粒子捕集装置的制作方法

本发明涉及为了分析气体中的微粒而将微粒捕集到板上的粒子捕集装置。

背景技术：

气体中漂浮的微小的液体或者固体的粒子称为气溶胶。汽车的废气、从工厂排出的煤烟中的污染物质大多也是气溶胶，尤其是粒径小于1μm的所谓纳米气溶胶可能对健康产生影响。正因为如此，该气溶胶的大小、形状、成分等的分析，在环境测量、评估等领域中变得非常重要。

在气溶胶的分析中，使用原子力显微镜(afm)、电子探针显微分析仪(epma)、透射式电子显微镜(tem)、扫描式电子显微镜(sem)、飞行时间二次离子质谱仪(tof-sims)、x射线光电子能谱分析仪(xps)、荧光显微镜等各种分析装置。在利用这样的分析装置分析气溶胶时，首先需要将作为分析对象的大气中的微粒捕集到样品板上。在将微粒捕集到样品板上的情况下，认为难以引起粒子的凝聚的气相环境下比较适宜。作为在气相环境下将微粒捕集到样品板上的主要方法，众所周知有利用了撞击等粒子的惯性力的空气动力学捕集法和对带电的粒子利用其静电力进行捕集的静电捕集法。

例如非专利文献1所公开的那样，空气动力学捕集法是如下方法，即，通过在使从喷嘴喷射的包含微粒的气体的流动方向急剧变化时，微粒由于惯性力而不能完全追随曲线前进的气体流而直线前进，碰撞到配置在其行进方向前方的样品板而附着于该板从而对微粒进行捕集。通过改变气体的流量、喷嘴的直径等，从而能够调整所进行捕集的微粒的大小。另一方面，例如非专利文献2所公开的那样，静电捕集法是如下方法，即，通过从放电电极产生的电场使微粒带电，通过静电力使该带电的微粒吸附于样品板。静电捕集法具有如下特征，即，不仅能够捕集由空气动力学捕集法能够捕集的比较大的尺寸的微粒，还能够捕集纳米级的细微的粒子。

但是，在上述那样的现有的捕集法中存在如下这样的问题。

空气动力学捕集法虽然简便，但是粒子的大小越小，则粒子的惯性力就越小，因此变得难以捕集。此外若打算增加所捕集的粒子的数量而增加气体的流量，则气体的流动变强从而以惯性力能够捕集的粒子尺寸的下限变大。因此，该捕集法不适于粒径为纳米级这样的较小的粒子的捕集。

另一方面，如上所述静电捕集法还能够捕集纳米级水平的较小的粒子，但是若作为对象的粒子的浓度较低，则捕集时间会变得相当长。例如，在利用非专利文献3等所记载的电喷雾将液体中的样本微粒喷雾到气体流中进行捕集的情况下，存在为了避免电喷雾喷嘴、毛细管的堵塞而不能过分提高样本微粒的浓度的情况。因此，微粒的捕集必然会花费时间。此外，即使出于增加要捕集的粒子数的目的而增加气体流的流量，也由于相对于从气体的流动受到的力，静电力相对变小，因而附着于样品板的粒子的数量不会增加太多。因此，最终，难以缩短粒子捕集的所需时间。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2001-208673号公报

非专利文献

非专利文献1：“エアロゾルの採取慣性インパクタ一の構造(气溶胶的采集惯性撞击器的构造)”、[online]、福冈大学理学部地球科学系航天材料科学实验室、[2016年7月14日检索]、因特网<url：http：//www.se.fukuoka-u.ac.jp/geophys/am/instrument/sampling.html>

非专利文献2：“sspm-100浮遊粒子サンプラ静電捕集方式(sspm-100漂浮粒子采样器静电捕集方式)”、[online]、株式会社岛津制作所、[2016年7月14日检索]、因特网<url：http：//www.an.shimadzu.co.jp/powder/products/06sspm/sample.htm>

非专利文献3：“エレクトロスプレーmodel3480(电喷雾模型3480)”、[online]、东京dylec株式会社、[2016年7月14日检索]、因特网<url：http：//www.t-dylec.net/products/pdf/tsi_3480.pdf>

技术实现要素：

本发明为了解决上述课题而作，其目的在于提供一种如下的粒子捕集装置，即，能够以短时间将包含由以往的空气动力学捕集法所不能捕集的那样的尺寸较小的粒子的粒径范围较宽的粒子捕集到板上。

