(57)【要約】【構成】本発明は、気流中の生物学的物質を検出する方法に関する。この方法の場合、気流（１６）をサンプリング装置（１２）によって供給し、光ビーム（１７）を気流（１６）に向けて照射し、粒子（１４）の蛍光を示す蛍光信号（２４）が生成するとともに、粒子（１４）の光の散乱を示す散乱信号（３２）が生成する。この蛍光信号（２４）および散乱信号（３２）が離散値に転換され、警告値が設定される。選択された次元を備えた少なくとも二次元の測定スペースに離散値がヒットポイントとして累積記録される。この測定スペースから少なくとも一つのインデックス領域（５６、５８、６０）が予め選択され、それぞれ予め選択されたインデックス領域（５６、５８、６０）に累積したヒットポイントからインデックス周波数において累積インデックスが計算される。そして、予め選択された基準を使用することによって、選択された生物学的物質の存在を示す警告値が上記インデックスから設定される。【選択図】図２
2013533472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的物質の粒子（１４）および/または生物学的に不活性な物質の粒子（１４）を含む気流（１６）中の生物学的物質を検出する方法であって、
サンプリング装置（１２）を利用して、サンプリング後チャンバー（１８）内外に前記気流（１６）を供給し、
光源から光ビーム（１７）を前記気流（１６）に向けて照射し、前記気流（１６）中の粒子（１４）を励起して蛍光を発光し、
前記光ビーム（１７）によって照射された各粒子（１４）から発光した前記蛍光を第１測定手段（２３）によって測定するとともに、前記粒子（１４）の前記蛍光を示す蛍光信号（２４）を発生し、
前記光ビーム（１７）によって照射された各粒子（１４）からの散乱光を第２測定手段（３０）によって測定するとともに、前記粒子（１４）の前記光の前記散乱を示す散乱信号（３２）を発生し、
前記蛍光信号（２４）および前記散乱信号（３２）をサンプリング周波数において離散値に転換し、そして
前記離散値に基づいて警告値を設定することからなる検出方法において、
所定の次元を備えた少なくとも二次元の測定スペースにおいて前記離散値をヒットポイントとして累積記録し、
前記測定スペースから少なくとも一つのインデックス領域（５６、５８、６０）を予め選択し、
前記の予め選択された各インデックス領域（５６、５８、６０）に累積した前記ヒットポイントからインデックス周波数において累積インデックスを計算し、そして
予め選択された基準を使用して、前記インデックスから選択された生物学的物質の存在を示す警告値を設定することを特徴とする検出方法。
【請求項２】
少なくとも２つの、好ましくは少なくとも３つのインデックス領域（５６、５８、６０）が存在することを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
【請求項３】
各インデックスと、少なくとも前記インデックスの一部の絶対条件との間の相対的条件と前記インデックスを比較し、これに基づいて、前記条件が満足されたときに、警告を発することを特徴とする請求項１または２に記載の検出方法。
【請求項４】
前記サンプリング周波数が１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、好ましくは３００〜８００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項５】
前記インデックス周波数が０．１〜１０ｓ、好ましくは０．８〜１．５ｓであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項６】
前記の少なくとも二次元のメモリにおいて、前記次元が前記粒子の前記蛍光および前記粒子によって散乱された前記光であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項７】
前記の少なくとも二次元のメモリにおいて、前記次元が前記粒子によって散乱された前記光、および前記粒子の前記蛍光と前記粒子によって散乱された前記光との積であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項８】
前記インデックスの計算に、前記離散値の前記相関を利用することを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
【請求項９】
