばれる。分析装置は、以下の図３に関して説明する分光計であってもよい。

図２は、収集装置１の断面斜視図も示している。断面線は、収集装置１の一部である流体ダクト２を通って延びる。

図１及び図２に示す収集装置１の実施形態は、流体入口３及び流体出口４を有する流体ダクト２を備える。さらに、収集装置１は、流体ダクト２を通って流体Ｆを推進する流体推進要素５と、前記流体Ｆ内を運ばれるナノ粒子Ｎの収集のために前記流体ダクト２内に配置される収集要素７とを備える。流体推進要素５は、流体入口３から流体出口４へ流体Ｆを推進し、それにより、流体Ｆは、ナノ粒子Ｎが収集される収集要素7の上又は中を運ばれる。

流体ダクト２内の流体Ｆの流れの方向は、矢印Ａで示される破線の矢印で示されている。

上述したように、収集装置１は、ユーザーがナノ粒子に曝露されている間に持ち運ぶことができるように持ち運び装置として提供される。従って、収集装置１は、その物理的サイズに関してかなり小さい。収集装置１は、収集されたナノ粒子の量を測定するいかなる手段も含まない。言い換えると、収集装置１は、ナノ粒子Ｎの収集のためにのみ提供され、収集されるナノ粒子Ｎの量を測定するためには提供されない。

収集要素７は、収集表面８と、前記収集表面８に関連して増強構造９が配置された増強構造９とを含む。ナノ粒子Ｎは、前記収集表面８及び前記増強構造９の領域に堆積される。増強構造９を有する収集表面８は、収集されたナノ粒子Ｎの量の手軽で容易な分析のために、前記ナノ粒子Ｎのスペクトル特性を増強する。従って、前記増強構造９を有する収集表面８上に堆積されたナノ粒子Ｎの量を測定することがより容易になる。

収集要素７は、流体の流れのラインに関して異なって配置することができる。しかし、好ましくは、収集要素７の近傍の流れのラインは、流れのラインが収集表面８に対して垂直に又は角度的に傾斜している方向を向くことが好ましい。その結果として、流体は最適な角度で収集表面８に当たる。

収集要素７は、流体入口３と流体出口４との間の流体ダクト２内に配置される。これにより、流体推進要素７は、流れ方向Ｆに見て収集要素７の後方に配置される。他の実施形態では、流体推進要素7は、流れ方向Fに見て収集要素7の手前に配置することも可能である。

図に示す実施形態の収集要素7は、窓１７の下に配置される。窓１７は、収集要素7及び収集要素７によって収集されるナノ粒子への可視的なアクセスを提供できるように提供される。これは、回収装置１から回収要素７を取り外すことなく回収されたナノ粒子の量を分析できるようにするためである。

窓１７は透明である。特に窓１７は、５１４〜７８５ナノメートルの範囲の波長を有するレーザー光、特に波長５３２ナノメートルの波長を有するレーザー光に対して透明である。

流体ダクト２内の流体Ｆの流れの方向から見て、収集要素7の手前に、フィルタ機構１６が配置されている。

図６ａ〜６ｃに示す第１の実施形態によれば、フィルタ機構１６は、いくつかの湾曲部２６を有するフィルタダクト２５と、前記フィルタダクト２５への少なくとも1つの入口２７と、前記フィルタダクト２５からの少なくとも1つの出口２８を有する。入口２７は、流体入口３とすることができる。あるいは、流体入口３は、収集装置１によって提供することができる。前記湾曲部２６のそれぞれに、前記出口２８が１つずつ配置される。前記湾曲部２６の半径は、収集されるべき粒子が、関心のない他の粒子から分離可能であり、前記出口２８の少なくとも１つが収集要素７の方に向けられるように提供される。言い換えると、粒子はそのサイズで分離できる。これは、全ての出口において、所定の大きさの粒子を提供できることを意味する。例えば、１つの出口では２マイクロメートルより小さい粒子が存在することが可能であり、１つの出口に２〜６マイクロメートルのサイズの粒子が存在し、第３の出口に６マイクロメートルより大きいサイズを有する粒子が存在する。この分布は一例として考慮されるべきであり、湾曲部の形状及びダクト内の流体の速度に基づいて変化し得る。