为了解决上述课题而研发的本发明所涉及的粒子捕集装置，特征在于具备：

a)荷电部，其接受包含作为分析对象的微粒的气体，使该气体中的微粒带电；

b)浓缩部，其将由所述荷电部进行了带电的荷电粒子维持在气相状态下进行浓缩；和

c)捕集部，其通过静电力使由所述浓缩部进行了浓缩的荷电粒子吸附到保持体上。

在以往的粒子捕集装置中，一般紧接在由荷电部使微粒带电之后，通过电场来吸引该荷电粒子从而使其吸附到样品板等保持体上。与此相对，在本发明所涉及的粒子捕集装置中，在荷电部与捕集部之间设置浓缩部。浓缩部对由荷电部进行了带电的气体中的微粒在气相状态下进行浓缩，使微粒的空间密度增加。在捕集部中，与以往的静电捕集法同样地，利用静电力使荷电粒子吸附到样品板等保持体上从而捕集微粒。由于供给到捕集部的气体中的微粒(荷电粒子)的空间密度较高，因此与以往相比，能够在短时间内捕集相同量的微粒。

这里，上述浓缩部可以构成为通过使荷电粒子从流量相对较大的气体流中移动到流量相对较小的气体流中，从而得到荷电粒子被浓缩的气体流。

或者，上述浓缩部也可以构成为通过提取气体流中的荷电粒子并且减少该气体流的流量从而得到荷电粒子被浓缩的气体流。

根据这种构成，即使从荷电部导入到浓缩部的气体的流量较大，由于从该浓缩部取出的混合了荷电粒子的气体的流量也较小，因而也能够抑制供给到捕集部的气体流的流量。由此，能够在捕集部中使静电力相对于从气体的流动受到的力相对变大，能够使荷电粒子高效地吸附到保持体。

作为上述浓缩部的具体的一个方式，能够构成为，具备：

流路形成部，在其内部，包含荷电粒子的第1气体流和包含荷电粒子的第2气体流相邻地在同一方向上流动；和

电场形成部，在所述流路形成部中形成使所述第1气体流中的荷电粒子横穿该气体流而移动到所述第2气体流中的电场，

向所述捕集部供给所述第2气体流。

在该方式的粒子捕集装置中，若由电场形成部在流路形成部中形成电场，则第1气体流中的荷电粒子由于该电场的作用而向第2气体流的方向移动。另一方面，作为气体流的主要构成要素的空气等载气不受电场的影响。因此，仅第1气体流中的荷电粒子移动到第2气体流中，第2气体流中的荷电粒子的量增加。由此，与导入浓缩部的气体的总流量相比，其流量较小，并且与导入浓缩部的微粒的总量相比，其量几乎不变，也就是说，能够向捕集部供给微粒被浓缩的小流量的气体流。

另外，在本发明所涉及的粒子捕集装置中，荷电部和浓缩部也能够实质上一体化。例如在上述方式的粒子捕集装置中，能够通过采用在流路形成部中配置放电电极并通过来自该放电电极的放电而使微粒带电这样的结构，或者通过采用将在外部通过放电等而生成的气体离子送入到流路形成部中与微粒接触而使微粒带电这样的结构，从而使荷电部和浓缩部实质上一体化。

此外，本发明所涉及的粒子捕集装置可以导入包含污染物质等的气溶胶的大气，但该装置也可以在荷电部的前级具备生成气溶胶的微粒生成部。微粒生成部例如是雾化器、电喷雾等喷雾式粒子发生装置、蒸发冷凝式粒子发生装置等。

发明效果

根据本发明所涉及的粒子捕集装置，与以往的粒子捕集装置相比，能够在短时间内且高效率地捕集包含纳米级水平的非常小的尺寸的粒子的、粒径范围较宽的粒子。由此，能够改善微粒分析作业的效率。

