Espectrómetro (20) de masas de partículas, que comprende: una boquilla (22) de expansión de flujo supersónico que tiene una entrada y una salida (26);

una fuente (34) de un gas (36) que tiene partículas (38) suspendidas en el mismo, estando la fuente (34) en comunicación de flujo de gas con la entrada (24) de la boquilla (22) de expansión; una cámara (45) de vacío en comunicación de flujo de gas con la salida (26) de la boquilla (22) de expansión, teniendo la cámara (45) de vacío un vacío suficiente de modo que un flujo de gas a través de la boquilla (22) de expansión es supersónico; y un micrófono (50) en alineación de flujo de gas con la salida de la boquilla (22) de expansión que tiene un elemento (52) activo y una señal (54) de salida que responde a un movimiento del elemento (52) activo, estando dispuesto el elemento (52) activo dentro de la cámara (45) de vacío y estando situado de modo que las partículas (38) que fluyen desde la salida (26) de la boquilla (22) de expansión impactan directamente sobre el elemento (52) activo

Esta invención se refiere a la medición de las masas de partículas pequeñas y, más particularmente, a un espectrómetro de masas que suspende las partículas en un flujo de gas supersónico y hace impactar las partículas sobre un elemento activo de un micrófono.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es importante identificar exactamente la naturaleza de ciertos tipos de partículas pequeñas. Por ejemplo, diversas especies biológicamente activas tales como diferentes tipos de virus tienen efectos de amplitud variable sobre organismos vivos. Algunos pueden tener un efecto reducido, y otros pueden ser mortales. Las personas que están potencialmente expuestas a virus necesitan un enfoque certero para identificar rápida y exactamente la naturaleza de tales virus, de modo que puedan emplearse medidas preventivas o contramedidas según sea necesario. En otros casos no ha de tomarse ninguna medida con virus que no son potencialmente perjudiciales.

Varias técnicas químicas y físicas son útiles para identificar partículas pequeñas tales como virus. Las partículas pequeñas químicamente activas pueden analizarse observando su reactividad química. En una técnica, las partículas se capturan en un filtro y luego se someten a pruebas químicas determinando su reactividad con otras especies o con productos químicos particulares. Sin embargo, tales pruebas químicas pueden ser bastante lentas para proporcionar una identificación. Las partículas pequeñas pueden analizarse también según propiedades físicas, tal como mediante difracción de rayos X para determinar su estructura interna. Este enfoque requiere también un tiempo considerable y además no puede realizarse fácilmente en pequeños números de partículas muy pequeñas. Las partículas pequeñas pueden capturarse también y analizarse visualmente para estimar sus masas, usando un microscopio potente tal como un microscopio electrónico de barrido. Esta técnica no proporciona información en tiempo real, y requiere la disponibilidad de un microscopio electrónico de barrido.

En otro enfoque que se usa para analizar partículas más grandes y tiene el potencial para un análisis en tiempo real, se hace pasar un haz de luz a través de un flujo suspendido de las partículas. El haz de luz dispersada se usa para obtener una distribución de tamaños de las partículas, que puede estar relacionada de manera aproximada con una distribución de masas de partículas. Sin embargo, la dispersión de la luz no es útil para detectar partículas que sean mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, tal como es el caso para partículas virales.

El documento US-A-5742050 detalla un método para la introducción de muestras en un espectrómetro de masas para realizar análisis de muestras, incluyendo la desorción de una muestra mediante un haz láser y formar compuestos de muestra gaseosos, barrer los compuestos de muestra de desorción con un gas portador hacia una línea de transferencia, transferir los compuestos de muestra en la línea de transferencia hacia una boquilla supersónica, expandir los compuestos de muestra mezclados con el gas portador desde la boquilla supersónica para formar un chorro libre supersónico en el interior de una cámara de vacío de un espectrómetro de masas, e ionizar y analizar las masas de los compuestos de muestra para el fin de identificación y/o cuantificación de la muestra. También se prevé un aparato para llevar a cabo el método.