好ましくは、全ての出口において、前記収集要素が１つずつ配置される。しかし、関心のあるサイズのナノ粒子を収集するために、いくつかの出口のみに収集要素を配置することも可能である。出口の全てに収集要素が設けられていない場合、収集要素を有さない出口には、ダクトにおける同様の流れ状態を維持するために、収集要素と同じ又は同様の抵抗を有する空気調整要素が設けられる。

図７に示すように、出口２８は、収集装置１の流体ダクト２のインターフェース３２に向けられている。インターフェースの一部は、出口と流体ダクト２との間の間隙を流体密封状態でシールする密封要素３３でもある。収集要素７は、流れ方向Ａから見て湾曲部の後方の、出口２８の近くに配置される。

図１及び図２に示す第２の実施形態のフィルタ機構１６は、少なくとも１つのフィルタ、好ましくは複数のフィルタを順番に備えている。フィルタ機構１６の配置により、関心のない粒子、すなわちナノ粒子ではない粒子をフィルタ機構１６によって予め濾過により分別することが可能である。従って、収集要素７は、このような、分析に影響を及ぼす可能性がある粒子には曝されない。

図６ａ〜７に示すように、収集装置１は、チャンバ３１に挿入可能な収集カートリッジ２９をさらに備える。収集カートリッジ２９は交換可能である。流体入口２、流体ダクト２ａの一部及び収集要素７は、収集カートリッジ２９の一部であり、収集カートリッジ２９は収集装置１から切り離されているが、収集装置１に接続可能であるか又は挿入可能である。流体ダクトインターフェース３０を介して、収集カートリッジ２９の流体ダクト２の一部２ａは、収集装置１の流体ダクト２の一部２ｂに接続される。

流体ダクトインターフェース３０の後、流体ダクト２ｂは流体推進要素５に向かって導かれる。

図６ａでは、収集カートリッジ２９がその挿入された段階で示されている。これは、流体ダクト２が流体ダクトインターフェース３０で閉じられ、収集装置１がナノ粒子を収集することができることを意味する。図６ｂ及び図６ｃでは、収集カートリッジは、収集要素１から取り外されるか、又は収集要素１に再び取り付けられるものとして示されている。取外しには、分析工程において収集カートリッジ２９を交換して分析することができ、収集装置がさらに新しい収集カートリッジ２９と共に使用できるという利点がある。

チャンバ３１は、この実施形態では、収集カートリッジ２９をチャンバ３１内に保持する任意のばね手段３２も含む。

さらに、図１及び図２から、この実施形態の収集装置１は、少なくとも流体推進要素５に動力を供給するバッテリ２０をさらに備えることが分かる。

さらに、例えばメモリ容量及び制御容量を有するチップを受け入れるための電子インターフェース２１が設けられている。このようなチップは、ポンプ、バッテリ及び可能な他の要素を制御するための制御装置として機能することができる。さらに、それは上述のように曝露時間を監視するのに機能してもよい。電子インターフェース２１は、データのやりとりが可能な有線又は無線の外部インターフェースに接続されていてもよい。

流体ダクト２、並びに流体推進要素５及びバッテリ２０及び電子インターフェース２１は、共通の支持要素６上に配置される。支持要素６は、上述した要素が配置されるハウジングであってもよい。支持要素６はシンプルなプレートであってもよい。

図３は、図１及び図２に示す収集装置１及び分光計１９を含むシステムを示す。これにより、収集装置１又は収集カートリッジは、前記分光計１９内の受け部２２内に配置される。分光計は、レーザーユニット２３を備える。これにより、収集装置１は、収集カートリッジ又は収集装置の窓１７がレーザーユニット２３の下に位置するように配置される。レーザーユニット２３により、収集要素７、特にナノ粒子Ｎを有する収集表面８を走査することができ、収集されたナノ粒子の量を分析することができる。

さらに、収集要素７からのさらなる情報、収集要素７のＩＤ、又は関心のあるさらなるデータを読み取ることも可能である。このデータは、図示されていない電子有線又は無線インターフェース又はレーザーユニット２３によってやりとりされ得る。曝露時間は、好ましくは、電子インターフェース２１によって追跡される。