附图说明

图1是本发明的第1实施例所涉及的粒子捕集装置的概略模块结构图。

图2是第1实施例的粒子捕集装置中的浓缩部的一例的概略结构图。

图3是第1实施例的粒子捕集装置中的浓缩部的其他例的概略结构图。

图4是本发明的第2实施例所涉及的粒子捕集装置的概略模块结构图。

图5是第2实施例的粒子捕集装置中的荷电部以及浓缩部的一例的概略结构图。

图6是图5中的过滤器的立体图。

图7是图5中的过滤器的其他例的俯视图。

图8是第2实施例的粒子捕集装置中的荷电部以及浓缩部的其他例的概略结构图。

符号说明

1…粒子产生部

2…荷电部

3…浓缩部

4…捕集部

10…壳体

11…第1气体导入口

12…第2气体导入口

13…排出口

14…气体送出口

15…第1电极板

16…第2电极板

17、37、47…过滤器

18…第1空间

19…第2空间

20…控制部

21…直流电源

22…辅助电源

30…整流板

371…棒状电极

372…棒状电极

471…线状电极

50…放电元件

51…放电用电源

60…气体离子生成部

61…腔室

62…气体导入口

63…开口部

64…放电电极

65…接地电极

66…放电用电源。

具体实施方式

对于作为本发明的第1实施例的粒子捕集装置，参照图1～图3来进行说明。图1是本实施例的粒子捕集装置的概略模块结构图，图2以及图3都是第1实施例的粒子捕集装置中的浓缩部的一例的概略结构图。

另外，为了便于说明，将图2中的x方向设为左方、将y方向设为前方、将z方向设为上方来定义前后、上下以及左右。这在图3以及后述的附图中也是相同的。

如图1所示，第1实施例的粒子捕集装置具备粒子产生部1、荷电部2、浓缩部3以及捕集部4。

粒子产生部1例如是电喷雾式气溶胶发生器，产生在气相中作为分析对象的微粒。另外，粒子产生部1也可以是其他方式的气溶胶发生器，或者也可以置换为用于导入预先采集的包含气溶胶的大气等的样本导入部。从粒子产生部1向荷电部2供给包含作为分析对象的微粒的气体流。此时用于输送微粒的载气是大气、合成空气、氮气等。

荷电部2利用电晕放电、电弧放电、火花放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电等各种放电，或者利用²⁴¹am、²¹⁰po、⁸⁵kr等放射性同位素，使所导入的气体中的微粒带电，并且将包含荷电粒子(原文：荷電粒子)的气体供给到浓缩部3。浓缩部3在维持被导入的气体中的荷电粒子的数量不变的状态下减小分散了该粒子的气体(载气)的流量，将荷电粒子被浓缩了的气体供给到捕集部4。捕集部4具有被导入的气体流通的容器401、设置在该容器401中的样品板402、和对该样品板402给予与荷电粒子的电荷相反极性的直流电位的电源部403，通过静电力引诱被导入的气体中的荷电粒子从而使其吸附到样品板402的表面。

导入到捕集部4的气体流的流量越大，则荷电粒子的分散就越大，所以变得需要较大的样品板。与此相对，在该粒子捕集装置中，在浓缩部3中维持荷电粒子的数量的同时减小气体的流量，所以能够使用相对较小的尺寸的样品板，样品板表面的每单位面积所附着的粒子数增加，其增加的速度也较快。据此，能够缩短捕集时间并且捕集足够量的微粒。

图2是浓缩部3的一例。该浓缩部3具有大致长方体状的壳体10，在壳体10的左侧面，在上下方向上排列配置了用于接受来自荷电部2的气体流的第1气体导入口11以及第2气体导入口12。此外，在壳体10的右侧面，在上下方向上排列配置了用于从壳体10向外部排出气体的排出口13、和向捕集部4发送包含荷电粒子的气体的气体送出口14。第1气体导入口11和排出口13配置在大致一条直线上，第2气体导入口12和气体送出口14也配置在大致一条直线上。

在壳体10的内部的上表面设置有第1电极板15，在下表面设置有第2电极板16。此外，在第1电极板15与第2电极板16之间，与它们大致平行地配置了作为平板的网格状的电极的过滤器17。以下，将第1电极板15与过滤器17之间的空间称为第1空间18，将过滤器17与第2电极板16之间的空间称为第2空间19。直流电源21对第1电极板15施加直流电压u1，对第2电极板16施加直流电压u2，辅助电源22对构成过滤器17的电极施加规定直流电压u3，直流电源21和辅助电源22都由控制部20进行控制。

从荷电部2送出的包含荷电粒子的载气通过第1气体导入口11以及第2气体导入口12而导入到壳体10内。从第2气体导入口12导入的载气的流量低于从第1气体导入口11导入的载气的流量。虽然呈格子状的过滤器17具有许多开口，但是壳体10内空间被过滤器17大体分隔为第1空间18和第2空间19，因此通过第1气体导入口11而导入的载气从左向右在第1空间18流动，并从排出口13流出到外部。另一方面，通过第2气体导入口12而导入的载气从左向右在第2空间19流动，并经过气体送出口14发送到捕集部4。也就是说，在第1空间18流动的气体流和在第2空间19流动的气体流为大致相同方向且大致平行。

