紧凑型智能气溶胶和流体歧管的制作方法

背景技术：

1、本发明总体上涉及采样、收集和分析气溶胶和气体的领域，包括在一系列洁净室和制造环境中收集样品以检测颗粒和其他污染物。

2、监测气体和流体流中是否存在颗粒(特别是大小范围在0.1μm到5μm之间的那些颗粒)和超细颗粒(小于0.1μm的颗粒)在诸如制药和半导体制造等的各种行业都非常重要，因为环境中颗粒的存在会对制造过程产生不利影响并且与法规要求相冲突。因此，洁净室和洁净区通常用于半导体制造设施和制药制造设施。对于半导体行业，空气中颗粒浓度的增加可能会导致制造效率降低，因为沉积在半导体晶片上的颗粒会影响或干扰小的长度规模的制造工艺。对于制药行业，空气中的颗粒和生物污染物导致的污染使制药产品面临无法满足由美国食品药品监督管理局(fda)以及其他外国和国际卫生监管机构制定的标准的风险。

3、iso 14664-1和14664 2提供了洁净室颗粒等级的分类标准以及确保合规性的测试和监测的标准。类似地，iso 14698-1和14698-2提供了针对生物污染物的用于洁净室和洁净区环境的评估的标准。为了满足这些标准和其他标准，通常使用颗粒计数器来确定洁净室和洁净区中的空气中的颗粒污染水平。在许多情况下，使用具有多个输入端口的颗粒计数器来从环境中的多个区域收集样品或者甚至从多个洁净室和洁净区收集样品。然而，从每个收集部位起的收集路径必须保持彼此充分地隔离，以防止收集的颗粒的串扰和样品的交叉污染。通常，这种系统不能防止纳米颗粒的交叉污染和/或需要采样系统显著地改变被采样的空气或气体的流率。此外，常规的歧管系统不能在防止串扰和交叉污染的同时快速地对多个不同的采样点进行采样。

4、例如，在歧管系统中对纳米颗粒进行采样会造成问题，因为颗粒从一气流路径到另一气流路径的运动是扩散的函数，该扩散通常难以控制。该扩散导致不同的歧管路径之间的交叉污染，并且会妨碍对捕获在所关注的样品气流中的预期的颗粒进行准确的采样。

5、目前，在本领域中没有允许对纳米颗粒进行有效输送和采样的气溶胶歧管。常规的气溶胶歧管被设计用于对等于或大于100nm的颗粒进行输送和采样，并且通过利用分流式吸管来使不同的采样端口之间的串扰最小，该分流式吸管使由于颗粒的动量引起的串扰最小，但几乎没有消除纳米颗粒的布朗运动。

6、当前出售的市场领先的气溶胶歧管不是为了对纳米颗粒进行采样而设计的，该气溶胶歧管以对大于100nm的颗粒的串扰率为0.01％来营销。然而，内部测试示出，当前市场领先的那些气溶胶歧管可能无法达到这些气溶胶歧管营销的串扰率，这些气溶胶歧管的串扰率通常比广告宣传的串扰率差一个数量级以上。在这种系统中，小于100nm的纳米颗粒的串扰性能甚至更差，因为这些系统不是为这些更小的颗粒设计的。

7、因此，需要改进的歧管系统，该改进的歧管系统能够从多个采样点获取气溶胶和气体样品并且减少了不同的样品之间的串扰和交叉污染。

技术实现思路

1、本发明提供了多点采样歧管和收集样品的方法。歧管能够从采样区域内的多个点对气溶胶、空气和其他气体进行采样，并且将采样的气溶胶、空气或气体输送到颗粒计数器或其他类型的分析装置，或者输送到输送容器或存储容器。本发明的采样歧管特别地用于对空气和气体进行采样，用于检测、收集和分析颗粒，该颗粒包括生物颗粒和具有亚10nm颗粒大小和更大的颗粒，以及用于检测和分析采样的空气和气体中的各个组分气体。