前記分析手段が、前記蛍光信号（２４）および前記散乱信号（３２）に基づいて分類マップ（３７）を生成し、これによって生物学的物質を検出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項１０】
以下の３つのステップ、
前記気流（１６）中において生物学的物質を検出するステップ、
前記警告値が前記の予め選択された基準を超えたときに、前記の警告/表示手段（７４）が警告を発するステップ、および
前記気流（１６）からサンプルを採取し、より詳しい分析を行うステップで前記警告を発することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項１１】
前記警告/表示手段（７４）が、前記警告値と、少なくとも２つの異なる長さの時間から設定されたインデックスを検索することを含む前記条件とを比較することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項１２】
生物学的物質の粒子（１４）および/または生物学的に不活性な物質の粒子（１４）を含有する空気から生物学的物質を検出する装置（１０）であって、
サンプリング後、気流（１６）をチャンバー（１８）に送り込むとともに、該気流（１６）を該チャンバー（１８）から導出するサンプリング手段、
前記気流（１６）に照射され、ビームを発光し、前記気流（１６）中の前記粒子（１４）を励起して蛍光を発光する光源、
前記光源から射出した前記ビームによって照射された前記粒子（１４）が発光する前記蛍光を測定するとともに、前記蛍光を示す蛍光信号を発生する第１測定手段（２３）、
前記粒子（１４）によって散乱した前記光を測定するとともに、前記散乱光を示す散乱信号（３２）を発生する第２測定手段（３０）、
前記サンプリング周波数において前記蛍光信号（２４）および前記散乱信号（３２）を離散値としてサンプリングする少なくとも一つのＡＤコンバータ、および
生物学的物質を検出する分析手段を有する検出装置（１０）において、
検出装置（１０）がさらに分類手段（３６）およびメモリ（２２）を有し、これらのうち前記分類手段（３６）については、選択された次元を備えた少なくとも二次元のメモリ（２２）において前記離散値をヒットポイントとして累積記録できるように構成し、そして前記分析手段（９２）については、前記サンプリング周波数において、前記メモリ（２２）のそれぞれ予め選択されたインデックス領域（５６、５８、６０）に対する累積ヒットポイントのインデックスを計算できるように構成し、前記インデックスから、前記分析手段（９２）が予め選択された基準を使用して、選択された生物学的物質の存在を示す警告レベルを設定することを特徴とする検出装置（１０）。
【請求項１３】
前記の選択された次元が１０×１０〜３０×３０、好ましくは１５×１５〜２０×２０であることを特徴とする請求項１２に記載の検出装置。
【請求項１４】
さらに、前記警告値に基づいて警告を発する警告/表示手段（７４）を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の検出装置。
【請求項１５】
前記２つの異なる長さの時間を設定して、前記インデックスを検索する少なくとも２つのソフトウェアからなるソフトウェア手段を有することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的物質の粒子（particles of biological material）および/または生物学的に不活性な物質（inert material）の粒子を含む気流中の生物学的物質を検出する方法において、
サンプリング装置を利用して、サンプリング後チャンバー内外に上記気流を供給し、
光源から光ビームを上記気流に向けて照射し、上記気流中の粒子を励起（excite）して蛍光を発光し、
上記光ビームによって照射された各粒子から発光した上記蛍光を第１測定手段によって測定するとともに、上記粒子の上記蛍光を示す蛍光信号を発生し、
上記光ビームによって照射された各粒子からの散乱光を第２測定手段によって測定するとともに、上記粒子の上記光の上記散乱を示す散乱信号（scattering signal）を発生し、
上記蛍光信号および上記散乱信号をサンプリング周波数において離散値（discrete values）に転換し、そして
上記離散値に基づいて警告値（alarm value）を設定する（defined）ことからなる測定方法に関する。