分光計は、好ましくは、ラマン分光法で動作することができる分光計である。ラマン分光法は、前記収集表面８上のナノ粒子の分析に際して特に有利である。分光器のレーザーユニット２３は、収集表面８を走査する。その後、ファイバー及び他の粒子の収集されたスペクトル情報が分析され、ライブラリデータと比較される。収集要素１によって提供されたデータ及び曝露時間と共に、個体の曝露レベルが計算される。好ましくは、結果は、「検出されない」、「＜＜ＯＥＬ」、「＜ＯＥＬ」、「≒ＯＥＬ」、「＞＞ＯＥＬ」等の定義可能な曝露範囲で提示される（ＯＥＬ：ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ、職業曝露レベル）。曝露レベルは、カラーコード、テキストコード等によって示すことができる。さらに、曝露レベルは、さらなる使用のためにデータベースに保存されてもよい。曝露レベルは、職業曝露レベルではなく、推奨曝露レベルとすることもできる。

標準的なＯＥＬ検出に加えて、追加の物質固有の情報を、濾過されたファイバー及び粒子から取り出して、さらなる処理に使用することができる。好ましくは、分光計は、曝露レベルを測定し、ユーザー又は他の人員のためのデータを提供する。曝露レベルは、コンピュータ、スマートフォン及び／又はサーバに出力することができる。特に、測定された曝露レベルを保存することが有利である。

収集装置１及び分光計１９を用いて、ナノ粒子、特にカーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバー及び／又はカーボンナノプレートレット及び／又はＰＭ２．５への曝露を分析する方法は、
前記ナノ粒子で汚染された可能性のある環境下で収集装置１を曝露する工程と、
前記流体推進要素５を、収集装置１が前記環境に存在する限り連続的に動作させる工程と、
収集装置１を前記環境から取り出す工程と、
上述のようなシステムに従って分光計に収集装置１を設置する工程と、
ナノ粒子への曝露に関する情報を得るために、収集要素７の増強構造９上に堆積されたナノ粒子のスペクトルを分析する工程
を含む。

収集要素７が上述したカートリッジの一部である場合、この方法は、収集装置を分光計に設置する工程とナノ粒子のスペクトルを分析する工程との間に、収集装置１から収集カートリッジ２９を取り出す工程を含む。

収集装置１を使用する人が、測定すべき粒子に曝露されている限り、ポンプは動作することが好ましい。ユーザーが工場で働く場合、ポンプは、就労の期間の全体にわたって、例えば８〜１２時間にわたって動作される。このような動作により、長期間の測定が可能となる。

図４ａ及び図４ｂは、第１の実施形態による収集要素７の詳細図を示す。図４ａ及び４ｂによると収集要素７は、上述のように収集要素１の流体ダクト２内に配置することができる。

第１の実施形態による収集要素７は、複数のフィルタ孔１２を有するフィルタプレート１１として提供される。フィルタ孔１２は、孔１２の縁沿いの部分である縁部１０を有する。ここでの縁部１０は、定義された幾何学的構造である。いくつかのフィルタ孔１２がフィルタプレート１１に配置され、それにより共通平面Ｐに配置されたいくつかの縁部１０を提供する。平面ｐは、収集要素７の表面によって提供される。縁部１０は前記増強構造９を提供する。これらの縁部１０により、前記フィルタプレート１１上に堆積されたナノ粒子Ｎの分光コントラストを向上させることができる。

前記フィルタ孔１２は、好ましくは、前記フィルタプレート１１の領域にわたって均一に分布している。フィルタプレート１１が流体ダクト２内に挿入されると、フィルタプレート１１は、流体ダクト２の断面にわたって延在する。従って、フィルタ孔１２は、流体ダクト２の断面にわたって均一に分布している。従って、流体Ｆはフィルタプレート１０を非常に容易に通過することができる。

フィルタ孔１２の幅Ｗは、好ましくは２０〜９００ナノメートル、特に８０〜２００ナノメートルの範囲である。これは、図４ａ及び図４ｂに示されているように、同じ範囲にあるナノ粒子が収集表面８上に堆積されることを意味する。

