(57)【要約】  サンプル（１２）中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析する装置（３８）。装置（３８）は、サンプル中の物質を検出するために、テラヘルツ周波数帯の、サンプル（１２）からのエミッションを受動的に受け取る分光計（４２）を含む。テレスコープ（４６）又は他のデバイスは、分光計（４２）の視野を制限するのに使用される。低温表面（１６）は、サンプル（１２）に対して分光計（４２）とは反対側で、分光計（４２）の視野を埋めるように配置される。低温表面（１６）は、サンプル（１２）に対して低温バックグラウンドをもたらして、バックグラウンドエミッションを低減し、サンプル（１２）からのエミッションの検出を向上させる。
2007506097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
前記サンプルからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、前記検出デバイスは、視野を有し、前記サンプル中の物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項２】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
サンプル区画をさらに備え、前記サンプルは、該区画内に閉じ込められる請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記サンプルは、空気で運ばれるクラウド内にある請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
透過性基板をさらに備え、前記サンプルは、該透過性基板上に載せられる請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記透過性基板は、プラスチックウィンドウ又は反射防止コーティングされたシリコンウィンドウである請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
フィルタをさらに備え、前記サンプルは該フィルタ内にある請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記フィルタは、施設の吸気口内に配置される請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
容器をさらに備え、前記サンプルは該容器に収容される請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記容器は、封筒、厚紙封入容器(cardboard enclosure)、プラスチック容器、及びガラス容器から成る群から選択される請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
アンテナをさらに備え、該アンテナは、前記エミッションを収集し、該エミッションを前記検出デバイスに送る請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記アンテナは、フィードホーン及びカセグレン式望遠鏡から成る群から選択される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コリメータはカセグレン式望遠鏡である請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検出デバイスは、パワースプリッタ及び複数の検出チャネルを含み、該パワースプリッタは、複数の周波数帯を同時に検出することができるように、前記エミッションを受け取り、該エミッションを前記複数のチャネル内に指向させる請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出デバイスは、前記テラヘルツ周波数帯の信号を受け取り、増幅するテラヘルツ受信機を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
空気中のサンプルクラウド中の物質を、隔離して検出及び分析するシステムであって、
前記サンプルクラウドからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションは、テラヘルツ周波数帯にあり、該検出デバイスは、視野を持ち、前記サンプルクラウド中の前記物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルクラウドの温度に対して低温バックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項２１】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項２０に記載のシステム。
【請求項２６】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
前記サンプルを保持し、透過ウィンドウを含む区画と、