また、本発明は上記方法を実施するための生物学的物質の検出装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
生物兵器剤は、例えばテロリスト組織などが使用すると深刻な脅威になる危険な大量破壊兵器である。生物兵器剤は、検出が難しいエアゾール粒子として離散される。ここで、エアゾールは空気および空気中に浮遊する粒子を指す。
【０００３】
兵器剤に関する従来の検出技術の代表例はＵＳＰ５，７０１，０１２に述べられている。この公報には、生物学的物質の蛍光を利用する装置が開示されている。この装置の場合、装置に供給された各粒子がレーザービームによって励起された後、測定装置を使用して、粒子が発光する蛍光を測定する。各粒子の蛍光値を一度に一個ずつ内部データベースと比較し、この比較結果に基づいて各粒子の生物学的可能性に関して決定を下す。
【０００４】
上記公報記載の装置の場合、個々の粒子に基づいて決定を下すが、電子回路により個々の粒子の蛍光パルスの微分値およびピーク値（differentiating and peak values）を求めることは、要求が厳しくかつコストがかかる。さらに、空気の粒子含量が高い状況では、いわゆる偶然の一致現象の蓋然性が高く、個々の粒子の測定に問題が生じる。この場合、検出チャンバーに同時に存在する数個の粒子から信号が発生する。この場合、個々の粒子の生物学的可能性を蛍光に基づいて評価すると、蛍光が必ずしも独立した一つの粒子から発生するわけではないため、エラーが多くなる。
【０００５】
粒子によって散乱した光だけでなく、粒子によって発光する蛍光も測定できる装置を開示しているＵＳＰ７，７３８，０９９Ｂ２からも公知なように、各パルスのピーク値を測定し、この測定結果に基づいて考えられる生物学的粒子を検出することができる。結果を出すためには、このような解決策の場合、パルスのピーク高さを測定し、かつ分析する複雑な電子回路が必要であるが、この回路は粒子含量が大きい場合には効率が良くない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳＰ５，７０１，０１２
【特許文献２】ＵＳＰ７，７３８，０９９Ｂ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来技術よりも簡単な生物学的物質の検出方法を提供することである。本発明の別な目的は、従来技術よりも簡単ですぐれている生物学的物質の検出装置を提供することである。本発明方法および装置は、特に生物学的粒子の検出/同定に好適である。
【０００８】
本発明方法の特徴は、請求項１に記載した通りであり、また本発明装置の特徴は、請求項１２に記載した通りである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実現手段は、生物学的物質の粒子および/または生物学的に不活性な物質の粒子を含有する気流中の生物学的物質の検出方法において、所定の次元を備えた少なくとも二次元の測定スペースに離散値をヒットポイントとして累積記録し、この測定スペースの少なくとも一つのインデックス領域（index area）を予め選択しておく検出方法である。所定のインデックス領域毎に規則的な間隔で累積インデックスを累積ヒットポイントから算出し、所定の生物学的物質の存在を示す警告値を、所定の基準を使用して、インデックスから求める。この方法では、サンプリング後に、サンプリング手段を利用して気流をチャンバー内外に供給し、光源から光ビームを気流に照射し、気流中の粒子を励起し、蛍光を発生する。測定手段を利用して、光ビームによって照射された各粒子が発光する蛍光を測定し、粒子の蛍光を示す蛍光信号を発生する。これに対応して、第２測定手段を利用して、光ビームによって照射された各粒子から散乱した光を測定し、粒子による光の散乱を示す散乱信号を発生する。サンプリング周波数において蛍光信号および散乱信号を離散値に転換し、分類および分析を行い、離散値に基づいて警告レベルを求める。
【００１０】
本方法は、蛍光信号および散乱信号から独立した一つのピーク値を求めることなく実施できるため、構成がきわめて簡単である。即ち、従来技術よりも偶然の一致現象をかなりの程度容認でき、しかもこれを原因とする測定誤差を補正することさえ可能である。
【００１１】
本発明においては、少なくとも２つのインデックス領域を設定するのが好ましく、少なくとも３つのインデックス領域を設定するのがより一層好ましい。インデックス領域が多いほど、本発明方法および装置の精度低下および誤警告の頻度が少なくなる。特にこれは、煙道ガスやその他の不純物が検出の撹乱材料になる、検出の難しい野外条件や環境についていえる。
