(57)【要約】  大きさ及び密度、弾性散乱特性、吸収及び蛍光に関して単一粒子の特性をほぼ同時に計測することによって、生物学的及び非生物学的粒子をリアルタイムで検出し且つ分類するための高められた方法、装置、及びシステムが開示される。
2007525648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を検出し且つ分類するための方法であって、
粒子を含むサンプルの流れを提供し、且つ前記粒子を含むサンプルの流れを光学視野領域へ向かわせる工程と、
複数の連続波励起源であって各連続波励起源が別々の波長を放出する前記連続波励起源を設ける工程と、
前記連続波励起源からの別々の波長の複数の光を前記光学視野領域へ向かわせる工程と、
前記視野領域内の前記サンプルの流れに見られる各粒子をほぼ同時に前記連続波励起源で照明する工程であって、前記粒子が弾性散乱特性、蛍光若しくは非蛍光の放出特性、並びに大きさ及び密度特性を有する工程と、
前記視野領域から複数の検出器への光を向かわせて複数の信号を生成する工程と、
前記検出器から信号処理装置へ信号を向かわせて、弾性散乱特性、複素屈折率、及び粒子の蛍光若しくは非蛍光を、実質的にリアルタイムでほぼ同時に計測する工程とを含む方法。
【請求項２】
前記複数の検出器は、粒子の弾性散乱特性を検出することを専用とする複数の検出器を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の検出器は、粒子の弾性散乱特性を検出することを専用とする複数の検出器と蛍光を検出することを専用とする少なくとも一つの検出器とを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の連続波励起源は、レーザー、発光ダイオード及び別々の粒子励起波長範囲を生成する発光デバイスからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザーは約２６６ｎｍから約３００ｎｍまで、約３５０ｎｍから約４３０ｎｍまで、約４００ｎｍから約４３０ｎｍまで、及び約６００ｎｍから約１５００ｎｍまでからなる群から選択される粒子励起範囲を生成する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記励起範囲は約２６６ｎｍから約２８０ｎｍまで、約４００ｎｍから約４１５ｎｍまで、及び約７００ｎｍから約１．５μｍまでからなる群から選択される請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子は生物学的な粒子である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記生物学的な粒子は蛍光物質又は発色団を備える請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記蛍光物質は、アミノ酸、ＮＡＤＨ、フラビン及び葉緑素からなる群から選択される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記粒子は非生物学的な粒子である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも２つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率を測定し、且つ、少なくとも１つの検出器を用いて蛍光を測定する請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも２つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率を測定する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒子は、７次元以上の特性空間に従って検査される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記連続波励起源は３つのレーザーを備える請求項４に記載の方法。
【請求項１５】
前記連続波励起源は２つのレーザーを備える請求項４に記載の方法。
【請求項１６】
前記粒子は空中に浮遊している請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
粒子を検出し且つ分類するための方法であって、
粒子を含むサンプルの流れを提供し、且つ、前記粒子を含むサンプルの流れを光学視野領域へ向かわせる工程と、
連続波励起源を設ける工程であって、前記連続波励起源は別々の波長を放出する工程と、
パルス波励起源を設ける工程であって、前記パルス波励起源は別々の波長を放出する工程と、
第二高調波及び第三高調波を発生するための少なくとも一つの非線形結晶を設ける工程と、
前記連続波励起源及び前記パルス波励起源からの別々の波長の複数の光を前記光学視野領域へ向かわせる工程と、
前記視野領域内の前記サンプルの流れに見られる各粒子を前記連続波励起源及び前記パルス波励起源でほぼ同時に照明する工程であって、前記粒子が弾性散乱特性、蛍光若しくは非蛍光の放出特性、並びに大きさ及び密度特性を有する粒子である工程と、
前記視野領域からの光を複数の検出器に向かわせて、複数の信号を生成する工程と、
前記検出器からの前記信号を信号処理装置に向かわせて、弾性散乱特性、複素屈折率、及び粒子の蛍光又は非蛍光を、実質的にリアルタイムでほぼ同時に計測する工程とを含む方法。
【請求項１８】
少なくとも３つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率を測定し、且つ、少なくとも１つの検出器を用いて蛍光を測定する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
レーザーは複数の励起波長を生成し、少なくとも一つの励起波長は連続的な方式で動作して検出モード用のトリガー機構を提供する請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記各連続波励起源は異なる励起波長を提供し、各波長は光学視野領域に直交する同一の軸に沿って光学的に整列されている請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記各連続波励起源は３つの異なる励起波長を提供し、２つの波長が粒子検出空間に直交する同一の軸に沿って光学的に整列され、３番目の波長が他の２つの波長から所定の距離で分離されている請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記各連続波励起源は３つの異なる励起波長を提供し、３つ全ての波長が互いから所定の距離で分離されている請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記各連続波励起源は２つの異なる励起波長を提供し、２つの波長の１つが粒子検出空間に直交する同一の軸に沿って光学的に整列され、２つの波長の１つが他の波長から所定の距離で分離されている請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記連続波励起源は、約５ミクロンから約３００ミクロンの線の厚さを有するように条件づけられたビームを生成する請求項４に記載の方法。
【請求項２５】
さらに、室外の環境及び室内の環境からなる群から選択される環境から光学視野領域へ空気のサンプルを向かわせる工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、戦場、病院、郵便室、産業施設、乗物の客室、建物内部並びにＨＶＡＣシステムと連通する空気の流れ及びＨＶＡＣシステムと連通しない空気の流れからなる群から選択される環境から視野領域へ空気のサンプルを向かわせる工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記粒子は空気中に浮遊している請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