El documento US-A-3561253 detalla un aparato para la medición de partículas que tiene un circuito oscilador con un cristal de cuarzo que porta películas de electrodo para detectar la masa de partículas recogidas mediante fuerza sobre una superficie de una película leyendo el cambio en la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo. El circuito oscilador se combina con un dispositivo para recoger mediante fuerza partículas sobre la película accionada eléctricamente. La señal eléctrica del circuito oscilador se monitoriza mediante un dispositivo contador de frecuencia.

El documento US-A-3844174 detalla un aparato de medición mediante el cual las partículas contenidas en un fluido se ponen en movimiento y se guían sobre la cara sensible de un detector piezoeléctrico a un ángulo de incidencia oblicuo y se determina la velocidad relativa de las partículas con respecto al detector. Se miden las amplitudes y el número de señales eléctricas suministradas por el detector con el impacto de las partículas y proporciona las masas y la concentración respectivamente de dichas partículas tras la calibración de dicho detector.

Por lo tanto, existe la necesidad de un enfoque para analizar rápida y exactamente la presencia y la naturaleza de partículas pequeñas en la atmósfera y otros lugares. La presente invención satisface esta necesidad, y proporciona además ventajas relacionadas.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención prevé un aparato y método para medir las masas de partículas pequeñas que se suspenden en un flujo de gas. El enfoque permite la rápida medición de las masas de partículas muy pequeñas, tales como virus. Sustancialmente no existe retardo entre el momento en que se encuentran las partículas y el momento en que la información de masa está disponible. Para los virus, la información de masa está bastante correlacionada con la naturaleza del virus, de modo que la naturaleza del virus puede determinarse de manera esencialmente instantánea.

Conocer la masa de una partícula pequeña puede ser útil para identificar la naturaleza de la partícula. Los virus tienen normalmente masas características. Es decir, la masa de cada partícula de un tipo de virus particular es sustancialmente la misma, ya que el virus no crece ni se fragmenta durante su vida, a diferencia de una bacteria en la que la masa cambia a lo largo del tiempo y puede haber un intervalo de masas para cada tipo de bacteria, y a diferencia de otros tipos de partículas que no tienen masas diferenciadas. Las masas de virus características son inferiores que las masas de casi todos los demás tipos de partículas que se encuentran habitualmente.

Según la invención, un espectrómetro de masas de partículas comprende una boquilla de expansión de flujo supersónico que tiene una entrada y una salida, y una fuente de un gas que tiene partículas suspendidas en el mismo. La boquilla de expansión, es preferiblemente una boquilla de expansión convergente-divergente. Las partículas pueden ser virus con una masa de desde aproximadamente 106-1010 Daltons. La fuente está en comunicación de flujo de gas con la entrada de la boquilla de expansión.

El espectrómetro de masas de partículas incluye además una cámara de vacío en comunicación de flujo de gas con la salida de la boquilla de expansión. La cámara de vacío tiene una presión suficientemente baja, normalmente en el intervalo de desde aproximadamente 10-3 Torr hasta aproximadamente 10-1 Torr, de modo que un flujo de gas a través de la boquilla de expansión es supersónico. Son aceptables presiones por debajo de 10-3 Torr, pero se prefiere que la presión no sea superior a 10-1 Torr de modo que la trayectoria libre media de las moléculas de gas sea larga.

Un micrófono tiene un elemento activo y una señal de salida que responde a un movimiento del elemento activo. El elemento activo se mueve normalmente en respuesta al impacto por las partículas. El elemento activo del micrófono es preferiblemente o bien una pieza de un material piezoeléctrico o bien un diafragma flexible. El elemento activo se dispone dentro de la cámara de vacío y se sitúa de modo que las partículas que fluyen desde la salida de la boquilla de expansión impactan sobre el elemento activo. La señal de salida del micrófono es un indicador de las masas de las partículas individuales que impactan sobre el elemento activo.