【００１２】
インデックスについては、その少なくとも一部について各インデックス条件と絶対的な条件との間の相対的な条件と比較し、この比較に基づいて、条件が満足されたときに警告を出すことが好ましい。インデックスの比較は簡単であり、かつ高速である。
【００１３】
測定スペースは、好ましくはメモリである。このようにすると、離散値をメモリに直接ヒットポイントとして記録でき、不必要な中間ステージは必要ない。
【００１４】
光ビーム照射は、気流に対して垂直な光源を利用して行うのが好ましい。この光源は一定の周波数で利用できるように構成する。
【００１５】
本発明検出装置の場合、蛍光信号および散乱信号を連続的に一定のサンプリング周波数でサンプリングできるように構成するのが好ましい。連続蛍光信号および連続散乱信号を処理する方法を簡単に利用できる。連続サンプリングの場合、ほぼ正確な粒子含量に対応するデータポイント数が、生物学的粒子および背景粒子に対して特異的な領域について得られる。サンプリング周波数は１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚであり、好ましい周波数は３００〜８００ｋＨｚである。
【００１６】
本発明の一つの実施態様によると、少なくとも二次元のメモリでは、次元は粒子の蛍光と粒子から散乱した光である。これらニ次元は、離散値から直接得られ、コンピュータ演算は必要ない。
【００１７】
第２の実施態様によると、少なくとも二次元のメモリでは、これら二次元は粒子から散乱した光、および粒子の蛍光と粒子から散乱した光の到達との積である。
【００１８】
累積インデックスの計算間隔は０．１〜１０ｓ（秒）、好ましくは０．８〜１．５ｓである。この場合、メモリにおけるデータの累積量は無理のない範囲にとどまり、演算を迅速に行える。
【００１９】
一つの実施態様によると、インデックスを計算するさいに、離散値の相関を利用する。即ち、結果を得る場合には、少なくとも第２信号の少なくとも長期間平均値（いわゆるＤＣ成分）が排除されるように、使用する信号値を相互に乗ずる。例えばこの排除は、２つの信号を乗ずる前に、対象信号のいわゆるハイパスフィルター処理を行うことによって簡単かつそれ自体が公知な方法を実施できる。
【００２０】
第２実施態様によると、インデックスを計算するさいには、離散値の平均積（the meanproduct）を利用する。このような処理方法の結果は、実際のアルゴリズムを対象とするマップとして簡単に応用することができる。あるいは、積分して処理が容易になるパラメーター、例えば相関係数、散乱の時間積分または蛍光の時間積分に変換できる。
【００２１】
さらに蛍光信号および散乱信号から計算した他の導関数値（derivative values）も、インデックスの計算に利用できる。このような導関数値は信号間の相関値として、あるいは信号の相互比として利用できる。例えば、蛍光信号の値を散乱信号の値で割ると、粒子に含有されている生物学的物質の量を示す数値が得られることになる。
【００２２】
一つの実施態様によると、信号に基づいて分類マップを作成できるように分析手段を構成し、生物学的物質を検出する。分類マップの読み取りは簡単かつ高速に行える。
【００２３】
警告値が所定の基準以上になると、警告表示手段が好ましくは警告を発する。警告発生は３ステップ発生である。即ち、気流中の生物学的物質を検出する；警告レベルが所定基準以上になった場合に、警告表示手段が警告を発し；そして気流をサンプリングし、より詳しい分析を行う３ステップである。
【００２４】
本発明装置の目的は、粒子としての生物学的物質および/または生物学的に不活性な物質を含有する空気中の生物学的物質を検出する装置であって、分類手段およびメモリを有し、少なくとも二次元的な所定次元を備えたメモリに離散値をヒットポイントとして累積記録できるように上記分類手段を構成した装置を使用することによって実現できる。この装置の場合、所定のインデックス領域毎に累積ヒットポイントからインデックス周波数においてインデックスを計算し、これらインデックスから分析手段が、所定の基準を使用して、選択された生物学的物質の存在を示す警告値を設定できるように分析手段を構成する。換言すれば、個々のメモリ位置がヒットポイントカウンターとして作用する。即ち、独立した一つのメモリ位置のコンテンツがサンプリング周波数において増分処理される。対象となるメモリ位置が、上記の離散信号値に対応する。