2、在实施例中，本发明提供了采样歧管，该采样歧管包括：a)两个或更多个输入采样端口；b)密封的总体流部段(bulk flow section)，该密封的总体流部段连接到两个或更多个输入采样端口，其中，流动通过两个或更多个输入采样端口的气体进入密封的总体流部段；c)流集中元件，该流集中元件在密封的总体流部段内部，流集中元件包括多个流动端口，其中，流动端口与输入采样端口流体连通；和d)样品管线和一个或多个离开出口，该样品管线与从多个流动端口选择的流动端口流体连通，一个或多个离开出口与除了选择的流动端口之外的一个或多个流动端口流体连通。

3、在该实施例中，流集中元件包括样品流路径，该样品流路径在选择的输入采样端口和样品管线之间，该选择的输入采样端口与选择的流动端口流体连通。样品路径可以包括整体结构或单独的组件。流集中元件还包括一个或多个总体流路径，该一个或多个总体流路径在除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口与一个或多个离开出口之间。流集中元件被配置为导引流动通过选择的输入采样端口的气体来流动到选择的流动端口并且流动到样品管线中，以及导引流动通过除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口的气体来流动到除了选择的流动端口之外的一个或多个流动端口并且流动到一个或多个离开出口。可选地，流动端口中每一个与输入采样端口中的一个流体连通。

4、在实施例中，样品管线与流集中元件的选择的流动端口可逆地对准，并且样品管线可以在操作过程中被重新定位以与新选择的流动端口对准。由此，将样品管线重新定位以与新的流动端口对准允许对新的输入样品端口进行采样。替代地，样品管线与流集中元件的相同的流动端口对准，并且流集中元件在操作期间被重新定位，使得选择的流动端口和样品管线与新的输入样品端口对准。由此，将流集中元件诸如通过旋转流集中元件来重新定位允许对新的输入样品端口进行采样。

5、优选地，使用旋转、线性平移、或者通过沿弧线来回扫动流集中元件或样品管线来定位和移动流集中元件和样品管线。如本文中所使用的，旋转物体包括围绕轴线完整地旋转物体(360°)和围绕轴线部分地旋转物体(诸如从0°到270°、从0°到180°、从0°到90°、以及从0°到45°)。可以在相同的方向上连续地旋转物体，或者可以在交替的方向上旋转物体。例如，在实施例中，在操作期间可以在相同的方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)上连续地旋转流集中元件，使得每个输入样品端口按顺序被采样多次，或者可以在一个方向上围绕轴线部分地旋转流集中元件，并且然后可以在相反的方向上旋转该流集中元件。

6、流集中元件可以是任何形状，包括但不限于矩形形状、三角形形状、多边形形状、圆形形状、不规则形状和椭圆形形状。在实施例中，流集中元件通常是圆形的或椭圆形的并且被称为流集中盘。可选择的流动端口可以以任何配置布置在流集中元件内，包括但不限于线、网格或轨道，诸如在流集中元件内的圆形的、矩形的或椭圆形的轨道。

7、在实施例中，流集中元件是可旋转的，其中，多个可选择的端口包括样品出口端口和一个或多个总体流分配端口。流集中元件旋转，以便将样品出口端口(即，选择的流动端口)与待被采样的期望的输入采样端口对准。样品流路径位于选择的输入采样端口、样品出口端口与样品管线之间，并且一个或多个总体流路径位于除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口与一个或多个总体流分配端口之间。

8、替代地，流集中元件不旋转。但是，样品管线可以相对于流集中元件移动并且样品管线能够与任何流动端口对准。将样品管线与选择的流动端口对准允许对相应的输入采样端口进行采样，并且将采样管线移动到新选择的流动端口允许对不同的输入采样端口进行采样。可以使用本领域中已知的致动器来相对于流集中元件定位样品管线。