前記透過ウィンドウを透過した前記サンプルからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、該検出デバイスは、前記サンプル中の前記物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記検出デバイスから対向する側の前記区画に配置され、前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項２７】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの視野を前記低温表面上に収束させる請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
透過ウィンドウであって、前記サンプルは、該透過ウィンドウの表面に配設される、透過ウィンドウと、
前記サンプルからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、該検出デバイスは、視野を有し、前記サンプル中の前記物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項３３】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項３２に記載のシステム。
【請求項３７】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項３２に記載のシステム。
【請求項３８】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
容器であって、前記サンプルが収容される容器と、
前記サンプルからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、該検出デバイスは、視野を有し、前記サンプル中の前記物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルの温度に対して低温バックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項３９】
前記容器は、封筒、厚紙封入容器、プラスチック容器、及びガラス容器から成る群から選択される請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項３８に記載のシステム。
【請求項４３】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項３８に記載のシステム。
【請求項４４】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項３８に記載のシステム。
【請求項４５】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
前記サンプルからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、該検出デバイスは、視野を有し、前記サンプル中の前記物質のエミッションスペクトルを生成し、且つ前記パワースプリッタ及び複数の検出チャネルを備え、複数の周波数帯を同時に検出することができるように、前記エミッションを受け取り、該エミッションを前記複数のチャネル内に指向させる、検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項４６】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記検出デバイスは各チャネル内に放射計を含む請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
各放射計は、前記エミッションをダウンコンバートするミクサと、該ダウンコンバートされたエミッションを増幅する中間周波数増幅器と、該増幅され、ダウンコンバートされたエミッションを検出するダイオード検出器とを含む請求項４５に記載のシステム。
【請求項４９】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項４５に記載のシステム。
【請求項５０】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項４５に記載のシステム。
【請求項５１】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項４５に記載のシステム。
【請求項５２】
建物の吸気口を通して流れる空気中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
フィルタであって、前記空気中の粒子が捕捉されるように前記空気が流れる前記吸気口に配置されるフィルタと、
前記フィルタの一方の側に配置され、前記フィルタからの受動的エミッションに応答する検出デバイスであって、前記フィルタ中の物質のエミッションスペクトルを生成する、検出デバイスと、