【００２５】
本発明装置は、さらに、サンプリング後に気流をチャンバーに供給し、この気流をチャンバー外に導出するサンプリング手段、上記気流に合焦し、ビームを射出して上記気流中の粒子を励起し、蛍光を発光する光源、上記ビームによって照射された粒子から発光する蛍光を測定し、かつこの蛍光を示す蛍光信号を発生する測定手段を有する。本発明装置は、また、上記光ビームが照射された粒子による散乱光を測定し、かつ散乱光を示す散乱信号を発生する第２測定手段、上記蛍光信号および上記散乱信号を上記サンプリング周波数において離散値としてサンプリングする少なくとも一つのＡＤコンバータ、および生物学的物質を検出する分析手段も有する。
【００２６】
本発明装置の所定次元は、１０×１０〜３０×３０とすることができ、好ましくは１５×１５〜２０×２０とすることができる。さらに好ましくは、本発明装置は、上記警告値に基づいて警告を発する警告/表示手段を有する。
【００２７】
この警告/表示手段は好ましくは、少なくとも２つの異なる長さの時間から設定されたインデックスの検索からなる条件と上記警告値を比較できるように構成する。
【００２８】
一つの実施態様によると、本発明装置は、２つの異なる長さの時間を設定し、インデックスを検索する少なくとも２つのソフトウェアタイマーからなるソフトウェア手段を有する。
【００２９】
本発明装置は、使用が効率的である。面倒な電子回路および/またはロジックを使用せずに、本発明装置を使用してサンプリングおよび記録を実施でき、従来技術装置と同じように、個々の信号のピーク値またはこれらピーク値を示すその他の変数を決定できるからである。本発明装置によると、かなり大きいサンプルフローの範囲で測定を実施でき、サンプルフローの大きさが測定結果に影響することはない。換言すれば、精密な上に時間のかかる測定も必要なく、また装置のサンプルフローの調整も必要ない。
【００３０】
信号のサンプリング周波数は変更可能であり、場合によってランダム周波数でもよく、最終結果に影響することはない。これは、蛍光信号および散乱信号の両者をほぼ同時に測定する場合にもいえる。従って、本発明装置は、ハードウェアレベルおよびソフトウェアレベルの両レベルで使用が容易である。
【００３１】
本発明装置は、頑強であり、生物学的エーロゾル粒子の検出感度が高く、これを利用すると、有害な生物学的エーロゾル粒子を常時モニタリングでき、接近禁止を警告できる。また、構成が頑強なため、広範囲な条件下で装置を利用できる。
【００３２】
以下、本発明の実施態様例を示す添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】粒子から測定された蛍光信号および散乱信号を利用する従来技術装置の処理原理を示す図である。
【図２】本発明装置を示す簡単なブロック図であり、概略図である。
【図３】本発明装置におけるレーザービームの代表的なビーム断面図である。
【図４】対数組の蛍光-散乱座標において本発明装置によって測定したピーク値および連続サンプリングポイントを示す図である。
【図５】本発明装置の分類マップを示す図である。
【００３４】
図１は、従来技術装置を使用して測定した蛍光信号２４および散乱信号３２を示す図である。両曲線において、ピーク９０などの個々のピークは、この装置によって測定された個々の粒子を示す。高い散乱ピークは大きな粒子によってもたらされ、小さいピークは小さな粒子によってもたらされる。蛍光グラフの高いピークは、かなりの蛍光をもつ物質を含む粒子を示す。図１に示す曲線のうち曲線ＳＣは散乱を指し、ＦＬは蛍光を指し、ＴＨＤはトリガーレベル６６、即ちこれ以上のレベル信号が測定されるレベルを指す。従来技術装置の場合、生物学的粒子の検出は、蛍光信号および散乱信号のピーク値の測定に基づく。個々のピーク値が、個々の生物学的粒子を表すと想定する。ピーク値は、これがトリガーレベル６６を超えた場合にのみ測定できる。
【００３５】
ところが、この方法には、空気の粒子含量が大きいと、いわゆる偶然の一致現象の蓋然性が高くなる問題があり、個々の粒子の測定に問題が生じる。例えば信号ピーク８８では、検出チャンバーに同時に存在する数個の粒子によって信号が形成する。ところが、信号のピーク値の測定では、これを独立した唯一のピーク値として処理することになる。このようなピークが蛍光信号であると、個々の粒子の生物学的可能性の評価に誤差が発生する。蛍光は、必ずしも独立した一つの粒子の発生源ではないからである。換言すると、偶然の一致が生じた場合、数個の粒子が同時に検出チャンバーに存在するため、粒子からの個々のパルスを明確に区別できず、一部が重なっていることが多い。