En algunos casos, el flujo de partículas hacia el elemento activo del micrófono puede ser tan grande que las señales de salida asociadas con las partículas individuales se solapen y no puedan analizarse fácilmente. Las partículas pueden extenderse de manera angular para ayudar en el análisis, tal como desviando electrostáticamente las partículas. Un conjunto de placas deflectoras electrostáticas se dispone de modo que las partículas que fluyen desde la salida de la boquilla de expansión hacia el micrófono deben pasar entre las placas deflectoras y se desvían. Las partículas desviadas electrostáticamente impactan sobre una serie de micrófonos. Cada micrófono de la serie tiene un elemento activo y una señal de salida que responde...

1. Espectrómetro (20) de masas de partículas, que comprende:

una boquilla (22) de expansión de flujo supersónico que tiene una entrada y una salida (26); una fuente (34) de un gas (36) que tiene partículas (38) suspendidas en el mismo, estando la fuente (34) en comunicación de flujo de gas con la entrada

(24) de la boquilla (22) de expansión; una cámara (45) de vacío en comunicación de flujo de gas con la salida (26) de la boquilla (22) de expansión, teniendo la cámara (45) de vacío un vacío suficiente de modo que un flujo de gas a través de la boquilla (22) de expansión es supersónico; y un micrófono (50) en alineación de flujo de gas con la salida de la boquilla

(22) de expansión que tiene un elemento (52) activo y una señal (54) de salida que responde a un movimiento del elemento (52) activo, estando dispuesto el elemento (52) activo dentro de la cámara (45) de vacío y estando situado de modo que las partículas (38) que fluyen desde la salida

(26) de la boquilla (22) de expansión impactan directamente sobre el elemento (52) activo.

2. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, en el que la boquilla (22) de expansión es una boquilla (22) de expansión convergente-divergente.

3. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, en el que la fuente (34) del gas (36) comprende una fuente (34) de partículas (38) de virus.

4. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, en el que la cámara (45) de vacío tiene una presión de desde aproximadamente 103 Torr hasta aproximadamente 10-1 Torr.

5. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, que incluye además un conjunto de placas (57) deflectoras electrostáticas dispuestas de

manera que las partículas (38) que fluyen desde la salida (26) de la boquilla (22) de expansión hacia el micrófono (50) deben pasar entre las placas (57) deflectoras.

6. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, en el que el micrófono (50) comprende una serie (51) de micrófonos (50).

7. Espectrómetro (20) de masas de partículas según la reivindicación 1, que incluye además un procesador (70) de datos que recibe la señal (54) de salida y asocia la señal (54) de salida con tipos de partículas.

8. Método para determinar una masa de partículas (38), que comprende las etapas de suspender las partículas (38) en un flujo de gas (36); hacer pasar el flujo de gas (30) con las partículas (38) suspendidas en el mismo a través de una boquilla (22) de expansión de flujo supersónico a un vacío, hacer impactar el flujo de gas (36) con las partículas (38) suspendidas en el mismo sobre un elemento (52) activo de un micrófono (50) que se mantiene dentro del vacío, en alineación de flujo de gas con la salida de la boquilla (22) de expansión, después de que el flujo de gas (36) con las partículas (38) suspendidas en el mismo sale de la boquilla (22) de expansión; y asociar una señal (54) de salida del micrófono (50) con las masas de las partículas (38).

9. Método según la reivindicación 8, en el que la etapa de suspender incluye la etapa de prever partículas (38) que tienen una masa de desde aproximadamente 1061010 Daltons.

10. Método según la reivindicación 8, incluyendo el método una etapa adicional de desviar electrostáticamente las partículas (38) suspendidas en el flujo de gas (36) que sale de la boquilla (22) de expansión de flujo supersónico.