9、在实施例中，本发明提供了采样歧管，该采样歧管包括：a)两个或更多个输入采样端口；b)密封的总体流部段，该密封的总体流部段连接到两个或更多个输入采样端口，其中，流动通过两个或更多个输入采样端口的气体进入密封的总体流部段；c)可旋转的流集中盘，该可旋转的流集中盘在密封的总体流部段内部，流集中盘包括样品出口端口和一个或多个总体流分配端口，其中，流集中盘能够在密封的总体流部段内旋转，使得样品出口端口与从两个或更多个输入采样端口选择的输入采样端口对准；d)样品管线，该样品管线与样品出口端口流体连通。

10、在本实施例中，流集中盘在选择的输入采样端口和样品出口端口之间形成样品流路径，并且在除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口与一个或多个总体流分配端口之间形成一个或多个总体流路径。样品路径可以包括整体结构或单独的组件。流动通过选择的输入采样端口的气体流动到样品出口端口并且流动到样品管线中，流动通过除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口的气体流动到一个或多个总体流分配端口并且流动到离开出口。可以使用本领域中已知的装置，包括但不限于泵和真空管线，将气体推动或抽吸通过歧管。样品管线优选地与颗粒计数器、冷凝颗粒计数器、气体分析器、颗粒分析器、分子采样器、微生物收集板、环境传感器或气体传感器、或类似部件流体连通，并且离开出口可选地是室内真空管线或其他真空源。

11、在上述实施例中，气体通过一个或多个总体流路径到一个或多个总体流分配端口的输送、通过样品流路径到对准的样品出口端口的输送或上述输送的组合包括层流。据信，所产生的层流降低了不同的气体路径之间串扰的可能性，并且导致更有效的采样过程。

12、本文中描述的实施例中的流集中元件可选地包括多个通道，该多个通道形成样品流路径和一个或多个总体流路径，其中，多个通道的尺寸被配置为将导引自非采样端口的气体远离样品流路径。在实施例中，多个通道包括环绕流动端口、样品出口端口和总体流分配端口的同心的通道。优选地，多个通道产生穿过流集中元件的气体的层流。例如，形成一个或多个总体流路径的通道的直径足够大以在输入采样端口与一个或多个总体流分配端口之间产生气体的层流。类似地，形成样品流路径的一个或多个通道的直径足够大以在选择的输入采样端口和样品出口端口之间产生气体的层流。在实施例中，通道包括在纵向方向上延伸的壁或表面，其中，纵向方向通常被定义为从歧管的前端部(输入样品端口所在的位置处)朝向歧管的后端部延伸的方向。不受理论的约束，据信，纵向的壁和表面能够增加通过通道的层流的量。

13、在实施例中，在选择的输入采样端口与相邻的输入采样端口之间的中值(median)扩散输送路径长度大于气体中的纳米大小的颗粒的平均自由行进路径，其中，纳米大小的颗粒的直径小于100nm、小于50nm、小于20nm或小于10nm。在某些情况下，路径长度的不同被认为降低了不同的气体路径之间串扰的可能性。优选地，在选择的输入采样端口与相邻的输入采样端口之间的中值扩散输送路径长度比气体中的任何纳米大小的颗粒的平均自由行进路径大至少九倍。

14、在本文中描述的实施例中，优选地，气流在流集中元件中在样品流路径与一个或多个总体流路径之间具有小于0.01％的串扰率、小于0.001％的串扰率或小于0.0001％的串扰率。

15、通过样品流路径和一个或多个总体流路径的气体流量通常在大致0.0035立方英尺/分钟(大致0.1升/分钟)至10.59立方英尺/分钟(大致300升/分钟)之间，优选地在大致0.035立方英尺/分钟(大致1.0升/分钟)至3.5立方英尺/分钟(大致100升/分钟)之间，其中总体流量通常为样品流量的1.0倍或更大、样品流量的1.2倍或更大、样品流量的1.5倍或更大、或样品流量的2.0倍或更大。在实施例中，总体流量是样品流量的1.5倍至3.0倍。优选地，通过样品流路径的气体流量小于大致1.0立方英尺/分钟(大致2.83升/分钟)，或者在大致0.1立方英尺/分钟至1.0立方英尺/分钟之间(大致2.83升/分钟至28.3升/分钟之间)。通过一个或多个总体流路径的气体流量优选地在大致0.0035立方英尺/分钟至10.59立方英尺/分钟之间(大致在0.1升/分钟至300升/分钟之间)。