过滤器17具有大体分隔壳体10内的空间的功能，但是由于过滤器17施加有规定直流电压u3，因此该过滤器17还具有将第1空间18的电场和第2空间19的电场进行分离的功能。即，例如若u1＞u3＞u2，则在第1电极板15与过滤器17之间，也就是说在第1空间18产生u1-u3的电位差，形成基于该电位差的直流电场。另一方面，在过滤器17与第2电极板16之间，也就是说在第2空间19产生u3-u2的电位差，形成基于该电位差的直流电场。适当设定直流电压u3，使得第1空间18中的上述电位差大于第2空间19中的上述电位差。据此，第1空间18中的直流电场强于第2空间19中的直流电场。

这些直流电场是在图2中由空心粗箭头所示的方向上对于荷电粒子具有向下倾斜的电位梯度的直流电场。通过该电场的作用，在第1空间18流动的载气中的荷电粒子受到向下的力，如图2中向下的细箭头所示，通过过滤器17的开口进入第2空间19。另一方面，中性的气体分子不受电场影响而直线前进。因为第2空间19内的直流电场相对较弱，所以对进入第2空间19之后的荷电粒子作用的力较小。因此，到达了第2空间19的荷电粒子参与到从第2气体导入口12朝向气体送出口14的载气的流动。在该载气中原本包含荷电粒子，如上所述在电场的作用下从第1空间18移动过来的荷电粒子加入，其数量增加。结果，从气体送出口14送出浓缩了荷电粒子的载气。另一方面，因为荷电粒子被夺去，所以从排出口13向外部排出几乎不包含荷电粒子的载气。

以如上方式，在该浓缩部3中，能够通过气体送出口14送出包含被浓缩的荷电粒子且流量较小的载气。

另外，也可以平行地配置后述那样的多个棒状电极，来代替使用网格状电极作为过滤器17。

在上述浓缩部3中，将壳体10的内部上下分隔的过滤器17并不是必须的构成要素，如图3所示，也可以构成为完全不设置过滤器17。这里，设置了整流板30，使得从第1气体导入口11朝向排出口13的气流和从第2气体导入口12朝向气体送出口14的气流分别容易直线前进。

接下来，参照图4～图8来说明作为本发明的第2实施例的粒子捕集装置。图4是作为第2实施例的粒子捕集装置的概略模块结构图。

如图4所示，在该第2实施例的粒子捕集装置中，将荷电部2和浓缩部3实质上一体化，接受包含微粒的气体并使气相状态的粒子带电，并且对该刚刚带电之后的荷电粒子进行浓缩并送出到捕集部4。

图5的(a)是第2实施例的粒子捕集装置中的荷电部2/浓缩部3的概略结构图，图5的(b)是图5的(a)中的a-a’箭头线剖视图。图6是图5的(a)所示的荷电部2/浓缩部3的过滤器37的立体图。

在该荷电部2/浓缩部3中，通过第1气体导入口11以及第2气体导入口12向壳体10内供给包含不带电的微粒的载气，该微粒在第1空间18中被带电，带电后的荷电粒子通过电场的作用而向第2空间19移动。为了在第1空间18中使微粒带电，在第1电极板15的下侧配置多个放电元件50，例如表面放电微等离子体元件(surface-dischargemicroplasmadevice)等，并从放电用电源51对各放电元件50施加高电压。

如图6所示，过滤器37由相互平行地隔开规定间隔而配置在一个面上的多个棒状电极371、372构成。该棒状电极是将y方向上一个隔一个交替的多个棒状电极(371或者372)作为一组的一对电极，从辅助电源22对一方的多个棒状电极371和另一方的多个棒状电极372分别施加频率相同且相位不同的交流电压v1sinωt、v2sin(ωt+δ)。该相位差δ能够适当决定，但通常是90°～270°的范围的值。此外，这些交流电压的振幅v1、v2也能够分别适当决定。另外，对过滤器37不仅施加交流电压，与上述例同样地还施加适当的直流电压为好。