【００３６】
図２は、本発明装置の一実施態様を示す図である。装置１０はサンプリング手段１５、光源、分割手段２８、第１測定手段２３および第２測定手段３０を含む測定ユニット１１を有する。光源は図示していない。光ビーム１７が、図２の面に対して垂直に入射、射出するからである。光ビーム１７のみを図示する。図２に示すように、サンプリング手段１２は、濃縮器４０、吸引フロー接続部４２、および空気サンプルを処理して測定する保護空気接続部４４を有する。まず、気流を仮想インパクト形濃縮器４０に供給する。濃縮器４０には、吸引フロー接続部４２があり、これによって気流１６を元の１０分の一まで小さくする。同時に、強力な回転吸引フローによって、気流１６中の大きな粒子の濃度が高くなる。
【００３７】
濃縮されたサンプルを耐光性光学チャンバー、即ち散乱および蛍光を測定するチャンバー１８に送り込む。上部の狭いノズル４８の端部から気流１６が光学チャンバー１８に流入し、保護空気接続部４４から来るクリーンな保護空気によって包囲されるため、チャンバー１８は常にクリーンな状態のままである。粒子１４の流れが自由に光学チャンバーを通過し、下部ノズル５０に到達し、ここから出ていく。上部ノズル４８と下部ノズル５０との間で粒子１４が光学的に測定される。光学チャンバー内では、粒子１４の流れが光ビーム１７に衝突し、光を散乱させ、場合によっては光ビームによって誘導された蛍光を発生する。光ビームとしては、波長が４０５ｎｍのダイオードレーザータイプが好適である。また、光源としてはレーザービーム源も使用できる。このレーザービーム源の場合、周波数を一定にすることができる。レーザービームとしては、出力が例えば２００ｍＷのＵＶレーザービームを使用できる。
【００３８】
粒子１４から来る光の強度が十分なため、図２から明らかなように、楕円体鏡４６によって比較的大きな立体角度で光電子増倍管（ＰＭＴ）に、即ち第１測定手段２３および第２測定手段３０に集光できる。楕円体鏡４６の集光角度は、例えば立体角度および光学倍率９の１/４に設定できる。光電子増倍管の前に、散乱光を第２光電子増倍管（ＰＭＴ  ＳＣ）、即ち第２測定手段３０に反射する二色性鏡５２を有する分割手段２８を設けるのが好ましい。反射光の波長は＜４４０nmに設定できる。波長が＞４４０nmより長くなると、光は二色性鏡５２を透過し、蛍光を測定する光電子増倍管（ＰＭＴ  ＦＬ）、即ち第１測定手段２３に到達する。第１測定手段２３は、例えば波長帯が４４２〜６００nmの蛍光を測定するために使用でき、また第２測定装置３０は、波長４０５nmからの散乱を測定するために使用できる。第１測定装置２３は、さらに波長＞４４２nmに従う蛍光のみを通す、分割手段２８に属するハイパスフィルター５４を設けることができる。従って、蛍光および散乱光を相互分離できる。
【００３９】
レーザービームの処理は、装置性能の最適化に重要な役割を果たす。レーザービームは、チャンバーに送る前に、好適な形およびサイズに整形する。最初に、いわゆるコリメーターレンズによってレーザービームを平行ビームに整えてから、シリンドリカルレンズによって粒子流れに合焦すると、きわめてフラットでワイドなビーム形状が得られる。シリンドリカルレンズ（cylindrical lens）の後に、迷放射線がチャンバーに侵入することを防止する２つのギャップリミッターを設ける。レーザービームを整形し、集光するために必要な手段は図示していないが、いずれもこの分野では広く利用されている手段である。図３に、本実施態様では約２，０００×１００μmである、粒子流れにおける代表的なビームの形状６２を示す。光ビームに当たる粒子の個数およびレーザー光の強度は、光ビームの形に応じて最適化する。
【００４０】
さらに図２について説明すると、本発明装置１０は測定ユニット１１に加えて、少なくとも１つの信号増幅器７０、少なくとも一つのＡ/Ｄコンバータ６８、分類手段３６、分析手段９２、および警告/表示手段７４を有する。図２に示す実施態様の場合、蛍光信号２４および散乱信号３２の両信号に対して別々に信号増幅器７０およびＡ/Ｄコンバータ６８を使用する。
【００４１】
図２に示す実施態様の分類手段３６は、Ａ/Ｄコンバータ６８およびメモリ２２を有する。本発明装置１０の場合、信号を連続的にサンプリングできるように構成するのが好ましい。即ち、蛍光信号および散乱信号を個々に検索することなく連続測定できる。光電子倍増管では、増幅器圧力を調節できるため、これによって出力信号を増幅できる。さらに、測定装置２３、３０の後に図２に示すように、信号増幅器７０を配設できる。