16、歧管诸如通过前部歧管板可以具有多个输入采样端口，其中，输入采样端口被选择为与样品出口端口流体连通(即，样品流路径)，并且未选择的输入采样端口与一个或多个总体流分配端口流体连通(即，一个或多个总体流路径)。例如，歧管可以具有2个或更多个输入采样端口、3个或更多个输入采样端口、4个或更多个输入采样端口、5个或更多个输入采样端口、6个或更多个输入采样端口、7个或更多个输入采样端口、8个或更多个输入采样端口、9个或更多个输入采样端口、10个或更多个输入采样端口、12个或更多个输入采样端口、15个或更多个输入采样端口、18个或更多个输入采样端口、20个或更多个输入采样端口、25个或更多个输入采样端口、30个或更多个输入采样端口、35个或更多个输入采样端口、40个或更多个输入采样端口、45个或更多个输入采样端口、50个或更多个输入采样端口、55个或更多个输入采样端口、60个或更多个输入采样端口、65个或更多个输入采样端口、75个或更多个输入采样端口、85个或更多个输入采样端口、或者100个或更多个输入采样端口。在实施例中，歧管包括高达64个样品输入端口。在实施例中，仅存在一个样品出口端口，其中其余的输入采样端口与总体流分配端口流体连通；然而，在替代的实施例中，采样歧管包括多个样品出口端口，该多个样品出口端口与选择的输入采样端口流体连通。

17、在实施例中，歧管包括4个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和3个或更多个总体流分配端口；或者，歧管包括6个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和5个或更多个总体流分配端口；或者，歧管包括10个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和9个或更多个总体流分配端口；或者，歧管包括20个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和19个或更多个总体流分配端口；或者，歧管包括40个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和39个或更多个总体流分配端口；或者，歧管包括60个或更多个输入采样端口，并且流集中元件包括样品出口端口和59个或更多个总体流分配端口。

18、输入采样端口优选地但不是必须地均匀地定位到流集中元件，诸如沿流集中元件的外周界均匀地定位。样品出口端口和总体流分配端口可以是能够有效输送气体的任何形状。样品出口端口和总体流分配端口可以是能够允许流通过端口的任何形状，包括但不限于圆形形状、椭圆形形状和蜂窝形状。

19、在实施例中，每个输入采样端口与采样环境中的不同的采样点流体连通。不同的采样点的示例包括但不限于不同的洁净室、室或洁净区内的不同的区间或区域、制药制造设施或半导体制造设施内的不同的组装点或处理点、以及潜在污染的环境内的不同的区域。

20、优选地，采样歧管能够通过输入采样端口中的每一个同时地吸入气体。通过选择的输入采样端口采样的气体将被输送到样品出口端口，并且然后输送到样品管线，该样品管线连接到容器、颗粒计数器、采样器或分析器，而通过未选择的输入采样端口采样的气体将被输送通过一个或多个总体流分配端口并且输送到离开出口中。流集中元件能够被旋转，以便将样品出口端口与新选择的输入采样端口对准，以便从不同的采样端口选择和输送样品。

21、采样歧管可选地包括一个或多个环境传感器或气体传感器，该一个或多个环境传感器或气体传感器能够感测和/或监测被采样或通过采样歧管被输送的气体的一种或多种特性。这种环境传感器和气体传感器可以被定位在包括但不限于以下位置处：环境中对气体进行采样的点、歧管的外部、输入样品端口、样品流路径、总体流路径、样品管线以及与样品管线流体连通的部件。在实施例中，采样歧管能够监测和/或感测通过歧管的不同部分被采样和被输送的气体的压力、流率、温度、湿度或上述特性的组合。例如，采样歧管能够感测和监测通过样品流路径和总体流路径的不同部分被输送的气体的压力和/或流率，以确保足够的气流通过整个系统并且通过不同的输入样品端口。在一个或多个位置处没有检测到气流的情况下，或者在测得的压力或气体流量低于期望的水平的情况下，则可以控制歧管，诸如通过增加真空吸入量，以抽吸更大量的气体。与采样歧管和颗粒计数器兼容使用的用于检测和监测气体流量和压力的传感器在本领域中是已知的，本领域技术包括但不限于申请号为8,800,383的美国专利(托马斯·贝茨)。替代地或附加地，采样歧管能够确定和监测被采样的环境中的气体以及被输送通过样品流路径和总体流路径的不同部分的气体的温度和湿度。与采样歧管和颗粒计数器兼容使用的温度传感器/相对湿度(trh)传感器也是本领域中已知的。