若从放电用电源51对放电元件50施加规定电压并且在放电元件50发生放电，则载气中的气体分子被离子化而产生气体离子。若载气中的微粒与气体离子接触，则该微粒带电。所生成的荷电粒子受到在第1空间18形成的直流电场的力作用而向下移动。如上所述，在隔开第1空间18和第2空间19的过滤器37中，对相邻的棒状电极371、372施加了相位彼此不同的交流电压。因此，如上所述在壳体10内向下方行进而想要通过棒状电极371、372之间的荷电粒子，从左右的棒状电极371、372受到引力和斥力。迁移率比较大的物体被一方的棒状电极371或者372快速地吸引而与该电极碰撞，因而不能通过两棒状电极之间(开口)。另一方面，迁移率比较小的物体在碰撞到一方的棒状电极371、372之前，由于来自另一方的棒状电极的引力而被向相反方向吸引，因而在左右方向上稳定地振动的同时通过棒状电极371、372之间。

另一方面，通过放电而生成的气体离子与荷电粒子相比质量非常小，因而迁移率较大。因此，通过预先适当地调整从辅助电源22对棒状电极371、372施加的电压的条件(振幅、频率、相位差)，从而能够使得仅荷电粒子通过过滤器37而气体离子碰撞到过滤器37。结果，仅迁移率相较于气体离子相对较小的荷电粒子从第1空间18移动到第2空间19。若大量的气体离子流入第2空间19，则荷电粒子再次与气体离子接触会变得容易产生多价带电。相对于此，在该构成中，能够抑制气体离子流入第2空间19，能够防止荷电粒子再次与气体离子接触从而抑制多价带电。据此，能够提高从气体送出口14取出的荷电粒子中的带一价电的粒子的比例。

另外，过滤器37也可以不是排列了上述那样的棒状电极371、372的结构，而是如图7所示将多个较细的线状的电极471、472排列为格子状的结构，即，在俯视下为网格状的结构。在该过滤器47中，由沿纵向(y方向)排列的线状电极471、472构成的电极群和由沿横向(x方向)排列的电极471、472构成的电极群，在由第1电极板15以及第2电极板16形成的电场所产生的力的作用方向(z方向)上分离地配置。而且，对彼此相邻的电极471、472分别施加频率相同且相位不同的交流电压v1sinωt、v2sin(ωt+δ)。因此，基本动作与上述的过滤器37相同，能够阻止迁移率较大的气体离子的通过，并且仅使迁移率较小的荷电粒子通过。

如上所述，通过设置过滤器37从而能够主要从气体送出口14取出带一价电的荷电粒子，而在仅通过静电力使导入至捕集部4的气体中的荷电粒子吸附到样品板402的表面来进行捕集的情况下，即使粒子带多价电也没有障碍。因此，在第2实施例的粒子捕集装置中的浓缩部3中，设置在壳体10内部的过滤器37并不是必须的构成要素，也可以构成为不设置过滤器37以及对其施加电压的辅助电源22。这对于后述的图8所示的构成也是相同的。

在图5所示的荷电部2/浓缩部3中，在第1空间18中生成气体离子，但是也可以构成为在壳体10的外侧生成气体离子并供给到第1空间18。在图8所示的变形例中，在壳体10的上部设置气体离子生成部60，将由该气体离子生成部60生成的气体离子导入到壳体10内。

气体离子生成部60具有大致长方体状的腔室61，在腔室61的侧面设置了用于向腔室61内导入气体离子生成用的气体的气体导入口62，在腔室61的下表面形成了用于使在腔室61内生成的气体离子向第1空间18流出的开口部63。在腔室61的内部空间设置了从上表面垂直向下延伸的针状的放电电极64，在腔室61的内底部设置了与放电电极64成对的平板状的接地电极65。通过从配置在腔室61的外侧的放电用电源66对放电电极64施加规定电压，从而产生电晕放电，将通过气体导入口62导入的气体离子化。所生成的气体离子通过开口部63供给到第1空间18内，在第1空间18中与粒子接触从而使该粒子带电。

在上述实施例的粒子捕集装置中，浓缩部3通过利用电场的作用使荷电粒子移动从而对荷电粒子进行浓缩，但是也可以利用例如专利文献1所公开的气动透镜来减少气体流的流量同时对荷电粒子进行浓缩。气动透镜设置为在筒状的容器内竖立设置了在中央形成有开口的多个板，通过使包含荷电粒子的气体通过中央开口从而阶段性地缩小。例如，每当气体流通过气动透镜的各板时，逐渐排出不存在荷电粒子的周边部的气体，从而能够减少气体流的流量的同时对荷电粒子进行浓缩。

此外，上述实施例仅是本发明的一例，显然即使在本发明的主旨的范围内适当地进行修正、变更、增加等，也包含在本申请权利要求书的范围内。