単一の粒子をサンプルから検出し且つ分類するための装置であって、
複数の連続波励起源であって、各連続波励起源は別々の波長を放出し、前記波長は光学視野領域を通って指向される前記連続波励起源と、
前記光学視野領域を通って指向された波長を受け取り、複数の信号を生成するための複数の検出器と、
各検出器と連通して各検出器からの信号を受け取って、弾性散乱特性、複素屈折率、及び粒子の蛍光又は非蛍光を実質的にリアルタイムでほぼ同時に計測するための信号処理装置とを備える装置。
【請求項２９】
前記複数の検出器は粒子の弾性散乱特性を検出することを専用とする複数の検出器を含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記複数の検出器は、粒子の弾性散乱特性を検出することを専用とする複数の検出器と、蛍光を検出することを専用とする少なくとも一つの検出器とを含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記複数の連続波励起源は、レーザー、発光ダイオード及び別々の粒子励起波長範囲を生成する発光デバイスからなる群から選択される請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記レーザーは約２６６ｎｍから約３００ｎｍまで、約３５０ｎｍから約４３０ｎｍまで、約４００ｎｍから約４３０ｎｍまで、及び約６００ｎｍから約１５００ｎｍまでからなる群から選択される粒子励起範囲を生成する請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記粒子は生物学的な粒子である請求項２８に記載の装置。
【請求項３４】
前記生物学的な粒子は蛍光物質又は発色団を含む請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記蛍光物質は、アミノ酸、ＮＡＤＨ、フラビン及び葉緑素からなる群から選択される請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記粒子は非生物学的な粒子である請求項２８に記載の装置。
【請求項３７】
少なくとも２つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率を測定し、且つ、少なくとも１つの検出器を用いて蛍光を測定する請求項２８に記載の装置。
【請求項３８】
少なくとも２つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率をほぼ同時に測定する請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
前記粒子は、７次元以上の特性空間に従って検査される請求項２８に記載の装置。
【請求項４０】
前記連続波励起源は３つのレーザーを備える請求項２８に記載の装置。
【請求項４１】
前記連続波励起源は２つのレーザーを備える請求項２８に記載の装置。
【請求項４２】
前記連続波励起源は、約５ミクロンから約３００ミクロンの線の厚さを有するように条件づけられたビームを生成する請求項２８に記載の装置。
【請求項４３】
前記粒子は空中に浮遊している請求項２８に記載の装置。
【請求項４４】
単一の粒子をサンプルから検出し且つ分類するための装置であって、
連続波励起源であって、前記連続波励起源は別々の波長を放出し、前記波長は光学視野領域を通って指向される前記連続波励起源と、
パルス波励起源であって、前記パルス波励起源は別々の波長を放出するパルス波励起源と、
第２高調波及び第３高調波を発生するための少なくとも１つの非線形の結晶と、
前記光学視野領域を通って指向された波長を受け取り、複数の信号を生成するための複数の検出器と、
各検出器と連通して各検出器からの信号を受け取って、弾性散乱特性、複素屈折率、及び粒子の蛍光又は非蛍光を実質的にリアルタイムでほぼ同時に計測するための信号処理装置とを備える装置。
【請求項４５】
３つの検出器を用いて弾性散乱及び複素屈折率を測定し、且つ、少なくとも１つの検出器を用いて蛍光を測定する請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
レーザーは連続的な方式で動作して検出モード用のトリガー機構を提供する請求項４４に記載の方法
【請求項４７】
前記各連続波励起源及びパルス波励起源は異なる励起波長を提供し、各波長は光学視野領域に直交する同一の軸に沿って光学的に整列されている請求項４４に記載の装置。
【請求項４８】
前記各連続波励起源及びパルス波励起源は３つの異なる励起波長を提供し、２つの波長が粒子検出空間に直交する同一の軸に沿って光学的に整列され、３番目の波長が他の２つの波長から所定の距離で分離されている請求項４４に記載の装置。
【請求項４９】
前記各連続波励起源及びパルス波励起源は３つの異なる励起波長を提供し、３つ全ての波長が互いから所定の距離で分離されている請求項４４に記載の装置。
【請求項５０】
前記各連続波励起源及びパルス波励起源は２つの異なる励起波長を提供し、２つの波長の１つが粒子検出空間に直交する同一の軸に沿って光学的に整列され、２つの波長の１つが他の波長から所定の距離で分離されている請求項４４に記載の装置。
【請求項５１】
前記各連続波励起源及びパルス波励起源は、約５ミクロンから約３００ミクロンの線の厚さを有するように条件づけられたビームを生成する請求項４４に記載の装置。
【請求項５２】
さらに、約４πステラジアンの広角度収集の構成を有する蛍光検出用の検出器を備える請求項４４に記載の装置。
【請求項５３】
請求項２８に記載の装置を備える乗物。
【請求項５４】
請求項４４に記載の装置を備える乗物。
【請求項５５】
請求項２８に記載の装置を備える建物。
【請求項５６】
請求項４４に記載の装置を備える建物。
【請求項５７】
請求項２６に記載の装置を備える生物学的粒子及び非生物学的粒子を検出するためのシステム。
【請求項５８】
請求項４１に記載の装置を備える生物学的粒子及び非生物学的粒子を検出するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００３年４月２９日に出願された米国仮出願第６０／４４６，０４２号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は広くエアロゾル分析に関し、より詳細には生物学的微粒子及び非生物学的微粒子のリアルタイムでの検出及び分類のためのマルチスペクトル光学分析に関する。
【背景技術】
【０００３】
室内及び室外の空気品質のモニター用に、空気中に浮遊する生物学的微粒子（生物微粒子）及び非生物学的微粒子（非生物微粒子）をリアルタイムで検出及び分類する要求が増している。それに加えて、テロ行為などを通じた、戦場及び都市環境での生物学的な試薬のエアロゾルの意図的な散布を早期に検出する要求も増している。空気中に浮遊する微生物は疾患を引き起こすことになり、病院、製造オペレーション、汚水処理プラント、動物生産ハウス及びリサイクルプラント若しくは複合プラントのリアルタイムでのモニタリングは、これらの環境における微生物の有害な露出の防止に役立つことができる。さらに、微粒子サイズの不純物の検出は、例えばチップ製造プロセスでの品質及び製造に利することができる。さらに、都市環境において、人間の有機炭素微粒子に対する露呈をモニターすることが要求されている。ディーゼル排ガス及び植木の燃焼のような源からの、環境内で遭遇される大部分の有機炭素微粒子は、人間にとって発ガン性のある多環芳香族炭化水素を含んでいる。
【０００４】
バイオ−エアロゾルの襲撃に対するリアルタイムの警告を提供する能力は困難な問題である。リアルタイムでの生物のポイント検出の現況は、内在する蛍光物質の励起による生物微粒子の自己蛍光の検知と、粒子の弾性散乱を測定することによる検知とを含む。現在の技術には２つの主要な制限がある。第１に、低レベルの細胞及び低レベルのシングレットフォームの胞子型粒子と、一定レベルより下、例えば数ミクロンより下の蛋白系毒素及びウィルスの凝集体とを信頼できる手法で検知することができない。第２に、低レベルの襲撃に対応する脅威レベルを設定したときに、低い誤警報率を与えるような手法で生物微粒子を分類することは不可能である。
