KR20160058135A - 유도 결합된 히터를 포함하는 샘플 수집 완드 - Google Patents

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KR20160058135A
KR20160058135A KR1020167009474A KR20167009474A KR20160058135A KR 20160058135 A KR20160058135 A KR 20160058135A KR 1020167009474 A KR1020167009474 A KR 1020167009474A KR 20167009474 A KR20167009474 A KR 20167009474A KR 20160058135 A KR20160058135 A KR 20160058135A
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폴 아놀드
리 파이퍼
알렉스 힐레이
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스미스 디텍션-워트포드 리미티드
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Abstract

분광 분석 장치는 분광계; 분광계의 입구로 완드에 의해 지지된 샘플을 건네주도록 장치에 완드를 결합하는데 적합한 포트; 및 샘플을 가열하기 위한 전력을 제공하도록 상기 샘플 수집 완드의 히터와 시변 H-필드를 통하여 결합하는데 적합한 유도성 커플러를 포함한다.

Description

유도 결합된 히터를 포함하는 샘플 수집 완드{SAMPLE COLLECTION WAND COMPRISING AN INDUCTIVELY COUPLED HEATER}
본 발명은 관심 물질의 검출을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
공항 및 많은 수의 사람들이 모일 수 있는 장소들과 같은 시설에서, 폭발물과 같은 관심 물질의 자취를 검출할 필요가 있다.
이러한 물질을 검출하는 하나의 방식은 샘플 수집 완드(sample collection wand)를 사용하여 표면으로부터 샘플을 얻고, 그런 다음 관심 물질의 존재를 위해 테스트되도록 샘플을 가열하여 샘플을 열 탈착하는 것이다.
본 발명은 예를 들어 샘플에 있는 관심 물질을 검출하는 것을 분석이 가능하게 하도록 샘플들의 열 탈착(thermal desorption)을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
분석은 이온 이동도 분광계들 및/또는 질량 분광계들과 같은 분광계들을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 단지 예의 방식으로 지금 설명될 것이다:
도 1은 샘플 수집 완드의 히터와 유도 결합을 제공하기 위한 유도성 커플러(inductive coupler)를 구비한 분광계를 도시한 도면;
도 2는 샘플 수집 완드의 히터와 유도 결합을 제공하기 위한 유도성 커플러를 구비한 또 다른 분광계를 도시한 도면;
도 3은 유도성 커플러를 포함하는 샘플 수집 완드를 구비한 또 다른 분광계를 도시한 도면.
도면에서 동일한 도면 부호들은 동일한 요소들을 지시하도록 된다.
본 발명의 실시예들은 유도성 커플러가 시변 자기장(time varying 자기장)(H-필드)를 통해, 분광계에서 샘플이 분석되는 것을 가능하게 하도록 샘플을 열 탈착하기 위하여 전력을 제공하도록 히터와 결합하도록 배열되는 이온 이동도 분광계들과 같은 분광계들을 제공한다. 히터에 전력을 지원하도록 유도성 커플링의 사용은 히터가 샘플 수집 완드와 같은 지지 구조물들로부터 효율적으로 단열되는 것을 가능하게 할 수 있다.
추가하여, 이는 전기 전도체를 포함하는 스왑(swab)이 히터로서 기능할 수 있기 때문에 히터들을 포함하지 않는 완드들의 사용을 가능하게 할 수 있다.
유도성 커플러는 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 샘플 수집 완드와 결합하는데 적합한 포트에서 분광계에 의해 지지될 수 있다. 예를 들어, 유도성 커플러는 입구에 샘플을 건네주는 샘플 수집 완드에 의해 지지되는 히터와 결합하기 위하여 분광계의 입구에 인접하여 배열될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일부 예들에서, 유도성 커플러는 샘플 수집 완드에 의해 지지될 수 있으며, 전도성 커플링은 분광계의 전력 공급부와 유도성 커플러를 결합하도록 완드 본체(wand body) 상에 지지될 수 있다. 전도성 커플링은 샘플 수집 완드가 분광계의 포트 내로 삽입될 때, 전력이 분광계로부터 유도성 커플러에 제공될 수 있도록 배열될 수 있다.