22、控制器可以用于根据操作者输入的顺序或预定的顺序旋转流集中元件以将样品出口端口与一个或多个选择的输入采样端口对准，或者用于根据操作者输入的顺序或预定的顺序操作致动器以将样品管线与一个或多个选择的流动端口对准。如本文中所使用的，控制器包括能够移动或操作装置的部件的硬件装置、软件程序、或硬件装置和软件程序的组合。例如，控制器能够旋转流集中元件并且以预定的时间段、频率、或时间段和频率的组合将样品出口端口与输入采样端口中的每一个对准，或者，在流集中元件不旋转的情况下，控制器能够以预定的时间段、频率、或时间段和频率的组合将样品管线与选择的流动端口对准。每个输入样品端口采样的时间段和频率可以是固定的或可变的。

23、输入采样端口中的每一个可以通过流集中元件的连续的旋转或者通过致动器的连续的操作按顺序次序进行采样。替代地，输入采样端口可以以不同的模式、以随机的次序、或者以相对于其他输入采样端口优先采样一些输入采样端口的方式进行采样。例如，在来自特定输入样品端口的样品表明存在颗粒的风险更大的情况下，可以以更高的频率对该输入样品端口进行采样。在实施例中，样品出口端口或样品管线以比与其他输入采样端口对准的频率或时间段更高的频率或更长的时间段与输入采样端口中的一个或多个对准。

24、控制器能够根据预定的扫描模式旋转流集中元件或控制致动器以对期望的输入采样端口进行采样，所述预定的扫描模式诸如存储在计算机处理器、闪存或计算机存储器中。在某些配置中，计算机处理器或计算机存储器是歧管的一部分，优选地是歧管的非对接站的一部分。在某些配置中，用于控制或部分操作歧管和流集中元件的闪存位于可移除的对接站上。

25、可选地，选择的输入采样端口由控制器、用户来确定，或根据对外部事件的编程响应来确定，或由上述情况的组合来确定。控制器能够根据第一扫描模式旋转流集中元件或操作致动器以便对输入采样端口进行采样，但在从诸如数据、来自颗粒计数器的电信号或计算机信号、采样器、分析器、传感器、用户界面、机械开关、干接点开关或其他电气开关等的外部源接收到事件信号时，控制器根据新的扫描模式改变流集中元件的旋转以便将样品出口端口与输入采样端口对准。

26、一个或多个电指示器或光学指示器、或字母数字显示器可以用于显示哪个输入采样端口正被采样或者显示样品出口端口相对于输入采样端口中的一个或多个的位置。合适的电指示器或光学指示器包括但不限于灯，该灯定位在流集中元件或歧管外部上，能够显示颜色、闪烁频率或两者的组合。

27、在实施例中，采样歧管还包括中空的轴马达，该中空的轴马达包括壳体，其中，中空的轴马达能够使流集中元件在密封的总体流部段内旋转。样品管线可选地部分地包含在中空的轴马达的壳体内。

28、在实施例中，本发明提供了用于对气体进行采样的方法，该方法包括以下步骤：a)将气体吸入到歧管中，其中，歧管包括两个或更多个输入采样端口、流集中元件以及样品出口端口，该样品出口端口位于流集中元件上并且连接到样品管线；b)旋转流集中元件，以将样品出口端口与选择的输入采样端口对准；c)将气体通过选择的输入采样端口输送到对准的样品出口端口并且输送到样品管线中。