【０００５】
兵器級の炭疽菌又は他の生物微粒子が入った小包の近年の配送及び米国の郵便システムへこれらの胞子を放つことは、主としてシングレットフォームで配達された胞子型の脅威を実証した。テロ行為に関連する他の可能性のある襲撃は、公的なエリア、施設及び政府機関の建物へ生物試薬を放つことであろう。用いられる散乱方法は、どんな形状でその生物試薬がパッケージに収容されるかが分かるであろう。換言すれば、用いられる散乱方法は、どんな大きさの凝集体が生成されたか、又は単細胞試薬若しくは胞子型の試薬が生成されたかどうかが分かるであろう。
【０００６】
例えば、農薬散布飛行機又は携帯用の農薬スプレーでは、直径２−１０μｍより大きな呼吸できる凝集体が主に生成された主要な大きさであろうと推測できる。なぜならば、これらの型の噴霧器が生み出す液滴の直径はこの程度だからである。しかしながら、施設内又は公的エリア内に密かな散布について、乾燥粉末の散布又は低出力の噴霧器（ネブライザー）を用いてシングレットフォームの細胞試薬及びシングレットフォームの胞子型試薬又は大きさ１μｍ未満のウィルス／タンパク質の凝集体を発生させるであろうことを予想することができる。
【０００７】
米国出願公開第ＵＳ２００３／００９８４２２Ａ１号は、ミー（Ｍｉｅ）散乱の技術及び自己蛍光を用いて生物学的な粒子の検出及び分類のための方法及び装置を開示している。そのような出願は、本願の一部を構成するようにその全体を援用して本文の一部とする。
【０００８】
全ての脅威のシナリオに対処する際に、従来の呼吸域の範囲の凝集体（２−１０μｍ）に加えて、微細なウィルス／タンパク質毒素の凝集体とシングレットフォームの細胞試薬及びシングレットフォームの胞子型試薬を検出できることが望まれる。さらに、対称となる生物学的な試薬を分類する能力及び生物学的試薬を、通常遭遇するカビ胞子、花粉並びに他の生物学的な細胞及び胞子のような生物学的な粒子と同様に、ディーゼル煤煙及び無機／有機粒子状物質のような別のタイプの通常遭遇するエアロゾルから分離する能力が望まれる。対象となる生物学的試薬の分類と同様に、通常遭遇するエアロゾルのほとんどのタイプの分類に向けられた努力は、リアルタイムの生物学的試薬の検出の誤警報率についての直接的な効果を有するであろう。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、空気中に浮遊する生物学的及び非生物学的粒子を、リアルタイムで粒子の大きさ、密度、複素屈折率及び自己蛍光量に基づいて検出し且つ分類するための方法、装置及びシステムを意図している。本発明に従って、３つの物理現象が検出スキームで利用されて、３つの物理現象はエアロゾル粒子と光の相互作用：弾性散乱、吸収及び蛍光を含む。これらの光学的な現象に加えて、粒子の大きさ（寸法）及び密度の両者と複素屈折率は実際的に同時に決定され、リアルタイムでの粒子の検出及び同定／分類を向上させる。
【００１０】
本発明は、多重励起の（波長）領域を有する光ビームで粒子を照明することを含む、単一粒子を検出し且つ分類するための方法に関する。粒子は、大きさ及び密度、複素屈折率並びに異なる放出レンジにわたる自己蛍光の内容を含む測定可能な特徴及び分類可能な特徴を有する。粒子の大きさは、特定の波長（複数の波長）に対する弾性散乱強度の測定、及び／又は粒子の”飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）”、即ち、粒子が加速オリフィスを出て既知の距離で分離された光ビームを横切るのに要する時間を測定することによって決定することができる。粒子の密度は、１以上の波長での粒子の弾性散乱強度と粒子の飛行時間とを比較して決定することができる。粒子の自己蛍光の量は、粒子を特定の波長で励起して、対象となる粒子中に存在する内部蛍光物質からの蛍光放出を検出することによって測定される。粒子の分類に適用されるアルゴリズムは、上記パラメータの相互の関係に基づいている。
【００１１】
さらに本発明は、粒子を含むサンプルの流れを設け、そのサンプルの流れを光学的な視野領域に向かわせること、及び各ソース（源）が不連続の波長を放出する複数の連続波励起源を設けることを含む粒子を検出し且つ分類するための方法に関する。連続波励起源からの複数の不連続な波長の光は、光学的な視野領域に提供される。視野領域のサンプルの流れの中に見出される各粒子は、リアルタイムで実質的に同時に複数の励起源で照射される。各粒子は弾性散乱特性、蛍光又は非蛍光の放出特性と大きさ（寸法）及び密度の特性を有する。光は視野領域から複数の検出器へ向けられて複数の信号を生じさせる。そして信号は検出器から信号処理装置（シグナルプロセッサ）へと向けられて、弾性散乱特性、複素屈折率、及び、粒子の蛍光又は非蛍光を、ほぼ同時に且つほぼリアルタイムで測定する。別の好ましい実施形態では、連続波励起源は非線型結晶を有するパルスレーザーダイオードと連結して用いられ、２倍高調波及び３倍高調波を発生する。
【００１２】
さらにまた、本発明は、サンプルから単一の粒子を検出し且つ分類するための装置であって、各ソースが不連続な波長を放出する複数の連続波励起源と、光学的な視野領域を通して指向された波長と、光学的な視野領域を通って指向された波長を受け取り且つ複数の信号を生じさせる複数の検出器とを備える装置に関する。シグナルプロセッサは各検出器と連通し、検出器からの信号を受け取って、弾性散乱特性、複素屈折率及び粒子の蛍光又は非蛍光をほぼ同時に且つほぼリアルタイムで測定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、生物学的及び非生物学的な粒子をリアルタイム方式で検出し且つ分類するための向上された方法、装置及びシステムに関する。３つの物理現象が検出スキームで開発されており、３つの物理現象はエアロゾル粒子と光の相互作用：弾性散乱、吸収及び蛍光を含む。これらの光学的な現象に加えて、粒子の大きさ及び密度の両者と複素屈折率はほぼ同時に決定される。散乱及び吸収を考慮するとき、光とエアロゾル粒子との相互作用は、粒子が漂っている媒体に関する粒子材料の複素屈折率によって示される。複素屈折率の実部及び虚部はそれぞれ粒子の屈折率及びエアロゾルの吸収率に関係する。複素屈折率はｍ＝ｎ−ｉｋとして定義される。ここで、ｍは複素屈折率であり、ｎは屈折率であり、ｋはエアロゾルの吸収率である。複素屈折率は励起波長の関数であり、粒子の化学組成に依存する。複素屈折率の実部は粒子の大きさに関する情報を与える。粒子の吸収特性は、２以上の励起波長での弾性散乱の測定によって間接的に測定することができる。
【００１４】
粒子の散乱特性についての複素屈折率の影響のモデル計算は、粒子の形状があまり不規則でないと仮定して、光散乱のミー定理に基づいてなされることができる。本願で記載された照明法は、一度で励起された個々のエアロゾル粒子の励起を含む。ミー定理を用いて、センサーの応答をモデル化することができ、予測することができる。不連続な粒子カウンターは、一個の粒子が光のビームを横切る際に、一個の粒子から所定の角度範囲に散乱された光の量を測定する。所定の散乱ジオメトリに対するレスポンスＲは、励起ビームで規格化されたこの散乱光によって定義される。粒子を一方向から照射する直線偏光された光のビームについて、レスポンスは以下のように与えられる。
【数１】
2007525648.tif 000003
ここで、Ｉ１及びＩ２は入射する放射の電場ベクトルの振動面に対して平行に偏光した散乱光及び垂直に偏光した散乱光であり、ｍは複素屈折率であり、ｘは無次元の粒子の大きさのパラメータであって、ｘ＝πＤｐ／λによって定義される。ここでＤｐは実際の粒子の径であり、λは照射（１）の波長である。Ｇ（φ，θ）は特定の光学設計に関連する幾何学的な因子である。φ１及びφ２と共にθ１及びθ２は散乱された光が集められる立体角を限定する切断角度である。２以上の波長でこの散乱のレスポンスを見ることによって、粒子のサイズと、粒子の吸収特性に関連している情報を間接的に測定することができる。この技術は、内部の蛍光物質又は発色団についてのピーク吸収帯に対応する１以上の励起波長の適切な選択を通じて、生物インジケーター（表示器）として用いることができる。異なる種類のエアロゾル粒子による吸収の程度の予測は、以下の式を用いて粒子内に存在するいくつかの蛍光物質又は発色団を見ることによって成し遂げることができる。