前記フィルタに対して前記検出デバイスとは反対側に配置され、前記フィルタの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項５３】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記検出デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計である請求項５２に記載のシステム。
【請求項５５】
コリメータをさらに備え、該コリメータは、前記検出デバイスの前記視野を前記低温表面上に収束させる請求項５２に記載のシステム。
【請求項５６】
前記エミッションはテラヘルツ周波数帯にある請求項５２に記載のシステム。
【請求項５７】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される請求項５２に記載のシステム。
【請求項５８】
サンプル中の化学的物質及び／又は生物学的物質を検出及び分析する方法であって、
分光計の視野内で、前記サンプルからの、テラヘルツ周波数帯にあるエミッションを受け取り、
前記分光計の前記視野内の前記サンプル中の前記物質のエミッションスペクトルを生成し、
前記サンプルの温度に対して、前記分光計の前記視野内の前記サンプルのバックグラウンドを冷却する、
ことを含む方法。
【請求項５９】
前記サンプルは、サンプル区画に閉じ込められる、容器内に隠匿される、空気で運ばれる、フィルタ内に捕捉される、又は、透過性基板上に載せられる請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記検出デバイスは、フーリエ変換分光計又は放射計から成る群から選択される請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体で作られる請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
前記分光計の前記視野を前記低温表面上に収束させることをさらに含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６３】
複数の周波数帯を検出するために、前記エミッションを複数の検出チャネルに分割することをさらに含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６４】
前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、エーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉及び爆発物から成る群から選択される請求項５８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
２．関連技術の考察
公衆衛生のために、薬剤、感冒、花粉、ウィルス、細菌、及び毒素(トキシン)などの生物学的物質の迅速な検出及び分析の必要性が当技術分野に存在する。さらに、封筒、布、プラスチックボトル、又はガラス容器などの容器内に隠匿される化学的物質及び生物学的物質の無侵入（侵襲）検出の必要性が当技術分野に存在する。
【０００２】
サンプル中の分子の分光分析によって空気中の化学的又は生物学的雲状物（クラウド：cloud)などのサンプル中の特定の成分を検出することは、当技術分野で知られている。この種の検出には、地下のパイプからの天然ガス漏れ、化学物質流出物由来の化学的クラウド、化学プロセス由来の揮発性有機物質の蒸気、煙突からの汚染、軍事用化学兵器、細菌などの生物学的物質、爆発物、違法薬物、及び対象となる他の化学的又は生物学的物質を検出することを含む、多くの用途がある。これらの用途の中には、ｐｐｂ(10億分の１)以下のレベルの検出感度が必要なものもある。
【０００３】
サンプルのこの種の分光分析は、サンプル中の成分が毒性である場合があり、そのため健康への危険があるため、数ｋｍまで離れるなど、遠隔で実施されるか、又は、サンプルを直接検出することが可能でない場合がある。遠隔の受動検知のためにサンプルから検出機器を離しておかなければならない距離は、特定の用途によって決まり、用途毎にシステムは異なる。
【０００４】
この種の検出及び分析を実施するために、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計などの分光計が、対象物質を含むサンプルの方に向けられ、分光計はサンプルからのエミッションを受動的に受け取る。一般に、分光計は、赤外波長（５〜２５μｍ）のエミッションを検出する。サンプルが、分光計の視野に沿って空、山又は他の地形などのバックグラウンドよりも温かいと、サンプル中のターゲット分子は、バックグラウンドのエミッションよりも高いエネルギーをもつエミッションを示すことになる。サンプルがバックグラウンドよりも冷たい場合、サンプル中のターゲット分子は、バックグラウンドのエミッションよりも低いエネルギーの吸収を示すことになる。サンプルがバックグラウンドと同じ温度である場合、サンプル中のターゲット分子は光子を放出するのと同じ速度で光子を吸収するので、サンプルから識別可能な正味のエミッションはない。サンプルとバックグラウンドの間の熱のコントラストが強くなるほど、分光計によって受け取ることが可能な正味のエミッションが強くなる。