【００４２】
図２の実施態様の場合、測定装置２３、３０から来る連続的な蛍光信号２４および散乱信号３２をサンプリング周波数で離散値としてサンプリングする。サンプリング周波数は１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、好ましくは３００〜８００ｋＨｚに設定できる。好ましい実施態様によると、測定された離散値は測定された電圧の大きさに基づいて同時に座標値を受け取り、これに基づいて所定次元を備えた測定スペースに個々のヒットポイントを記録する。この実施態様において“測定スペース”は、メモリ２２の個々のメモリ位置７６を指す。測定スペースの一つの次元、即ちメモリの座標軸は、蛍光であり、他方の次元は散乱である。測定装置２３、３０を使用して測定された信号はいずれもＡ/Ｄコンバータ６８によって離散値に変換され、メモリ２２に記憶される。この方法では、生物学的物質の検出はデジタル検出である。
【００４３】
図４は、サンプリング周波数で図１において測定された連続蛍光信号および連続散乱信号のサンプリング離散値を示す対数グラフである。このグラフにおいて、個々のヒットポイント８６が、時間におけるある具体的な一瞬の蛍光/散乱信号の離散値を示す。図４には測定されたピーク値８４も示す。図４から、ベースレベル８２が背景粒子から形成される状態を理解できる。ただし実際には、図４のグラフは図５のグラフと同じものであるが、図５の場合には、ヒットポイントは相互に関係し、軸の間隔は異なっている。
【００４４】
分析手段９２は、経験的に予め定義された条件に基づいて範囲を設定した少なくとも２つのインデックス領域からなる検索フレーム７２を有する。この場合、インデックス領域は３つでそれぞれ５６、５８、６０である。インデックス領域の定義は、検出対象の生物学的粒子の特性に従う。１秒間隔などの規則的な間隔で、検索フレーム７２を使用して、メモリ２２を検索し、それぞれインデックス領域５６、５８、６０を示すインデックスを、メモリ２２内に累積したヒットポイントを利用してインデックス領域５６、５８、６０について計算する。例えば、インデックスはメモリ位置に記録されたヒットポイントの算術和によって計算できる。規則的な間隔は、インデックス周波数と言い換えてもよく、０．１〜１０ｓ、好ましくは０．８〜１．５ｓに設定できる。検索フレーム７２はメモリ２２上部の所定位置に設定できる。ただしこの場合、同様な表面積および同様な全体次元をもつ検索フレーム７２は、インデックス領域５６、５８、６０内にメモリ２２の全メモリ位置を含むものとする。さらに、検索フレームはインデックス領域５６、５８、６０の外側にあり、かつインデックスの計算に使用されないベースレベルを示す位置７７を有する。
【００４５】
それぞれインデックス領域５６、５８、６０を示すインデックスについては、各インデックスの相対的条件および少なくともインデックスの一部の絶対値と比較するのが好ましい。実際には、これは各インデックスが特異的な境界値と比較し、かつ相対的に他のインデックスの値と比較できることを意味する。さらに、各インデックスは、同じインデックス領域の前のインデックスからモニタリングでき、またインデックスの時間依存展開もモニタリングできる。
【００４６】
一つの実施態様の場合、分析手段９２は、信号に基づいて図５に従って分類マップ３７を形成でき、生物学的物質を検出できるように構成する。測定装置によって測定された粒子含量データは、メモリに記憶し、検索フレームをメモリ上部に設定すると、分類マップ３７が得られる。検索フレームのインデックス領域が分類マップに少なくとも一つのインデックス領域、この場合には少なくとも３つのインデックス領域５６、５８、６０を生成する。少なくとも２つの、好ましくは３つのインデックス領域を使用すると、本発明方法および装置の精度が下がることはなく、誤警告も避けることができる。というのは、本発明方法の場合、インデックス領域をより多く比較でき、従って警告の条件をより正確に設定できるからである。これは、空気サンプルが例えば煙道ガス、砂やその他の不純物を含む測定が困難な条件において特に重要である。
【００４７】