【数２】
2007525648.tif 000004
ここで、Ｉ０はレーザー光の全体の強度であり、εは蛍光物質又は発色団のモルデカディック吸収係数であり、Ｃは粒子内の蛍光物質／発色団の濃度であり、Ｒは粒子の半径である。
【００１５】
この技術を適当に適用して、粒子の吸収特性に非常に敏感なレスポンスを観測することができる。収集角度のジオメトリと用いられた励起波長はセンサーのレスポンスにおいて主要な役割を果たす。例えば、散乱強度のほぼ２桁の違いを観測することができるのは、６３０ｎｍで励起されたとき屈折率が１．４である１μｍの吸収がない粒子と屈折率が１．４−０．５ｉで吸収がある粒子を比較して、１５０°から１７０°で後方散乱を収集するときである。１０°から３０°の収集角度のジオメトリがなされた場合、上記の粒子のタイプに対する強度の差は２倍よりも小さくなるであろう。
【００１６】
励起波長の適切な選択も、生物学的な粒子に内在する蛍光物質の存在による自己蛍光の測定を可能にするであろう。以下の範囲にある２つの励起波長、即ち２２６−２８０ｎｍ及び４００−４１５ｎｍを用いることによって、例えば以下の内在する蛍光物質、即ち、芳香族アミノ酸、ＮＡＤＨ、フラビン及び葉緑素（クロロフィル）からスペクトル的に離散した自己蛍光を測定することができる。
【００１７】
一実施形態に従って、本発明は、生物学的な粒子に対して吸収されない波長又は吸収が最小限である波長である３つの励起波長を使用することを意図しており、それらは電磁スペクトルの可視領域から近赤外領域に存在する。つまり、上記蛍光物質の蛍光放出スペクトルと干渉しない。
【００１８】
以下の波長域、即ち、２６６−３００ｎｍ、３５０−４３０ｎｍ及び６００ｎｍ−１．５μｍで本発明の３つのレーザー励起のアプローチを用いて、個々の粒子の弾性散乱及び吸収特性、並びに生物学的な粒子に見られるほとんどの内在する蛍光物質の蛍光放射を測定することができる。
【００１９】
従って、本発明に従って、３つの検出チャンネルを各励起波長での弾性散乱測定のための専用にし、且つ、他の３つの検出チャンネルを、芳香族アミノ酸（３００−４００ｎｍ）、ＮＡＤＨ及びフラビン（４２０−６００ｎｍ）並びにクロロフィル（６００−７００ｎｍ）の蛍光放出を検出することの専用にすることによって、７次元またはそれ以上の特性空間（粒子の大きさ、３つの弾性散乱チャンネル及び３つの蛍光チャンネル）を生じさせることができ、且つ、かなり向上された分類スキームを発達させることができる。このことは、全ての既知の検出方法を超えた進歩である。
【００２０】
本発明に従って、励起ビームの１つをその他の２つから分離すること、又は３つ全てを互いに分離することによって、個々の粒子が各ビームを通って加速されるときに、個々のエアロゾル粒子についての持続時間を計測することができる。レイノルズ数が低い（乱流がない）と仮定すると、粒子の密度は個々のエアロゾル粒子がビームを横切るのにかかる時間から決定することができる。２つのビームを通過する粒子の速度をｖ１＝ｂ１／Δｔ１、及びｖ２＝ｂ２／Δｔ２と表すことができると仮定すると、ストークスの式は以下の形に書くことができる：
【数３】
2007525648.tif 000005
ここで、ｖは速度であり、ｂ１及びｂ２はビームの幅であり、ｍは粒子の質量（球に対して、ｍ＝４／３Ｒ３ｐ）であり、Δｖ＝ｖ１−ｖ２、Δｔは粒子が２つのビームを横切るのにかかった時間であり、μは空気の粘度であり、αは粒子の半径である。この式から、球形の粒子について密度ｐを計算することができる。
【００２１】
本発明のさらなる実施例に従って、粒子の密度及び大きさを決定すること、並びに、３つの波長での弾性散乱及び３つの波長帯域での蛍光を測定することによって、８次元以上の特性空間を創造して、生物学的な粒子と非生物学的な粒子の分類のための更なる手段を提供することができる。
【００２２】
図２及び図３は、２つの弾性散乱信号を示す、異なる種類の個々の粒子のオシロスコープのトレースを示している。トレースには励起波長４０５ｎｍ及び７８５ｎｍが示されている。様々な波形に対する２つの信号の異なっている振幅は、粒子の吸収特性が弾性散乱の信号について有する影響を示している。図４は、２チャンネルの弾性散乱検出スキームについて、バックグラウンド（ＢＧ）の花粉粒子と有機炭素粒子を比較した理論的なレスポンスを示している。２つの励起波長が示されている（４０５ｎｍと６６０ｎｍ）。グラフは呼吸域の粒子について、これら２つの励起波長の比を計測することによって、有機炭素粒子を生物学的な花粉粒子から分類することができることを示している。
【００２３】
本願に記載されていることは、エアロゾルを検出する７つの構成であり、その検出の構成には２以上の波長及び２以上の検出チャンネルのバリエーションがある。７つ全ての構成において、エアロゾルは０．５〜３０リットル／分で光学視野領域内に引き入れられ、粒子は２以上の光線で一度に照明される。図１ａ−１ｇに異なる構成のブロック図を示す。各構成において、２以上の以下の波長域が励起に用いられる：２６６−３００ｎｍ、３５０−４３０ｎｍ、及び６００−１５００ｎｍ。３つの別々のレーザー若しくはＬＥＤ源を用いて、上記の波長域の励起波長を提供することができる。又は、高調波発生技術を用いて単一のレーザーで励起波長を提供することもできる。さらに、１以上のソースが変調方式又は連続波源として動作することができる。少なくとも１つの励起波長が連続方式で動作するのに必要とされて、検出プロセスのためのトリガー機構がもたらされる。変調されるソースについては、２０ＭＨｚ以上の変調率が好ましい。レーザーラインを発生する光学系を用いて、約５μ〜３００μのレーザーラインの厚さと、用いられている入口（エアロゾルオリフィス）の径の少なくとも２倍（２×）のフィールド深さ及びレーザーライン幅（線幅）とを発生させている。３つのソースが用いられて３つの励起波長が発生されたならば、そのときは用いられた光学系は３つの構成、即ち、３本全てが光学的に整列し、エアロゾル入口プローブに直交する同一の軸に沿っている構成；３本全てが光学的に整列し、２本がエアロゾル入口プローブに直交する同一の軸に沿い、３本目がエアロゾル入口プローブに直交する同一の軸に沿って他の２本から一定の距離隔てている構成；３本全てが光学的に整列し、３本全てがエアロゾル入口プローブに直交する同一の軸に沿って互いに一定の距離を隔てている構成のうちの１つでレーザーラインを発生させる。１以上のレーザーラインがお互いに分離していることは、飛行時間に基づいた粒子の密度の測定及び粒子の大きさ分別のためである。各波長での弾性散乱及び蛍光は、上で記載した３つのレーザーライン構成のいずれにおいても測定することができる。単一のソースが高調波生成技術と共に用いられるならば、そのときには３つ全ての励起波長は光学的に整列されることになり、エアロゾル入口プローブに直交する同一の軸に沿うことになる。約５μ〜約３００μのレーザーラインの厚さは、高計数率を可能とするエアロゾルの短い移行時間のための手段と、最適な光パワーの照射のための高い光エネルギー密度のための手段とを与える。
【００２４】
様々な光収集ジオメトリ（幾何学配置）は、用いられる異なった物理現象のために適用される異なったパラメータで用いることができる。蛍光に対して、光線の方向に直交する蛍光の収集は、（複数の）蛍光信号についての迷走光の影響を最小にするために推奨される。弾性散乱及び吸収に対して、前方散乱近傍及び後方散乱近傍を別々に収集すること、後方散乱のみを収集すること、側方角度の散乱のみを収集すること、側方散乱及び後方散乱を同時に収集することは、エアロゾルの散乱成分をエアロゾルの吸収成分から分離するために最適な収集ジオメトリである。