【０００５】
エミッションから分光計によって生成したスペクトル表示は、サンプル中の分子を示す特定の波長においてエミッション帯を生じる。物質毎にその分子に典型的なスペクトルの「指紋（フィンガープリント）」を持つので、検出されたスペクトルの表示は、対象となる特定の化学的物質又は生物学的物質の既知のスペクトル指紋と比較することができそれによって、その物質がサンプル中に存在しているかを判定し、存在する場合にはどれぐらいのレベルであるかを決定する。
【０００６】
或る化学的物質及び生物学的物質が、テラヘルツ周波数帯のエミッションから、より独特なスペクトル特徴部を示すことが当技術分野で提示されている。そのため、物質は、この周波数帯におけるエミッションから識別することがより容易である。しかしながら、これらの低い周波数の信号を検出する現在知られている分光法のほとんどは、吸収技法又は透過技法に基づく。これらの技法は、通常、微量の化学的物質及び生物学的物質を検出し且つ分析するのに十分な感度に欠ける。
【０００７】
既知の吸収技法では、サンプル中の特定の成分を検出する感度は、その成分の周波数指紋での入射放射と透過放射との差を分解する装置能力によって制限されている。言い換えれば、検出感度は、大きな入射放射信号から小さな吸収信号を分解する装置能力によって決まる。
【０００８】
隠匿された化学的物質及び生物学的物質の無侵襲検出のためのこれらの用途では、金属物体を識別するための、当技術分野で現在利用可能なＸ線検査法を使用することができない。当技術分野では、吸収法又は透過法によるテラヘルツ周波数帯における分光分析を使用して、外部放射源を使用することによって、隠匿された生物学的及び化学的物質を検出することができることが提案されている。しかしながら、このための吸収法又は透過法は、必要な感度に欠ける可能性がある。さらに、能動放射源は、利用可能でないか、又は、比較的高価である場合がある。さらに、戸外でのこうした放射の使用は、人間にとって有害である可能性がある。
【０００９】
本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に援用される「Remote Trace Gas Detection and Analysis」なる表題の米国特許第６，５３１，７０１号は、化学的クラウドなどのサンプルを照射するための、放射ビームを使用して、バックグラウンドに対してその温度を上昇させる装置を開示する。放射ビームの波長は、そのクラウド中の特定のターゲット分子と共鳴するように、又は空気中に通常存在する水蒸気又は酸素原子と共鳴するように選択する。この共鳴によって、ターゲット分子、水蒸気又は酸素分子が回転又は振動し、それによって、そのエネルギーが増加する。衝突エネルギーの移動で分子間緩和が生じるため、放射エネルギーが熱化される。これらの因子が周囲のバックグラウンドに対してクラウドの温度を上昇させて、クラウド中の分子のエミッション強度を高めて、検出が改善される。赤外波長のエミッションは、分光計によって収集され、分析される。
【００１０】
本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に援用される「Detection and Analysis of Chemical and Biological Materials」なる表題の２００３年６月６日に出願された米国特許出願第１０／４５６，０９８号は、物質を含むサンプルからの赤外エミッションの分光分析によって化学的物質及び生物学的物質を検出し且つ分析する装置及び方法を開示する。‘０９８号出願は、分光計の視野内で、サンプルに対して分光計とは反対に配置される低温表面又はデバイスを使用して、低温バックグラウンド、したがって、バックグラウンドとサンプルの間の温度差を提供する。
【００１１】
現在、空気中のその位置（インサイチュー：in-situ）で粒状エーロゾル、バイオエーロゾル(bio-aerosol)又は液体エーロゾルの分光分析用に適した技法は存在しない。エーロゾルにより散乱される光による干渉が圧倒的であるため、赤外吸収法は一般的に有効でない。‘０９８号出願で開示される分光分析技法を、テラヘルツ周波数を検出する装置に対して拡張することが望ましい場合がある。
発明の概要
本発明の教示によれば、サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出し且つ分析する装置が開示される。装置は、サンプル中の物質を検出するために、サンプルから、約０．１〜１０ＴＨｚの範囲のＴＨｚ周波数帯のエミッションを受動的に受け取るための、フーリエ変換分光計（ＦＴＳ）などの分光計を含む。液体ヘリウムデューワ（dewar）又は低温クーラによって提供される低温表面は、サンプルに対して分光計とは反対側で、分光計の視野内に配置される。低温表面の物質は、好ましくは、対象となるテラヘルツ周波数帯において高い放射率を有する。低温表面は、サンプルの温度に対して低温バックグラウンドを提供して、両者の間の熱コントラストを増加させ、それによって、サンプルからのエミッションの検出が向上する。さらに、分光計によって受け取られるバックグラウンドエミッションは、低温表面が存在するために非常に小さい。したがって、サンプル中の成分からのエミッションを、バックグラウンドエミッションが低いか、又は、ほぼ無い状態で、分光計によって精密に分解することができる。