도 1은 샘플을 분석하기 위한 이온 이동도 분광계(12)를 포함하는 분광 분석 장치(10)를 도시한다. 도 1에 도시된 장치는 장치에 샘플 수집 완드를 결합하는데 적합한 포트(14)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 분광계(12)의 입구(18)는 완드(16)로부터 열 탈착된 샘플이 입구(18)를 통해 분광계(12) 내로 끌어 당겨지는 것을 가능하게 하기 위하여 포트(14)의 벽에 배열된다.
도 1에 도시된 장치의 포트(14)는 샘플 수집 완드가 포트(14)에 결합될 때, 완드(16)가 완드(16)에 의해 지지된 샘플을 분광계(12)의 입구(18)에 건네주도록 배열된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분광 분석 장치(10)는 샘플 수집 완드의 히터(22)에 전력을 제공하도록 히터(22)와 결합하기 위한 포트에서 자기장(H-필드)을 제공하는데 적합한 유도성 커플러(20)를 포함한다. 유도성 커플러는 무선 주파수(RF) 필드와 같은 시변 자기장(H-필드)을 제공하도록 배열된 전도체를 포함할 수 있다.
포트(14)에 의해 지지되는 유도성 커플러(20)는 샘플 수집 완드에 의해 지지되는 히터(22)와 결합하기 위하여 포트(14)에서 자기장(H-필드)을 제공하도록 배열될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유도성 커플러(20)는, 사용 중에 완드(16)가 분광계의 입구(18)에 샘플을 건네주도록 포트(14) 내로 삽입될 때 히터(22)를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수 있다. 도 1에 도시된 예에서, 유도성 커플러(20)는, 완드(16)가 입구(18)로 샘플을 건네주기 위하여 유도성 커플러(20)에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸인 영역 내로 히터(22)를 지지할 수 있도록 배열된 원통형 유도자(inductor)를 포함한다. 도 2에서 점선은 유도성 커플러(20)를 제공하는 전도체의 하나의 가능한 구성, 예를 들어 나선 코일을 도시한다.
완드(16)는 히터(22) 가까이에서 완드(16)의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(24), 센서(24)에 통신을 제공하기 위한 커플링(26)을 포함할 수 있다. 장치(10)는 센서(24)로부터 커플링(26, 32)들을 경유하여 온도 신호를 얻도록 구성된 컨트롤러(30)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(30)는 히터(22)에 전력을 제공하기 위하여 유도성 커플러(20)를 제어하도록 또한 구성될 수 있다. 온도 센서(24)는 서모커플 또는 서미스터와 같은, 온도에 기초한 신호를 제공하기 위한 임의의 센서를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 샘플 수집 완드(16)는 완드(16)의 편리한 조작을 가능하게 하도록 선택된 크기의 완드 본체, 및 샘플이 그 위에 수집될 수 있는 스왑을 지지하기 위하여 완드 본체에 결합된 스왑 지지부(23)(swab support)를 포함한다. 도 1에 도시된 완드(16)는 또한 스왑 지지부(23) 상에서 지지되는 스왑을 가열하기 위한 히터(22)를 포함한다. 히터(22)는 분광 분석 장치(10)의 유도성 커플러(20)에 의해 제공된 자기장(H-필드)과 유도 결합하는 것에 의해 전력을 수용하도록 배열된다. 이러한 것은 히터(22)가 스왑 지지부(23) 상의 완드(16)로부터 전기적으로 절연되는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 것은 차례로 완드(16)로부터 히터(22)의 단열을 제공할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 완드(16)는 샘플을 수집하기 위하여 스왑을 지지하기 위한 스왑 지지부(23)를 포함할 수 있다. 지지부는 완드(16)로부터 스왑을 단열시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스왑 지지부(23)는 히터(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플을 수집하도록 사용된 스왑 자체는 히터(22)를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 스왑이 전기 전도체를 포함하면, 유도성 커플러의 자기장(H-필드)은 스왑 상에서 지지된 샘플을 가열하도록 스왑의 전도체들과 결합할 수 있다. 전도체를 포함하는 스왑의 하나의 예는 금속화된 스왑이다.