【００２５】
図１ａは、２つの励起源が用いられた構成と３つの検出チャンネルを示しており、そのうち、２つが異なる２波長での弾性散乱用であり、１つが蛍光検出用である。エアロゾルはエアロゾルノズル（不図示）を通じてセンサーセル２００内に引き込まれ、光学視野領域２０１に導入される。２つの励起源１００、１０５が用いられる。励起源１００、１０５は連続波源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたもののいずれとすることもでき、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスとすることができる。励起源１００は、２つの波長域３５０−４３０ｎｍ及び６００−１５００ｎｍの一方において、励起源１０５よりも長波長である。励起源１０５は励起源１００よりも短波長であり、２つの波長域２６６−３００ｎｍ及び３５０−４３０ｎｍの一方を放出する。これらの源から放出された光は非球面レンズ１１０ａを用いて平行にされ、次に平行にされた光を別の非球面レンズ１１０ｂを用いてピンホール開口１１５上に合焦させることによって空間的にフィルタリングし、次に別の非球面レンズ１１０ｃを用いて再び平行にする。次に、両方の源からの平行にされた光は、源１００及び１０５から放出された不要な波長、又は光学素子から生成された自己蛍光から放出された不要な波長を除去するために、挟帯域フィルター１２０、１２５へ導入することができる。両方の励起源１００、１０５からの平行にされた光は、平行にされた光に対して４５度に位置付けられた二色性の鏡１３０及び１３５へと導入される。二色性の鏡１３０及び１３５は２つの平行にされた源を同一の光学トレイン上に位置決め（アライメント）するための手段を与え、光学的なアライメントのための主要な手段も与える。２つの平行にされたビームをアライメントして同一のパスに沿わせる、または、エアロゾル入口ノズルに直交する平面に沿って分けて、粒子の飛行時間測定及び密度測定を行うことができる。二色性の鏡１３０及び１３５は、源１００及び１０５から放出される不要な波長又は光学素子の自己蛍光から放出される不要な波長を除去することによって、付加的な光学的フィルタリングも与えることができる。二色性の鏡１３０及び１３５を出る光は、次にエアロゾルノズル領域で、厚さ約５〜約３００μで、フィールド深さ及びビーム幅が入口（例えばエアロゾルノズル）の径よりも少なくとも２倍（２Ｘ）大きいシート状の光を生み出している一連のビーム成形光学系に導入される。一実施形態では、球面レンズ１４０及び円筒レンズ１４５を用いて、上記のジオメトリを生み出している。本発明の好ましい一実施形態では、球面レンズ１４０及びパウエル（Ｐｏｗｅｌｌ）レンズ１４５が用いられる。
【００２６】
ビーム形成素子１４０及び１４５から生じた２つの光ビームは、次に光学視野領域２０１へ導入される。粒子は、一回だけ、この領域２０１内で１００〜２０００ナノ秒のエアロゾル移行時間で照射される。この領域を前方に出ていく光は、光トラップ２１５を用いて収集される。
【００２７】
図１ａに図示される実施形態において、弾性散乱及び蛍光として放出される両方の光は、光収集レンズ１５０、１５２を用いて、約６５度〜約１１５度の範囲にわたって側方角度で収集される。光収集レンズ１５０、１５２は約６５度〜約１１５度の範囲にわたって照射領域で放出された光を収集し、次に、帯域フィルター１６０及び１６５、並びに最終的には受光素子（光検出器）２０５及び２１０へ導入するために光を平行にする。収集レンズ１５０、１５２は非球面コンデンサー、円筒レンズ又は回折型の光学素子にすることができる。
【００２８】
２つの収集レンズ１５０、１５２がこの実施形態で用いられる。１つは両方の励起波長から粒子によって放出された弾性的に散乱された光を収集するために用いられ、１つは照明された粒子からの蛍光放出を収集するために用いられる。２つの励起波長で弾性的に散乱された光は、次に挟帯域フィルター素子１６５へ導入される。フィルター素子１６５は２つの半部領域を備え、１つの領域では源１００からの所望される波長以外の全ての波長をフィルタリングし、他方の領域は源１０５からの所望される波長以外の全ての波長をフィルタリングする。蛍光チャンネルに対して、フィルター素子１６０を用いて、生物学的粒子又は非生物学的粒子内で一般に遭遇する、ある蛍光物質又はその群からの蛍光放出に対応する波長域を除く全ての波長を除外する。
【００２９】
フィルター素子１６５を用いてフィルタリングされた弾性的散乱された光は、次に、受光素子（光検出器）２１０へ導入される。受光素子は、光電子増倍管の列（アレイ）、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような２以上の検出要素を有する検出器アレイである。フィルター素子１６０を用いてフィルタリングされた蛍光放出は、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、又は光電子増倍管若しくはアバランシェフォトダイオードと類似の感度を有するシリコンフォトダイオードのような単一の受光素子（光検出器）２０５へ導入される。両方の受光素子２０５、２１０からの信号は、次に前置増幅器回路３００へと導入され、そこで１００〜２０００ナノ秒の電流パルスが最初にアナログ電圧に変換され、次にアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）３０５を用いてデジタル信号に変換される。全ての３つのチャンネルからの信号は解析のためシグナルプロセッサ３２０へと導入される。シグナルプロセッサ３２０はマイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ又はマイクロコンピューターとすることができ、信号処理の分野の当業者には容易に理解されるであろう。
【００３０】
前置増幅器回路３００はアナログ信号処理の機能を果たすように構成することができる。図１ａ−１ｇに図示された個々のエアロゾルセンサーの構成に対して、前置増幅器回路は以下の機能：アナログの入力帯域が１００ナノ秒の電流パルスを捉えるのに十分であり、１つ又は２つの弾性散乱検出チャンネルからのアナログ電圧レベルからパルス検出器のトリガーを行い、検出器の出力にある非常に短い（約２０ナノ秒）非エアロゾルのパルスからノイズを抑え、光検出器のパルスをトリガーパルス（大雑把に１００−２０００ナノ秒）の持続時間にわたって積分し且つ保持し、パルス幅に比例した高さのパルス出力を生成し、エアロゾルイベントから生成された現在のパルスが終了した後で、アナログ−デジタル変換のトリガー信号の生成を行う機能を提供するように構成することができる。
【００３１】
図５ａ−５ｈはいくつかの意図されたアナログ信号処理の構成を図示している。これらのアプローチを用いて、１又は２の弾性散乱チャンネルのモニタリングに続いて、弾性散乱チャンネルから生成されたアナログ信号の積分及び／又はピーク検出、トリガー中に蛍光検出チャンネルから生成された信号を積分すること、トリガー中にパルスの持続を測定すること、及び２つの光ビームが既知の距離で故意に互いに分離されているならば２つの弾性散乱チャンネルの間の飛行時間の測定によってトリガーすることができる。
【００３２】
より具体的には、図５ａは図１ａに示されているような２つの波長励起スキーム用のアナログ信号処理の構成を示す概略のダイアグラムである。図５ａは本願の発明により意図された単一パルストリガーでの信号の積分を示している。弾性散乱チャンネル１  ５００が用いられて、エアロゾルの存在の事象（イベント）をトリガーする。トリガー５２０は弾性散乱チャンネル１  ５００の電圧レベルをモニターし、２つの各々の弾性散乱検出チャンネル５００及び５０５並びに蛍光チャンネル１  ５１０のための信号積分５３０をトリガーする。インテグレーター５３０は、トリガーパルスの持続時間にわたって各検出チャンネルの信号を積分し、各々に対して発生した電圧をアナログ−デジタル変換器３０５に入力するまで保持する。アナログ−デジタル変換器３０５は、次に、シグナルプロセッサ３２０による解析のために電圧をデジタル信号に変換する。（図１ａ−１ｈ参照）。