29、在实施例中，本发明提供了用于对气体进行采样的方法，该方法包括以下步骤：a)将气体吸入到歧管中，其中，歧管包括两个或更多个输入采样端口、流集中元件、多个流动端口以及样品管线，该多个流动端口位于流集中元件上，样品管线能够与多个流动端口中的每一个对准；b)可控地移动样品管线，以将样品管线与选择的流动端口对准；c)将气体通过选择的输入采样端口输送到对准的流动端口并且输送到样品管线中。

30、上述方法还包括将气体通过除了选择的输入采样端口之外的输入采样端口输送到流集中元件上的一个或多个非采样端口并且输送到离开出口。在实施例中，方法包括通过输入采样端口中的每一个同时地吸入气体。

31、优选地，使用层流将气体输送到对准的样品出口端口、样品管线、和/或非采样端口。气流在流集中元件中在样品流路径(即，进入对准的样品出口端口或选择的流动端口)与一个或多个总体流路径(即，进入一个或多个非采样端口)之间优选地具有小于0.01％的串扰率、小于0.001％的串扰率或小于0.0001％的串扰率。

32、在另外的实施例中，方法还包括根据操作者输入的顺序或预定的顺序旋转流集中元件以便将样品出口端口与一个或多个选择的输入采样端口对准。在实施例中，方法包括以预定的时间段、频率、或时间段和频率的组合将样品出口端口与输入采样端口中的每一个对准，诸如对每个输入采样端口每秒至少采样一次，和/或以顺序次序对输入采样端口中的每一个进行采样。可选地，样品出口端口以比与其他输入采样端口对准的频率或时间段更高的频率或更长的时间段与输入采样端口中的一个或多个对准。

33、替代地，方法还包括根据操作者输入的顺序或预定的顺序操作致动器以便将样品管线与一个或多个选择的流动端口对准。在实施例中，方法包括以预定的时间段、频率、或时间段和频率的组合将样品管线与选择的流动端口中的每一个对准，诸如对每个选择的流动端口以及因此对应的输入采样端口每秒至少采样一次，和/或按顺序次序对输入采样端口中的每一个进行采样。可选地，样品管线以比与其他流动端口对准的频率或时间段更高的频率或更长的时间段与选择的流动端口中的一个或多个对准。

34、上述方法可选地进一步包括从外部源接收事件信号，并且根据新的扫描模式改变流集中元件的旋转(或者改变致动器的操作)以便将样品出口端口与输入采样端口对准(或者将样品管线与选择的流动端口对准)。外部源包括但不限于颗粒计数器、采样器、分析器、传感器、用户界面、机械开关、和干接点开关或其他电气开关。在实施例中，扫描模式存储在计算机处理器、计算机存储器或闪存上。在某些配置中，计算机处理器或计算机存储器是歧管的一部分，优选地是歧管的非对接站的一部分。在某些配置中，用于控制或部分操作歧管和流集中元件的闪存位于对接站上。

35、在实施例中，歧管还包括可移除的对接站，该可移除的对接站包括能够操作采样歧管的连接件，其中，连接件包括真空连接件、电源连接件、数据连接件、模拟输入/输出连接件、数字输入/输出连接件、以太网交换机连接件、无线通信连接件、或上述连接件的任意组合中的一种或多种。可选地，对接站还包括互联网协议地址和互联网连接件。

36、本文中描述的歧管和使用歧管的方法用于对气溶胶、空气和其他气体进行采样，用于检测、收集和分析污染物和其他分子，该污染物和其他分子包括具有亚10nm颗粒大小和更大的颗粒，以及用于检测和分析采样的气溶胶、空气或气体中的各个组分气体。例如，可以将收集的样品发送到颗粒计数器，诸如冷凝颗粒计数器，以检测收集的样品中的颗粒水平。替代地，收集的样品可以被发送到分析器，该分析器能够检测有机分子的存在或者能够识别一种或多种特定气体组分的存在。