도 2는 분광 분석 장치(210)의 또 다른 예를 도시한다. 도 2에 도시된 예에서, 분광 분석 장치는 또한 이온 이동도 분광계(12)를 포함하며, 도 1의 장치와 유사하게, 도 2의 장치는 장치(210)에 샘플 수집 완드(16)를 결합하는데 적합한 포트(14)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 분광계(12)의 입구(18)는 완드(16)로부터 열 탈착된 샘플이 입구(18)를 통해 분광계(12) 내로 끌어당겨지는 것을 가능하게 하기 위하여 포트(14)의 벽에 배열된다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 장치(210)의 포트(14)는 샘플 수집 완드(16)가 포트(14)에 결합될 때 분광계(12)의 입구(18)에 완드(16)에 의해 지지된 샘플을 건네주도록 배열된다.
도 2에 도시된 유도성 커플러(120)는 분광계(12)의 입구(18)로서 포트(14)의 작은 벽에 의해 지지될 수 있으며, 적어도 부분적으로 입구(18)를 둘러쌀 수 있다. 포트(14)는 완드(16)가 포트(14) 내로 삽입될 때, 히터(22)가 유도성 커플러(120)에 충분히 근접하여, 유도성 커플러(120)에 의해 발생된 자기장(H-필드)가 히터(22)에서 가열 전류를 유발할 수 있도록 배열된다.
도 1 또는 도 2에 도시된 장치의 작동에서, 스왑은 표면에 대하여 스왑을 문지르는 것에 의해 샘플을 수집하도록 사용된다. 완드(16)는 그런 다음 포트(14) 내로 삽입되고, 히터(22) 상에서 스왑을 지지할 수 있다. 히터(22)에 전력을 제공하도록, 컨트롤러(30)는 포트(14)에 시변 자기장(H-필드)을 제공하기 위하여 유도성 커플러(도 1에서 20; 도 2에서 120)을 제어한다. 히터(22)의 열용량이 매우 작을 수 있고 히터가 완드 본체로부터 단열되고 전기적으로 절연될 수 있음에 따라서, 샘플의 온도는 스왑으로부터 샘플을 열 탈착하도록 급격히 상승될 수 있다. 물질이 급격히 탈착되는 경우에, 분광계에 의한 분석을 위해 이용할 수 있는 물질의 농도가 증가되기 때문에, 샘플의 급격한 탈착은 바람직하다. 대조적으로, 샘플의 온도가 더욱 느리게 상승되면, 물질은 보다 많은 시간 기간 동안 낮은 농도로 입구에서 존재할 수 있다. 컨트롤러(30)는 히터(22)의 온도를 나타내는 신호를 센서(24)로부터 얻고 센서(24)로부터 신호에 기초하여 유도성 커플러(20)에 의해 제공된 전력을 제어할 수 있다.
도 3은 분광 분석 장치(310)의 추가적인 예를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 샘플 수집 완드(16)는 히터(22)에 전력을 제공하기 위하여 완드 상에 지지되는 히터(22)와 유도 결합하도록 배열된 유도성 커플러(320)를 포함할 수 있다.
도 3의 분광 분석 장치는 이온 이동도 분광계(12)를 포함하며, 도 1에 도시된 장치와 유사하게, 도 3의 장치는 장치(310)에 샘플 수집 완드(316)를 결합하는데 적합한 포트(314)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 분광계(12)의 입구(18)는 완드(316)로부터 열 탈착된 샘플이 입구(18)를 통해 분광계(12) 내로 끌어당겨지는 것을 가능하게 하기 위하여 포트(314)의 벽에 배열된다.