【００１２】
サンプルは、透過ウィンドウ上に分配される、クラウド、液体、又は粉末で空気によって運ばれるサンプル、若しくは容器内に隠匿されたサンプルの形態である可能性がある。さらに、分光計は、受け取ったエミッションをいくつかの周波数帯にわたる中間周波数（ＩＦ）にダウンコンバートする多周波放射計と置き換えることができ、それぞれの周波数帯は、別個のダイオード検出器によって検出される。
【００１３】
本発明のさらなる利点及び特徴は、添付図面を参照して、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
発明の詳細な説明
低温バックグラウンドに対するＴＨｚ周波数帯の受動的エミッション（放出）による、サンプル中の物質を検出する装置を対象とする本発明の実施形態の以下の説明は、本来、例示に過ぎず、本発明又はその用途又は使用をいずれの点でも制限することを意図していない。
【００１４】
以下で詳細に説明するように、本発明の検出及び分析装置は、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯の受動的エミッションを検出する。この周波数帯は、マイクロ波、ＭＭＷ、及びサブＭＭＷ周波数帯を含み、１．０×１０１０〜１．０×１０１３サイクル／秒の範囲を含む。本発明は、低温バックグラウンドを使用して、検出されるサンプルに対して熱コントラストをもたらす‘０９８出願の拡張である。しかしながら、ＴＨｚ周波数帯のエミッションの場合、通常、エミッションを適切な速度で分析することができるように、熱コントラストは、非常に高い必要がある。
【００１５】
図１は、横軸を波数、縦軸を放射輝度（ラジアンス）とし、２９６Ｋ（グラフ線１５０）、７８Ｋ（液体窒素の沸点）（グラフ線１５２）、４Ｋ（液体ヘリウムの沸点）（グラフ線１５４）、及び１０Ｋ（低温クーラ）（グラフ線１５６）の周囲温度における、プランク関数に基づく理論的な黒体曲線を示すグラフである。これら曲線が示すところでは、対象となる周波数帯についてバックグラウンドエミッションを十分に低いレベルまで下げるのに、１０Ｋ以下などの低温が好ましい。
【００１６】
図２は、本発明の実施形態による、空気中のクラウド１２の中の対象となる化学的物質及び／又は生物学的物質を検出するための、スタンドオフ（隔離）式検出及び分析装置３８の平面図である。クラウド１２中の化学的物質又は生物学的物質は、蒸気、液滴、及びエーロゾルの形態であってもよい。デッシュ（凹面）アンテナ４０は、クラウド１２からエミッション１８を収集する。アンテナ４０は、ＴＨｚ周波数帯で動作するフーリエ変換分光計（ＦＴＳ）４２の入射アパーチャ上にエミッション１８を収束させる。当技術分野で知られているように、ＦＴＳは、通常、マイラ（Mylar）素子などの特別なビームスプリッタ及び対象のスペクトル範囲を検出するための、シリコンボロメータなどの低温検出器を使用する。こうしたＦＴＳの１つの例は、当業者に知られているBruker Optics ＩＦＳ６６Ｖ／Ｓ真空ＦＴＩＲ分光計である。ＦＴＳ４２からの分光分析の結果は、コンピュータ４４上で分析され、表示される。エミッションスペクトルは、対象となるスペクトル範囲内での特徴的な分子振動帯及び回転帯に基づいてクラウド１２中の化学的物質及び／又は生物学的物質の識別を可能にする。
【００１７】
本発明によれば、液体ヘリウムデューワ又は極低温クーラ（図示せず）によって冷却された低温表面１６は、図示するようにクラウド１２に対してＦＴＳ４２とは反対側に配置される。表面１６の材料は、対象となるＴＨｚ周波数帯において高い放射率を有することが好ましいテラヘルツ吸収体材料にすることができる。こうした材料の例は、Cuming Microwave Corporationから入手できる鉄充填エポキシ(iron-loaded epoxy)である。低温表面１６は、クラウド１２の温度に対して低温バックグラウンドをもたらして、両者間の熱コントラストを増加させ、それによって、クラウド１２からのエミッション１８の検出が向上する。さらに、ＦＴＳ４２によって受け取られるバックグラウンドエミッションは、低温表面１６があるために、非常に低い。クラウド１２のサイズに対して小さい低温表面を使用することができるように、アンテナ４０の視野を小さなエリアに収束させるために、低温表面１６とクラウド１２の間にカセグレン型コリメータ４６が配置される。黒体較正器３６は、コリメータ４６と低温表面１６の間に選択的に配置されて、スペクトル信号と比較するための室温較正を行う。
【００１８】
図３は、本発明の別の実施形態による、基板５４上に載せられた液体又は粉末サンプル５２中の化学的物質及び／又は生物学的物質を検出するための検出及び分析装置５０の平面図である。この実施形態では、装置３８と類似する装置５０の要素は、同じ参照数字で特定される。装置５０はまた、ＴＨｚ周波数帯のエミッション５６を検出する。