【００３３】
図５ｂは図１ａに示したような２つの励起波長スキーム用の別のアナログ信号処理の構成を図示する概略のダイアグラムである。図５ａは、単一パルスのトリガーの信号積分のアプローチで、ある時間を経過したエアロゾルのイベントを拒否するためのパルス持続時間計測用の付加的な手段を有するアプローチを図示している。これによって、粒子が光学照明領域２０１を最初に出た後の、より低い速度での粒子の再循環によりセンサーセル２００内で発生したエアロゾルイベントの除去をすることができる。（図１ａ−１ｈ）。このアプローチでは、図５ｂに示すように、チャンネル５００、５０５及び５１０の信号の積分に加えて、弾性散乱チャンネル１  ５００に対してトリガーがオンである時間間隔、即ち、デルタ５５０は、パルス幅に比例する出力電圧を発生することによって測定される。この電圧もシグナルプロセッサ３２０による解析のためにアナログ−デジタル変換器３０５によって変換される。（図１ａ−１ｈ）。
【００３４】
図５ｃは、図１ａに示されるような２つの波長励起スキームのための、本発明で意図された別のアナログ信号処理の構成を示す概略のダイアグラムである。図５ｃは２つのトリガー５２０、５２２のパルス積分アプローチを図示しており、このアプローチはレーザーのドリフト補正用の付加的な手段を提供する。このアプローチにおいて、弾性散乱チャンネル１  ５００及び弾性散乱チャンネル２  ５０５の両方を用いて、検出チャンネルの積分をトリガーする。一方の励起ビームの他方からのドリフトは、このアプローチを用いて補償することができる。
【００３５】
図５ｄは、図１ａに示されるような２つの波長励起スキーム用の、本発明により意図されるような別のアナログ信号処理を図示する概略のダイアグラムである。このアプローチは、図５ｃに示すアプローチに上記のような弾性散乱チャンネル１用のパルス持続時間の計測を加えたアプローチに類似している。
【００３６】
図５ｅは図１ａに示されるような２つの波長励起スキーム用の、本発明により意図されるような別のアナログ信号処理を図示する概略のダイアグラムである。このアプローチのために、２つの励起ビームがエアロゾル入口ノズル（不図示）に直交して既知の距離だけ分離され、弾性散乱チャンネル１  ５００及び弾性散乱チャンネル２  ５０５についての２つのトリガー５２０、５２２の使用を通じて、粒子が２本のビームを横切る時間又は「飛行時間」を測定することができる。このアプローチも、３つ全ての検出チャンネルの積分、レーザーのドリフト補正及び長パルス拒否を可能にする。
【００３７】
例示の目的で、図１ｂ−１ｈは図１ａに記載されたものの変形例を提供する。図１ｂは、３つの弾性散乱検出チャンネルと２つの蛍光検出チャンネルをもつ３つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１００、１０５、１０７は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。本願の目的で、用語「連続波源」又は「連続源」は、及び２０ＭＨｚ以上で変調された連続波の光を放出するデバイスの両方を指すものとして理解される。これらのデバイスは、レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は他の発光デバイスであるとして理解される。励起源１００は６００−１５００ｎｍの波長域で励起源１０５、１０７よりも長波長である。励起源１０５は励起源１００よりも短波長であって、３５０−４３０ｎｍの範囲で放出する。励起源１０７は励起源１００、１０５よりも短波長であって、２６６−３００ｎｍの範囲で放出する。挟帯域フィルター１２０、１２５、１８０は、ソース１００、１０５、１０７から放出された不要な波長又は光学素子から生じた自己蛍光から放出された不要な波長を除去するために用いられる。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。３本の平行にされたビームが同一のパスに沿うように位置決めすることができる。又は３本の内の１本をエアロゾル入口ノズルに直交する平面に沿って他の２本から分離することができ、その結果、粒子の飛行時間及び密度の測定を行うことができる。２つの受光素子２２０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。受光素子は、光電子増倍管のアレイ、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような２以上の検出素子を有する検出器アレイである。２チャンネルの蛍光検出チャンネルについて、フィルター素子１７０が用いられ、フィルター素子１７０は２つの半部領域を有し、一方の領域は励起源１０５についての４３０−５８０ｎｍの所望の蛍光放出領域以外の全ての波長をフィルタリングし、他方の領域は励起源１０７についての２９０−３９０ｎｍの所望の蛍光放出領域以外の全ての波長をフィルタリングする。３チャンネルの弾性散乱検出について、フィルター素子１７５が用いられており、挟帯域フィルター１２０、１２５、１８０で用いられたのと同一の型の３つの挟帯域フィルター部を備えている。
【００３８】
図１ｃは３つの弾性散乱検出チャンネルと１つの蛍光検出チャンネルをもつ３つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１００、１０５、１０７は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。励起源１００は６００−１５００ｎｍの波長域で励起源１０５、１０７よりも長波長である。励起源１０５は励起源１００よりも短波長であって、３５０−４３０ｎｍの範囲で放出する。励起源１０７は励起源１００、１０５よりも短波長であって、２６６−３００ｎｍの範囲で放出する。挟帯域フィルター１２０、１２５、１８０は、ソース１００、１０５、１０７から放出された不要な波長又は光学素子から生じた自己蛍光から放出された不要な波長を除去するために用いられる。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。３本の平行にされたビームが同一のパスに沿うように位置決めすることができる。または、３本の内の１本をエアロゾル入口ノズルに直交する平面に沿って他の２本から分離することができ、その結果、粒子の飛行時間及び密度の測定を行うことができる。２つの受光素子２２０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。受光素子は、光電子増倍管のアレイ、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような２以上の検出素子を有する検出器アレイである。１チャンネルの蛍光検出チャンネルについて、粒子からの蛍光放出は、４３０−５８０ｎｍ又は２９０−３９０ｎｍの所望の蛍光放出範囲以外の全ての波長をフィルタリングするフィルター素子１６０を用いてフィルタリングされる。フィルタリングされた光は次に、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード又は光電子増倍管若しくはアバランシェフォトダイオードと同程度の感度を有するシリコンフォトダイオードのような単一の受光素子（光検出器）２０５へと導入される。３チャンネルの弾性散乱検出について、フィルター素子１７５が用いられており、挟帯域フィルター１２０、１２５、１８０で用いられたのと同一の型の３つの挟帯域フィルター部を備えている。
【００３９】