도 3에 도시된 장치(310)의 포트(314)는 샘플 수집 완드(316)가 포트(314)에 결합될 때, 완드(316)가 샘플이 탈착되고 입구(18)에 의해 수집되는 것을 가능하게 하도록 분광계(12)의 입구(18)로 완드(316)에 의해 지지되는 샘플을 건네주도록 배열된다. 추가하여, 포트(314)는 샘플 수집 완드(316)에 전력을 제공하기 위한 커플링(33)을 포함한다. 커플링(33)은 완드(316)로부터 열 탈착된 물질이 입구(18)를 통하여 분광계(12) 내로 끌어당겨지는 것을 가능하게 하도록 완드가 위치될 때 전력이 오직 완드(316)에 제공될 수 있도록 배열될 수 있다. 커플링(33)은 샘플 수집 완드에 의해 지지되는 대응 커플링(27)에 교류 전류를 결합하는데 적합한 전도성 커플링 또는 용량성 커플링(capactive coupling)을 포함할 수 있다. 교류 전류는 무선 주파수(RF) 전류를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 샘플 수집 완드(316)는, 완드가 분광 분석 장치(310)의 포트(314) 내로 삽입될 때, 컨트롤러(30)가 샘플 수집 완드에 의해 지지되는 유도성 커플러(320)에 전력을 제공하는 것을 가능하게 하도록 커플링(27)이 장치(310)의 커플링(33)과 협력하도록 완드(316) 상에 지지되는 커플링(27)을 포함한다.
도 3에 도시된 장치의 작동시에, 스왑은 표면에 대하여 스왑을 문지르는 것에 의해 샘플을 수집하도록 사용된다. 완드(316)는 그런 다음 히터(22) 상에서 스왑을 지지하는 포트(314) 내로 삽입될 수 있다. 히터(22)에 전력을 제공하도록, 컨트롤러(30)가 커플링(33)에 시변 전류를 제공할 수 있어서, 완드(316)가 포트(314) 내로 삽입될 때, 포트(314)의 커플링(33)과 완드(316)의 커플링(27)은 유도성 커플러(320)에 교류 전류를 보내도록 배열된다. 유도성 커플러(320)에 의해 발생된 자기장(H-필드)은 입구에 의한 수집을 위하여 샘플을 열 탈착하도록 히터(22)를 가열할 수 있다.
일부 실시예들에서, 히터(22)는 강자성 재료를 포함할 수 있다. 이러한 것은 강자성에 의해 제공된 스킨 깊이(skin depth)에서의 감소 때문에 H-필드를 통한 히터(22)로의 에너지 전달 효율을 개선할 수 있다. 아울러, 이러한 것은, 히터(22)가 그 퀴리점(Curie point) 이상 가열되는 경우에, 히터가 그 강자성 순서(ferromagnetic order) 중 적어도 일부를 상실하고 히터의 스킨 깊이가 변경될 수 있기 때문에, 히터(22)의 온도 제어가 강자성 재료의 퀴리점에 의해 제공되는 것을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 맥락에서 당업자에 의해 예측되는 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 각각의 예는 다양한 다른 방식들로 실시될 수 있다. 본 발명의 임의의 양태들의 임의의 특징은 본 발명의 임의의 다른 양태들과 조합될 수 있다. 예를 들어, 방법 양태들은 장치 양태들과 조합될 수 있으며, 장치의 특정 요소들의 작동을 참조하여 설명된 특징들은 장치의 특정 형태들을 사용하지 않는 방법들에 제공될 수 있다. 아울러, 각각의 실시예의 각각의 특징은 일부 다른 특징이 그 작동에 필수적이라는 것을 달리 설명되지 않으면, 조합하여 설명된 특징들로부터 분리 가능한 것으로 의도된다. 물론 분리 가능한 이러한 특징들의 각각은 설명된 실시예의 다른 특징들과, 또는 임의의 다른 특징들 또는 본 명세서에서 설명된 임의의 다른 실시예들의 다른 특징들과 조합될 수 있다.
컨트롤러(30)는 본 명세서에서 설명된 방법들 중 임의의 하나에 따라서 작동하기 위해 프로세서를 프로그램하도록 구성된 컴퓨터 프로그램 제품으로 구성된 범용 목적 프로세서와 같은 임의의 제어 장치에 의해 제공될 수 있다. 아울러, 컨트롤러(30)의 기능성은 주문형 집적회로(ASIC)에 의해, 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 의해, 또는 논리 게이트의 구성에 의해, 또는 임의의 다른 제어 장치에 의해 제공될 수 있다.