【００１９】
一実施形態では、基板５４は、透過ウィンドウである。ウィンドウは、テラヘルツ周波数帯で高い透過率と低い反射率を有するプラスチック又は反射防止（ＡＲ）シリコンウィンドウで作ることができる。固体サンプルが微細な粉末の形態でない場合、サンプル５２は、ウィンドウ５４の上に載せる前に微細な粉末に粉砕することができる。サンプル５２の粒子のサイズは、散乱のいかなる悪影響も最小にするために、対象となる波長より小さくなければならない。
【００２０】
別の実施形態では、基板５４はフィルタである。バイオエーロゾルなどの空気が運ぶ粒子は、真空ポンプを使用して空気を吸い込むか、又は、ファンを使用して空気を吹き付けることによって、フィルタ上に収集することができる。フィルタ材料は、対象となる周波数帯で比較的良好な透過特性を有する紙、プラスチック、又は繊維で作ることができる。サンプル５２からのエミッションスペクトルは、低温表面１６に対してフィルタを通して観察することによって取得することができる。
【００２１】
図４は、本発明の別の実施形態による、検出及び分析装置５０と類似する検出及び分析装置６２の平面図（同じ参照数字は、同じ要素を特定する）である。この実施形態では、基板５４は、検出される化学的サンプル又は生物学的サンプル６６がその中に隠匿されている書簡封筒、厚紙容器、プラスチック又はガラスボトルなどの容器６４と置き換えられる。装置６２は、容器６４内に隠匿された化学的物質及び生物学的物質の無侵襲検出を可能にする。これらのタイプの容器材料は、テラヘルツ周波数帯で比較的高い透過率を有することが知られている。隠匿された材料からのエミッションスペクトルは、低温表面１６に対して容器６４を通して観察することによって取得される。１つの可能性のある用途は、郵便配達センターにおける書簡中の炭素菌粉末のスクリーニングである。別の例は、プラスチックバッグ中の爆発物の検出、並びに、厚紙、プラスチック、又はガラス容器中の違法薬物又は化学的及び生物学的に作用を起こす物質の検出である。
【００２２】
図５は、本発明の別の実施形態による、サンプル区画７４内に閉じ込められた化学的サンプル及び／又は生物学的サンプル７２を検出するための検出及び分析装置７０の平面図である。この実施形態では、サンプル７２は、透過ウィンドウ上に載せられるか、又は、サンプルホルダ内に閉じ込められる。あるいは、サンプル７２は、区画７４内で分散した蒸気又はエーロゾルの形態である可能性がある。区画７４は、窒素ガスで浄化するか、又は、開口７６及び７８を通して真空ポンプで排気することができる。これは、空気中の水蒸気及び／又は酸素によって引き起こされる干渉を最小にする。一実施形態では、区画７４は、ガラスチャンバであるが、本明細書で説明する目的に適した任意のチャンバにすることができる。
【００２３】
検出チャンバ８６を含むＦＴＳ８０は、サンプル区画７４に隣接して配置される。サンプル７２からの受動的エミッション８２は、区画７４内のウィンドウ８４を透過してＦＴＳ８０の検出チャンバ８６の中に入る。ウィンドウ８４は、対象とする周波数帯で受動的エミッション８２について高い透過率と低い反射率を有する。本発明によれば、低温表面８８は、サンプル７２の反対側で区画７４内のＦＴＳ８０の視野を占める。先に説明したように、低温表面８８は、液体ヘリウム又は極低温クーラによって冷却されて、ＴＨｚ周波数帯のエミッション８２を検出するための必要な熱コントラストをもたらすことができる。
【００２４】
ＦＴＳ８０は、本明細書で述べる目的に適する任意のＦＴＳにすることができる。一実施形態では、ＦＴＳ８０は、Bruker Opticsから入手可能なモデル番号ＩＦＳ６６Ｖ／Ｓ真空ＦＴＩＲ分光計装置である。この実施形態では、ＦＴＳ８０は、エミッション８２を、可動ミラー９２の方に送られる第１ビーム及び固定ミラー９４の方に送られる第２ビームに分割するビームスプリッタ９０を含む。ミラー９２及び９４によって反射したビームは、ビームスプリッタ９０の方に送り返され、ビームスプリッタ９０は、検出器９６に入射するようにビームを合成する。検出器９６は、液体ヘリウム冷却シリコンボロメータなどの、本明細書で述べる目的に適する任意の検出器であり得る。ミラー９２を走査することによって、干渉パターンを検出器９６上に生成して、対象とする周波数帯を検出することができる。チャンバ８６内の空気が検出プロセスに干渉しないように、チャンバ８６は、真空ポンプ（図示せず）によってポート９８を通して排気することができる。
【００２５】