図１ｄは２つの弾性散乱検出チャンネルをもち、蛍光検出チャンネルをもたない２つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１００、１０５は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。励起源１００は６００−１５００ｎｍの波長域で励起源１０５よりも長波長である。励起源１０５は励起源１００よりも短波長であって、２６６−３００ｎｍ又は３５０−４３０ｎｍの範囲で放出する。挟帯域フィルター１２０、１２５は、ソース１００、１０５から放出された不要な波長又は光学素子から生じた自己蛍光から放出された不要な波長を除去するために用いられる。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。２本の平行にされたビームを同一のパスに沿うように位置決めすることができる。または、２本の平行にされたビームをエアロゾル入口ノズルに直交する平面に沿って分離することができ、その結果、粒子の飛行時間及び密度の測定を行うことができる。２つの受光素子２２０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。弾性散乱検出について、それぞれフィルター１２０、１２５と同一の型の挟帯域フィルター素子１８５、１９０が用いられる。フィルタリングされた光は次に、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード又はシリコンフォトダイオードのような単一の受光素子（光検出器）２０５へと導入される。
【００４０】
図１ｅは３つの弾性散乱検出チャンネルをもち、蛍光検出チャンネルをもたない３つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１００、１０５、１０７は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。励起源１００は６００−１５００ｎｍの波長域で励起源１０５、１０７よりも長波長である。励起源１０５は励起源１００よりも短波長であって、３５０−４３０ｎｍの範囲で放出する。励起源１０７は励起源１００、１０５よりも短波長であって、２６６−３００ｎｍの範囲で放出する。挟帯域フィルター１２０、１２５、１８０は、ソース１００、１０５、１０７から放出された不要な波長又は光学素子から生じた自己蛍光から放出された不要な波長を除去するために用いられる。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。３本の平行にされたビームを同一のパスに沿うように位置決めすることができる。または、３本の内の１本をエアロゾル入口ノズルに直交する平面に沿って他の２本から分離することができ、その結果、粒子の飛行時間及び密度の測定を行うことができる。弾性散乱の検出について、受光素子２１０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。受光素子は、光電子増倍管のアレイ、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような３以上の検出素子を有する検出器アレイである。反射素子１９５はセンサーセル２００の一側に用いられ、粒子から散乱された光を光検出器２１０へと反射する。反射素子１９５の一例は非球面コンデンサレンズとミラーとの組合せであり、反射素子１９５は側方に散乱された光を収集し、その光をミラーの表面上へ平行にし、次に光を光学可視領域に戻して再び合焦させ、続いてレンズ１５２によって収集する。
【００４１】
図１ｆは３つから４つの弾性散乱検出チャンネルと１つの蛍光検出チャンネルをもつ２つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１０３は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。励起源１１２はパルス化レーザーダイオードである。非線形結晶１１３、１１４を用いて第２高調波及び第３高調波を発生させる。このアプローチでは、励起源１１２がパルスを発するのはシステムが粒子の存在を検知したときである。励起源１０３は励起源１１２と同じ波長又は励起源１１２よりも長波長を有し、且つ、不要な波長をフィルタリングする挟帯域フィルター１２２を有することが必要とされる。一つの例は、励起源１０３として１５００ｎｍのレーザーダイオードを用い、励起源１１２として１０６４ｎｍのレーザーダイオードを用いることである。１０６４ｎｍのソースの２倍及び３倍高調波の発生は、それぞれ、５３２ｎｍ及び２６６ｎｍの調和振動を生み出すであろう。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。弾性散乱の検出について、受光素子２１０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。受光素子は、光電子増倍管のアレイ、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような３以上の検出素子を有する検出器アレイである。１チャンネルの蛍光検出チャンネルについて、粒子からの蛍光放出は、４３０−５８０ｎｍ又は２９０−３９０ｎｍの所望の蛍光放出範囲以外の全ての波長をフィルタリングするフィルター素子１６０を用いてフィルタリングされる。フィルタリングされた光は次に、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード又は光電子増倍管若しくはアバランシェフォトダイオードと同程度の感度を有するシリコンフォトダイオードのような単一の受光素子（光検出器）２０５へと導入される。３から４チャンネルの弾性散乱検出について、フィルター素子１７７が用いられており、励起源１１２及び結晶１１３、１１４によって与えられる３つの励起波長と励起源１０３から放出される波長とに特定された３つから４つの挟帯域フィルター部を備える。
【００４２】
図１ｇは３つから４つの弾性散乱検出チャンネルと２つの蛍光検出チャンネルをもつ２つの励起源を図示する概略のダイアグラムである。励起源１０３は連続源又は２０ＭＨｚ以上の周波数で変調されたソースのいずれかにすることができ、レーザー、発光ダイオード又はその他の発光デバイスにすることができる。励起源１１２はパルス化レーザーダイオードである。非線形結晶１１３、１１４を用いて第２高調波及び第３高調波を発生させる。このアプローチでは、励起源１１２がパルスを発するのはシステムが粒子の存在を検知したときである。励起源１０３は励起源１１２と同じ波長又は励起源１１２よりも長波長を有し、且つ、不要な波長をフィルタリングする挟帯域フィルター１２２を有することが必要とされる。一つの例は、励起源１０３として１５００ｎｍのレーザーダイオードを用い、励起源１１２として１０６４ｎｍのレーザーダイオードを用いることである。１０６４ｎｍのソースの２倍及び３倍高調波の発生は、それぞれ、５３２ｎｍ及び２６６ｎｍの調和振動を生み出すであろう。図１ａに図示されるような同一のビーム形成の光学系のアプローチが適用される。２つの受光素子２２０は粒子によって発生した光を受けるために用いられる。受光素子は、光電子増倍管のアレイ、シリコンフォトダイオードのアレイ又はアバランシェフォトダイオードのアレイのような２以上の検出器素子を有する検出器アレイである。２チャンネルの蛍光検出チャンネルについて、フィルター素子１７４が用いられ、フィルター素子１７４は２つの半部領域を備え、一方の領域は４３０−５８０ｎｍの所望の蛍光放出領域以外の全ての波長をフィルタリングし、他方の領域は２９０−３９０ｎｍの所望の蛍光放出領域以外の全ての波長をフィルタリングする。３から４チャンネルの弾性散乱検出について、フィルター素子１７７が用いられており、励起源１１２及び結晶１１３、１１４によって与えられる３つの励起波長と励起源１０３から放出される波長とに特定された３つから４つの挟帯域フィルター部を備える。
【００４３】
本発明の粒子検出及び粒子分類が非常に有効なのは、瞬時の粒子検出及び粒子分類を必要としている様々な環境に組み込まれるときであることが意図されている。そのような環境は、室内及び室外の環境を含む。従って、本発明は開放的な環境に組み込まれてもよく、建物、乗物、又は他の閉じた構造体のような閉じた環境に組み込まれてもよい。「乗物」は、全ての軍事及び非軍事の応用を含めた車、トラック、戦車、ボート、飛行機、宇宙ステーションを含む、有人の閉じた空間又は物体と無人の閉じた空間又は物体との両方を含むと理解される。