Claims (20)

  1. 분광 분석 장치로서,
    분광계;
    상기 분광계의 입구로 샘플 수집 완드에 의해 지지된 샘플을 건네주도록 상기 장치에 상기 완드를 결합하는데 적합한 포트; 및
    상기 샘플을 가열하기 위하여 전력을 제공하도록, 시변 H-필드를 통하여 상기 샘플 수집 완드의 히터와 결합하는데 적합한 유도성 커플러를 포함하는 분광 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유도성 커플러는 상기 히터와 결합하기 위해 상기 포트에서 시변 H-필드를 제공하도록 배열되는 분광 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유도성 커플러는 사용 중에 상기 샘플 수집 완드가 포트에 결합될 때 상기 히터를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되는 분광 분석 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 분광계의 입구는 상기 포트와 상기 분광계 사이의 유체 소통을 제공하며, 상기 유도성 커플러는 적어도 부분적으로 상기 입구를 둘러싸는 분광 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서, 샘플 수집 완드를 추가로 포함하며, 상기 샘플 수집 완드는 상기 유도성 커플러를 포함하는 분광 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 샘플 수집 완드는 상기 완드에 의해 수집된 샘플을 가열하기 위한 히터를 포함하고, 상기 히터는 상기 완드 상에서 전기적으로 절연되는 분광 분석 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 완드는 샘플을 수집하기 위한 스왑을 지지하기 위한 지지부를 포함하고, 상기 지지부는 상기 완드로부터 상기 스왑을 열적으로 절연시키도록 구성되는 분광 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 지지부는 히터를 포함하는 분광 분석 장치.
  9. 제7항에 있어서, 스왑을 추가로 포함하고, 상기 스왑은 상기 히터를 포함하는 분광 분석 장치.
  10. 분광 분석 장치를 위한 샘플 수집 완드로서,
    상기 완드의 조작을 가능하게 하도록 배열된 완드 본체;
    상기 완드 본체에 결합된 스왑 지지부; 및
    상기 스왑 지지부 상에 지지되는 스왑을 가열하기 위한 히터로서, 분광 분석 장치의 유도성 커플러에 의해 제공되는 H-필드에 대한 유도성 커플링에 의해 전력을 수용하도록 배열되는, 상기 히터를 포함하는 샘플 수집 완드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 히터는 상기 스왑 지지부 상에서 전기적으로 절연되는 샘플 수집 완드.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 히터에 전력을 제공하기 위하여 상기 히터와 유도 결합되도록 배열된 유도성 커플러를 추가로 포함하는 샘플 수집 완드.
  13. 제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 스왑 지지부는 상기 히터를 포함하는 샘플 수집 완드.
  14. 제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서, 스왑을 추가로 포함하고, 상기 스왑은 상기 히터를 포함하는 샘플 수집 완드.
  15. 분광 분석 장치를 위한 샘플 수집 완드로서,
    상기 완드의 조작을 가능하게 하도록 배열된 완드 본체;
    상기 완드 본체에 결합된 스왑 지지부;
    상기 스왑 지지부 상에 지지된 스왑을 가열하기 위한 히터에 전력을 제공하기 위하여 상기 히터와 유도 결합하도록 배열된 유도성 커플러를 포함하는 샘플 수집 완드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 완드 본체에 지지되는 전도성 커플링을 가지며, 상기 전도성 커플링은 사용 중에 상기 유도성 커플러에 전력 공급부를 제공하기 위하여 상기 완드가 상기 분광 분석 장치의 포트 내로 삽입될 때 상기 분광 분석 장치의 전력 공급부와 결합하도록 배열되는 샘플 수집 완드.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 히터를 추가로 포함하며, 상기 히터는 상기 샘플 수집 완드의 유도성 커플러에 의해 제공되는 H-필드와 유도 결합하는 것에 의해 전력을 수용하도록 배열되는 샘플 수집 완드.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 강자성 재료를 포함하는 샘플 수집 완드.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스왑 지지부는 상기 히터를 포함하는 샘플 수집 완드.
  20. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 스왑을 추가로 포함하며, 상기 스왑은 상기 히터를 포함하는 샘플 수집 완드.
KR1020167009474A 2013-09-19 2014-09-19 유도 결합된 히터를 포함하는 샘플 수집 완드 KR20160058135A (ko)

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