図６は、２つの別個のチャネル１０４及び１０６を有する受信機１０２を含む検出及び分析装置１００の平面図である。図６は、装置１００のサンプル及び低温表面を示さないが、これらの要素は、先の説明と一致するように、装置１００に含まれる。エミッション１０８は、レンズ１１０によってフィードホーンアンテナ１１２上に収束され、エミッションを増幅する受信機１１４によって受け取られる。増幅された信号は、パワースプリッタ１１６によって分割され、分割信号は、２つのチャネル１０４及び１０６に指向される。各チャネル１０４及び１０６は、ミクサ１２２、ＩＦ増幅器１２４、及びダイオード検出器１２６を有する放射計１２０を含む。受信機１１４によって受け取られた信号は、放射計１２０によって処理されるのに適した中間周波数（ＩＦ）信号に信号をダウンコンバートするためにチャネル１０４及び１０６のそれぞれの中のミクサ１２２に印加される。ダウンコンバートされた信号は、ＩＦ増幅器１２４によって増幅され、増幅されたＩＦ信号は、ダイオード検出器１２６に送出される。ダイオード検出器１２６は、エミッション１０８から受け取った周波数を示す信号の電圧表現を提供する。電圧信号は、次に、分析デバイス（図示せず）に送出されて、エミッション１０８のエミッションスペクトルを分析する。エミッションスペクトルは、対象となるスペクトル範囲の特徴的な分子振動帯及び回転帯に基づいて、検出されるサンプルの化学的物質及び／又は生物学的物質を識別する。
【００２６】
エミッション１０８を２つの信号経路に分割することによって、ミクサ１２２及びＩＦ増幅器１２４は、異なる周波数帯に同調して、ＴＨｚ周波数帯内の狭い周波数帯についてさらなる感度を提供することができる。代替の実施形態では、パワースプリッタ１１６は、別個の信号を検出するために、信号を任意の適した数の信号チャネルに分割することができる。これらの別個の周波数帯は、選択された帯域における信号強度の検出によって、化学的又は生物学的作用剤の独特の識別が可能になるように選択することができる。
【００２７】
図７は、本発明の別の実施形態による検出及び分析装置１３０の平面図である。この実施形態では、検出装置１３０は、商業建物などの施設内への空気流を監視するのに使用される。空気は、適当なファン又は同様なもの（図示せず）によって通気口１３２を通して強制的に流されるため、空気がフィルタ１３４を通って流れる。空気流内の粒子及び他の物質は、それらを検出することができるフィルタ１３４上に集まることになる。レンズ１３６は、フィルタ１３４の一方の側に配置され、極低温クーラ１３８は、フィルタ１３４の反対側に配置される。フィルタ１３４からの受動的エミッション１４０は、レンズ１３６によって、エミッション１４０が分析されるＦＴＳ１４４の入射アパーチャ１４２上に収束される。コンピュータ１４６はスペクトルを表示する。
【００２８】
以上の説明は、本発明の例示的な実施形態のみを開示し、述べている。こうした説明及び添付図面及び特許請求の範囲から、特許請求の範囲に規定される本発明の精神及びその範囲から逸脱することなく、種々の変更、修正、及び変形を行うことができることを、当業者は容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】横軸を波数、縦軸を放射輝度とし、周囲温度４Ｋ、１０Ｋ、７８Ｋ、及び２９６Ｋにおける黒体放射曲線を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態による、サンプルクラウド中の化学的及び／又は生物学的物質を検出するための検出及び分析装置であって、ＴＨｚ周波数帯の受動的エミッションを受け取り、また、サンプルに対して低温バックグラウンドを提供する低温デバイスを含む装置の平面図である。
【図３】本発明の別の実施形態による、透過ウィンドウ上に載せられたサンプル中の化学的物質及び／又は生物学的物質を検出するための検出及び分析装置であって、ＴＨｚ周波数帯の受動的エミッションを受け取り、また、サンプルに対して低温バックグラウンドを提供する低温デバイスを含む装置の平面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による、図３に示す装置と同じであるが、サンプルが隠匿されている、検出及び分析装置の平面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、試験区画内の化学的物質及び／又は生物学的物質を検出するための検出及び分析装置であって、ＴＨｚ周波数帯の受動的エミッションを受け取り、また、サンプルに対して低温バックグラウンドを提供する低温デバイスを含む装置の平面図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、化学的物質及び生物学的物質を検出するための検出及び分析装置であって、受け取ったエミッションを２つのチャネルに分割して、ＴＨｚ周波数帯の２つの周波数帯を検出する装置の平面図である。
【図７】本発明の別の実施形態による、施設の吸気口内のフィルタ上に堆積した化学的物質及び生物学的物質を検出するための検出及び分析装置であって、ＴＨｚ周波数帯の受動的エミッションを受け取り、また、サンプルに対して低温バックグラウンドを提供する低温デバイスを含む装置の平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年5月18日(2006.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の化学的物質及び生物学的物質を検出及び分析するシステムであって、
前記サンプルからの受動的エミッションに応答する分光計デバイスであって、該エミッションはテラヘルツ周波数帯にあり、前記分光計デバイスは、視野を有し、前記サンプル中の分子成分のエミッションスペクトルを生成する、分光計デバイスと、