【００４４】
〈実施例〉
以下の実施例は、本発明の好ましいセンサーの構成をまとめたものである。各実施例について、飛行時間及び粒子密度の両方は、適当な検出チャンネル／同一の検出チャンネルで実質的に同時に測定することができる。
【実施例１】
【００４５】
〈システム変形例１〉
２つの連続波励起源（レーザーダイオード又はＬＥＤ）
ソース１（６００−１５００ｎｍ）
ソース２（２６６−３００ｎｍ又は３５０−４３０ｎｍ）
検出チャンネル：
２つの弾性散乱（６００−１５００と２６６−３００若しくは３５０−４３０に入る挟帯域）
１つの蛍光
励起  ２６６−３００    放出  ３１０−５８０
励起  ３５０−４３０    放出  ４３０−５８０
【実施例２】
【００４６】
〈システム変形例２〉
２つの連続波励起源（レーザーダイオード又はＬＥＤ）
ソース１（６００−１５００ｎｍ）
ソース２（４００−４３０ｎｍ）
ソース３（２６６−３００ｎｍ）
検出チャンネル：
３つの弾性散乱（上記３つに入る挟帯域）
２つの蛍光
励起  ２６６−３００    放出  ３１０−３９０
励起  ４００−４３０    放出  ４３０−５８０
【実施例３】
【００４７】
〈システム変形例３〉
３つの連続波励起源（レーザーダイオード又はＬＥＤ）
ソース１（６００−１５００ｎｍ）
ソース２（４００−４３０ｎｍ）
ソース３（２６６−３００ｎｍ）
検出チャンネル：
３つの弾性散乱（上記３つに入る挟帯域）
１つの蛍光
励起  ２６６−３００    放出  ３１０−３９０
励起  ４００−４３０    放出  ４３０−５８０
【実施例４】
【００４８】
〈システム変形例４〉
２つの連続波励起源（レーザーダイオード又はＬＥＤ）
ソース１（６００−１５００ｎｍ）
ソース２（２６６−３００ｎｍ又は３５０−４３０ｎｍ）
検出チャンネル：
２つの弾性散乱のみ（６００−１５００と２６６−３００若しくは３５０−４３０に入る挟帯域）
【実施例５】
【００４９】
〈システム変形例５〉
３つの連続波励起源（レーザーダイオード又はＬＥＤ）
ソース１（６００−１５００ｎｍ）
ソース２（４００−４３０ｎｍ）
ソース３（２６６−３００ｎｍ）
検出チャンネル：
３つの弾性散乱のみ（上記３つに入る挟帯域）
【実施例６】
【００５０】
〈システム変形例６〉
トリガーとしての単一の連続波レーザーダイオード（１５００ｎｍ）又はＬＥＤと第２及び第３高調波発生用の非線形結晶を有するパルス化レーザーダイオード
検出チャンネル：
３つの弾性散乱（パルス化ソースからの挟帯域）
１０６４、５３２、２６６
１つの蛍光
励起  ２６６    放出  ２９０−５８０
【実施例７】
【００５１】
〈システム変形例７〉
トリガーとしての単一の連続波レーザーダイオード（１５００ｎｍ）又はＬＥＤと第２及び第３高調波発生用の非線形結晶を有するパルス化レーザーダイオード
検出チャンネル：
３つの弾性散乱（パルス化ソースからの挟帯域）
１０６４、５３２、２６６
２つの蛍光
励起  ２６６    放出  ２９０−３８０
励起  ４００−４３０    放出  ４３０−５８０
【００５２】
本発明の好ましい具体例の前述の開示は、例示及び記述の目的のためにある。全てを考慮したもの又は発明を開示された通りの形に限定することを意図するものではない。本願に記載された具体例の多くの変形及び変更は、上記の開示の観点から当業者にとって明白になるであろう。発明の範囲は本願に添付された請求の範囲及びそれらと等価なものによってのみ規定されるべきである。
【００５３】
さらに、本発明の代表的な実施形態の記述において、明細書は工程の特定のシーケンスとして本発明の方法及び／又はプロセスを提示してきたであろう。しかしながら、方法又はプロセスが本願に記載された工程の特定の順番によらない限り、方法又はプロセスは記載された工程の特定のシーケンスに限定されるべきではない。当業者が認めるように、工程の別のシーケンスが可能であり得る。従って、明細書に記載された工程の特定の順番はクレームに関する限定として解釈されるべきではない。加えて、本発明の方法及び／又はプロセスに関するクレームは、示された順序におけるそれらの工程の実施に限定されるべきではなく、当業者は、本願の発明の精神及び範囲内においてシーケンスを変更し得、それでもなおその中にあり得ることを容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１−１】図１ａ−１ｆは本発明により意図された様々な実施形態で概要を述べられているエアロゾルを検知する構成のブロックダイアグラムを図示している。図１ａは２つの弾性散乱の検出チャンネル及び１つの蛍光検出チャンネルを持つ２波長励起を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−２】図１ｂは３つの弾性散乱の検出チャンネル及び２つの蛍光検出チャンネルを持つ３波長励起を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−３】図１ｃは３つの弾性散乱の検出チャンネル及び１つの蛍光検出チャンネルを持つ３波長励起を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−４】図１ｄは２つの弾性散乱の検出チャンネルを持つ２波長励起を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−５】図１ｅは３つの弾性散乱の検出チャンネルを持つ３波長励起を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−６】図１ｆは１つの蛍光検出チャンネル及び３〜４の弾性散乱検出チャンネルを持つ、単一の連続波励起及び２倍又は３倍高調波に生成されたパルス化励起波長を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−７】図１ｇは２つの蛍光検出チャンネル及び３〜４の弾性散乱検出チャンネルを持つ、単一の連続波励起及び２倍又は３倍高調波に生成されたパルス化励起波長を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図１−８】図１ｈは３つの蛍光検出チャンネル及び３〜４の弾性散乱検出チャンネルを持つ、単一の連続波励起及び２倍又は３倍高調波に生成されたパルス化励起波長を有する本発明の構成を図示する概略図である。
【図２】図２ａ−ｆは無作為抽出された室内のエアロゾル粒子のチャートのプリントアウトである。
【図３】図３ａ−ｆはバックグランドの胞子の０．７ｕ  ＰＳＬ及び１．０ｕ  蛍光性ＰＳＬのエアロゾルの波形のチャートのプリントアウトである。
【図４】図４はバックグランドの胞子対有機炭素粒子に対する理論的な応答を示すグラフを図示している。
【図５−１】図５ａ−ｅは２励起波長のエアロゾルの検知用のアナログ信号処理の構成を図示している。図５ａは本発明のシングルパルストリガーのインテグレーターモードの概略図である。
【図５−２】図５ｂは長パルス拒否用のパルス持続時間を持つ本発明のシングルパルストリガーのインテグレーターモードの概略図である。
【図５−３】図５ｃはレーザーのドリフト補正のための本発明のデュアルトリガーパルスのインテグレーションモードの概略図である。
【図５−４】図５ｄはレーザーのドリフト補正及び超長パルス拒否用のパルス持続時間を持つ本発明のデュアルトリガーパルスのインテグレーションモードの概略図である。
【図５−５】図５ｅは２つの励起波長間のエアロゾルの移動の持続時間及び超長パルス拒否用の持続時間によって測定される飛行時間測定を持つ本発明のデュアルトリガーパルスのインテグレーションモードの概略図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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