フィルタ孔１２の密度は、１平方センチメートルあたり１０^８又は１０^１０孔の範囲である。図４ａと図４ｂは縮尺通りではないことは明らかである。

好ましくは、フィルタプレート１１は、白金又は銀又は金又はパラジウム等の貴金属材料のコーティング１３を有する。コーティング１３は、前記ナノ粒子Ｎが、コーティングされた領域上に少なくとも部分的に堆積されるように配置される。コーティングされた領域は、ナノ粒子Ｎが堆積される収集装置１の収集表面８を覆っていることが好ましい。コーティングは、一例として囲われた（ｈｅｄｇｅｄ）領域１３によって図４ｂに示されている。しかしながら、コーティング１３は好ましくは収集表面８の全体にわたって延在していることは明らかである。コーティング１３を加えるために適用される方法によって、後者は、フィルタ孔１２内に少なくとも部分的に延在してもよい。別の変形例では、フィルタプレート１１が完全にコーティングされていてもよい。

フィルタプレートの材料は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）又はケイ素（Ｓｉ）又はアルミナ又は多孔質シリコンであることが好ましい。

図５には、収集要素７の第２の実施形態の２つの変形例が示されている。ここで、収集要素７は、前記増強構造９を含むフィルタ膜１４である。増強構造９は、フィルタ膜１４の表面上に配置され、及び／又は前記フィルタ膜１４に埋め込まれてもよい。増強構造９は、ここでは粒子として、特に表面５上に配置されているか、又はフィルタ膜１４に埋め込まれているナノ粒子２４として描かれている。。粒子２４は、球形又はカプセル形であり得る。粒子は、噴霧又は堆積／濾過プロセスによってフィルタに加えることができる。さらに、フィルタ膜１４上に堆積させることができる液体中に増強構造９を提供する粒子を溶解させることも可能である。

フィルタ膜１４はまた、コーティング１３で少なくとも部分的にコーティングされている。特に、コーティング１３を前記フィレット（ｆｉｌｌｅｔｓ）に塗布することができ、又は前記フィレット２４を提供することができる。コーティング材料１３は、収集要素７の第１の実施形態に関して述べたものと同じである。

フィルタ膜１４の材料は、好ましくは、ポリカーボネート及び／又は混合セルロースエステル及び／又はポリテトラフルオロエチレン等である。

さらに、収集要素７の両方の実施形態は、基準部１８を含むことができる。基準部１８は図４ａに示されている。基準部１８は、図３に示すように収集要素７が分光計１９で使用されるとき、収集要素７の認識を可能にするように、収集要素７の識別に関する収集要素の情報を保存する働きをする。

さらに、収集要素７は、流体ダクト内のスロットに挿入することができるインサート様要素として提供することができる。１つの可能な例は、上述の収集カートリッジ２９である。好ましくは、流体ダクトは、前記収集要素を受容するための各スロットを含む。さらに、フィルタ機構１６は、インサート様要素によって提供することもできる。

さらに、フィルタ機構１６は、単一の装置内で収集要素７と組み合わせることもできる。従って、フィルタ機構１６及び／又は収集要素７を交換する必要がある場合には、この単一の装置を交換することができる。

１ 収集装置
２ 流体ダクト
３ 流体入口
４ 流体出口
５ 流体推進要素
６ 支持要素
７ 収集要素
８ 収集表面
９ 増強構造
１０ 縁部
１１ フィルタプレート
１２ フィルタ孔
１３ コーティング
１４ フィルタ膜
１５ 表面
１６ フィルタ機構
１７ 窓
１８ 基準部
１９ 分光計
２０ バッテリ
２１ 電子インターフェース
２２ 受け部
２３ レーザーユニット
２４ ナノ粒子
２５ フィルタダクト
２６ 湾曲部
２７ 入口
２８ 出口
２９ 収集カートリッジ
３０ 流体ダクトインターフェース
３１ チャンバ
３２ ばね手段
３３ 密封要素
Ｆ 流体

Claims (19)