前記分光計デバイスの前記視野内に配置され、前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす低温表面と、
を備えたシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記低温表面は、液体ヘリウムデューワ及び極低温クーラから成る群によって冷却されるテラヘルツ吸収体を含むシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記分光計デバイスは、前記エミッションのスペクトル分析を実施するフーリエ変換分光計であるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、サンプル区画をさらに備え、前記サンプルは該区画内に閉じ込められるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記サンプルは空気で運ばれるクラウド内にあるシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、透過性基板をさらに備え、前記サンプルは該透過性基板上に載せられるシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記透過性基板は、プラスチックウィンドウ又は反射防止コーティングされたシリコンウィンドウであるシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、フィルタをさらに備え、前記サンプルは該フィルタ内にあるシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記フィルタは施設の吸気口内に配置されるシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、容器をさらに備え、前記サンプルは該容器に収容されるシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記容器は、封筒、厚紙封入容器、プラスチック容器、及びガラス容器から成る群から選択されるシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記分光計デバイスは、パワースプリッタ及び複数の検出チャネルを含み、前記パワースプリッタは、複数の周波数帯を同時に検出することができるように、前記エミッションを受け取り、該エミッションを前記複数のチャネル内に指向させるシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記テラヘルツ周波数帯は、マイクロ波、ミリ波、及びサブミリ波の周波数帯を含むシステム。
【請求項１４】
前記サンプルは、液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学剤、生物剤、工業用化学薬品、毒素、薬品、菌、花粉、及び蒸気、粉末、液体又はエーロゾル状の爆発物から成る群から選択される、システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、概括的にはサンプル中の物質を検出するための装置及び方法に関し、より詳細には、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯の受動的放出（エミッション：emission）分光によってサンプル中の化学的物質又は生物学的物質を検出するための装置及び方法であって、装置内分光計の視野内のバックグラウンドが、サンプル温度に対して温度が非常に低い、装置及び方法に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【背景技術】
２．関連技術の考察
公衆衛生のために、薬剤、感冒、花粉、ウィルス、細菌、及び毒素(トキシン)などの生物学的物質の迅速な検出及び分析の必要性が当技術分野に存在する。さらに、封筒、布、プラスチックボトル、又はガラス容器などの容器内に隠匿される化学的物質及び生物学的物質の無侵入（侵襲）検出の必要性が当技術分野に存在する。
サンプル中の分子の分光分析によって空気中の化学的又は生物学的雲状物（クラウド：cloud）などのサンプル中の特定の成分を検出することは、当技術分野で知られている。この種の検出には、地下のパイプからの天然ガス漏れ、化学物質流出物由来の化学的クラウド、化学プロセス由来の揮発性有機物質の蒸気、煙突からの汚染、軍事用化学兵器、細菌などの生物学的物質、爆発物、違法薬物、及び対象となる他の化学的又は生物学的物質を検出することを含む、多くの用途がある。これらの用途の中には、ｐｐｂ(10億分の１)以下のレベルの検出感度が必要なものもある。
【国際調査報告】
2007506097.tif 000010
2007506097.tif 000011
2007506097.tif 000012
2007506097.tif 000013
2007506097.tif 000014