1. 収集装置（１）のナノ粒子（Ｎ）への曝露を測定するために流体（Ｆ）中を運ばれたナノ粒子を収集するための少なくとも一つの収集装置（１）を備えるシステムであって、
   前記収集装置（１）は、
   流体入口（３）及び流体出口（４）を有する流体ダクト（２）と、
   前記流体ダクト（２）を通って前記流体（Ｆ）を推進する流体推進要素（５）と、
   前記流体（Ｆ）中を運ばれたナノ粒子（Ｎ）を収集するために前記流体ダクト（２）内に配置される少なくとも１つの収集要素（７）を含み、
   前記収集要素（７）は、収集表面（８）と、増強構造（９）であって前記収集表面（８）に接続して配置されている増強構造（９）とを含み、
   前記ナノ粒子（Ｎ）が前記収集表面（８）及び前記増強構造（９）の領域に堆積され、
   増強構造（９）を有する前記収集表面（８）は、収集されたナノ粒子（Ｎ）の量の分析を可能にするために、前記ナノ粒子（Ｎ）のスペクトル特性を増強するとともに、
   当該システムが、さらに収集カートリッジを備え、
   前記収集カートリッジ（２９）が、前記収集装置（１）から切り離し可能で、かつ、前記収集装置（１）に接続可能又は挿入可能であり、
   前記流体入口（３）、前記流体ダクト（２）の一部（２ａ）、及び前記収集要素（７）が、前記収集装置（１）に接続された前記収集カートリッジ（２９）の一部によって構成され、
   流体ダクトインターフェース（３０）を介して、前記収集カートリッジ（２９）の前記流体ダクト（２）の前記一部（２ａ）が、前記収集装置（１）の前記流体ダクト（２）の前記一部（２ｂ）に接続され、
   当該システムが、動作にラマン分光法が使用される分光計（１９）を備え、
   前記収集装置（１）が、前記分光計から切り離されており、前記収集されたナノ粒子の量の分析するために前記分光計に挿入可能であり、
   前記収集カートリッジ（２９）が、前記収集されたナノ粒子の量の分析が行われる前に、前記収集装置（１）から取り外し可能であるシステム。
   
2. 収集装置（１）がナノ粒子（Ｎ）の収集専用に提供され、収集されるナノ粒子（Ｎ）の量を測定するためには提供されず、及び／又は収集装置（１）が持ち運び装置として提供され、及び／又は、
   前記収集表面（８）及び前記増強構造（９）が、ラマン分光法によってナノ粒子（Ｎ）を検出できるように表面増強ラマン散乱用に設計されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記収集装置（１）が、個人用持ち運び装置として提供される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記増強構造（９）が、前記収集要素（７）の表面又は前記収集表面（８）によって提供される平面（Ｐ）に配置された縁部（１０）を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記収集要素（７）が、複数のフィルタ孔（１２）を有するフィルタプレート（１１）であり、前記フィルタ孔（１２）の縁沿いの部分が前記縁部（１０）を提供する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記フィルタ孔（１２）は、前記流体ダクト（２）の断面にわたって延在する前記フィルタプレート（１１）の領域にわたって均等に分布し、及び／又は
   前記フィルタ孔の幅（Ｗ）が２０〜９００ナノメートルの範囲であり、及び／又は
   前記フィルタ孔（１２）の密度が、１平方センチメートル当たり１０^８〜１０^１０孔の範囲であり、及び／又は
   前記フィルタプレート（１１）が、白金又は銀又は金又はパラジウム等の貴金属のコーティング（１３）を含み、前記コーティングは、前記ナノ粒子（Ｎ）が、コーティングされた領域上に少なくとも部分的に堆積されるように配置され、前記コーティングされた領域は、
   前記フィルタプレート（１１）の全表面、又は
   前記フィルタプレート（１１）の少なくとも前記収集表面（８）、又は
   前記フィルタ孔（１２）の少なくとも前記縁部（１０）であり、及び／又は
   前記フィルタプレート（１１）の材料が、ＳｉＮ又はＳｉ又はアルミナ又は多孔質シリコンである、請求項５に記載のシステム。
7. 前記フィルタ孔の幅（Ｗ）が、８０〜２００ナノメートルの範囲である、請求項６記載のシステム。
8. 前記収集要素（７）が、前記増強構造（９）を含むフィルタ膜（１４）である、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
9. 前記増強構造（９）が、前記フィルタ膜（１４）の表面（１５）上に配置され、及び／又は前記フィルタ膜（１４）に埋め込まれ、及び／又は
   前記フィルタ膜（１４）が、白金又は銀又は金又はパラジウム等の貴金属のコーティング（１３）で少なくとも部分的にコーティングされ、及び／又は
   前記フィルタ膜（１４）の材料が、ポリカーボネート及び／又は混合セルロースエステル及び／又はポリテトラフルオロエチレンである、
   請求項８に記載のシステム。
10. 収集要素（７）が、測定された基準又は較正情報が配置される基準部（１８）をさらに含み、及び／又は
    収集装置（１）が、少なくとも前記流体推進要素（５）に電力を供給するバッテリ（２０）をさらに備える、
    請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記収集装置（１）又は前記収集カートリッジ（２９）のそれぞれが、前記流体ダクト（２）内に、前記流体（Ｆ）の流れ方向（Ａ）に見て前記収集要素（７）の手前に配置されたフィルタ機構（１６）を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記フィルタ機構（１６）が、複数の湾曲部（２６）を有するフィルタダクト（２５）と、前記フィルタダクト（２５）への少なくとも１つの入口（２７）と、前記フィルタダクト（２５）からの少なくとも１つの出口（２８）を含み、
    前記湾曲部（２６）の各々に、前記出口（２８）が配置され、
    前記湾曲部（２６）の半径が、収集されるナノ粒子と関心のない他の粒子とを分離できるように提供され、
    前記出口の（２８）の少なくとも１つが収集要素（７）に向けられており、又は
    前記フィルタ機構（１６）が、収集される前記ナノ粒子が前記フィルタ要素を通過するように、前記収集される前記ナノ粒子よりも大きいフィルタ孔を有するフィルタ要素である、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記フィルタダクト（２５）が、前記収集カートリッジ（２９）の前記流体ダクト（２）の一部であり、前記出口の少なくとも１つの前に、前記収集要素（７）が配置される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記収集装置（１）又は前記収集カートリッジが、５１４〜７８５ナノメートルの範囲の波長のレーザー光に対して透明である窓（１７）を含み、前記窓（１７）の下に前記収集要素（７）が配置され、
    前記窓（１７）を通して、前記収集要素（７）の上又は中に堆積したナノ粒子を測定できる、
    請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記収集装置（１）又は前記収集カートリッジが、５３２ナノメートルの波長のレーザー光に対して透明である窓（１７）を含む
    請求項１４に記載のシステム。
16. 前記収集要素又は前記収集カートリッジ（２９）が、前記分光計（１９）内の前記収集装置（１）から交換可能である、請求項１〜１５のいずれかに記載のシステム。
17. ナノ粒子への曝露を分析する方法であって、次の工程を含む方法：
    前記ナノ粒子で汚染されている可能性がある環境において、請求項１〜１６のいずれかに記載のシステムを曝露する工程；
    前記流体推進要素（５）を、前記収集装置（１）が前記環境内に存在する限り連続的に動作させる工程；
    前記収集装置（１）を前記環境から取り出す工程
    分光計に前記収集装置（１）を設置する工程；
    ナノ粒子への曝露に関する情報を得るために、ラマン分光法をスペクトルを分析するために使用する、前記収集要素（７）の前記増強構造（９）上に堆積された前記ナノ粒子のスペクトルを分析する工程；
    前記収集装置を前記分光計に設置する工程と、ナノ粒子のスペクトルを分析する工程の間に、前記収集カートリッジ（２９）を前記収集装置（１）から取り外す工程。
18. 前記方法が、カーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバー及び／又はカーボンナノプレートレット及び／又はＰＭ２．５への曝露を分析する方法である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記装置の曝露時間及び／又は装置のデータ及び／又は従業員のデータが、記録及び／又は保存及び／又は送信及び／又は処理される、請求項１７又は１８に記載の方法。
    

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