１μm未満の第１インデックス領域５６のヒットポイントは、＜１μｍの小さな粒子を含有する空気サンプルを特にポイント源とし、第２の非蛍光インデックス領域５８のヒットポイントは、非蛍光粒子、即ち生物学的に不活性な＞１μm粒子を含有する空気サンプルを特にポイント源とし、そして第３の警告インデックス領域６０のヒットポイントは、生物学的な粒子を含有する空気サンプルをポイント源とする。ヒット位置７８で累積するベースレベルは、光電子倍増管のノイズおよび非常に小さい（＜２００nm）背景粒子から主に構成されている。これ以上大きな粒子は、背景ノイズから区別でき、インデックス領域５６、５８、６０の任意の領域に位置する。
【００４８】
図５の分類マップ３７において、メモリ２２の特異的なメモリ位置７６から来るヒットポイントは、５段階スケールで相対的に示す。このスケールを用いると、ヒットポイントが数個しかないメモリ位置を排除できるため、最も多いヒットポイントのメモリ位置をより明確に見ることができる。測定スペースの所定の次元は１０×１０〜３０×３０、好ましくは１５×１５〜２０×２０である。メモリ２２を使用する場合、対応する次元は、メモリ２２内のメモリ位置７６の個数になる。
【００４９】
一つの実施態様によると、インデックス領域に達するヒットポイントは、場合に応じて変更できる（ｓｌｉｄｉｎｇ  ｄｅｆｉｎｅｄ）時間から別なメモリに記録できる。時間の長さは、例えば１０分に設定できる。インデックス領域から計算されたインデックスも場合に応じて変更できる時間から別なメモリに記憶できる。インデックスのみを記録する場合、記憶すべきデータの量は、記録時にインデックス領域に達するヒットポイントよりもかなり小さい。分類マップに示す変数は、例えば粒子の蛍光および粒子が散乱する光、または粒子の蛍光、粒子が散乱する光の到達および粒子が散乱する光である。
【００５０】
直接測定された信号値の代わりに、および/またはこれら信号値に加えて、これらから誘導された変数を使用できる。このような変数の一例は、２つの信号間の相関（換言すれば相互相関）である。これは、これら信号の値を相互乗算し、結果を一時的に累積して（あるいは平均して）得られた累積値を単に意味する。この場合、少なくとも第２出力信号については、所謂ＤＣ成分を含まないように（換言すれば、信号の時間平均値がゼロ）する必要がある。このＤＣ成分の排除は、例えば、ハイパスフィルター処理（原理的にはＡＤ変換前アナログ的に、あるいはその後にデジタル的に実施できる）か、あるいは信号からコンピュータ処理によって平均値を排除することによって（別な方法）実現できる。相関をリアルタイムで計算しない場合には、信号のＤＣ成分は、累積相関結果からその後にコンピュータ処理によって排除できる。
【００５１】
一つの実施態様によると、分析手段は、相関を使用して信号を分類できるように構成できる。これらを使用すると、各種の分類マップを形成でき、これらからの情報を利用できる。これらの分類マップは、一般的な数学的演算を使用して信号を処理することによって測定スペースのヒットポイントを通じて形成できる。別な実施態様によると、分析手段は、信号の到着を使用して信号を分類することができるように構成することも可能である。
【００５２】
図２に示す分析手段９２によって、所定の警告レベルを警告/表示手段７４に伝達し、この警告レベルを所定の基準と比較する。各基準は、一つかいくつかの条件から生成できる。基準にマッチすると、警告/表示手段７４が警告手順を開始する。リアルタイム測定情報に基づいて所定の基準を自動的に変更することも可能である。
【００５３】
本発明装置の警告手順は、以下の適用例に従って形成できる。警告/表示手段が少なくとも２つの異なる時間に基づいて記録されたデータにより定義されたインデックスを検索する。より具体的には、警告/表示手段が、場合に応じて適用する平均値によって記録されたデータから２つの異なる時間ｔのインデックスを検索する。第１時間を例えば１０秒間などの秒単位で測定し、この時間からインデックスの平均値を検索し、インデックス領域５６、５８、６０から算出する。そして例えばこれらインデックスに符号（５６ａ）、（５８ａ）、（６０ａ）を付ける。これら符号それぞれは、対応するインデックス領域を指す（例えば（５６ａ）がインデックス領域５６に対応するなど）。第２時間は例えば１０分間などの分単位で測定し、この時間からインデックスの平均時間を測定し、インデックス領域５６、５８、６０から算出する。これらインデックスには例えば符号（５６ｂ）、（５８ｂ）、（６０ｂ）を付ける。
【００５４】
警告/表示手段は、所定の条件Ａが満足された場合に、警告を発する。条件Ａは、例えば、［（６０ａ）＞（６０−ｂ）＋ｐ］である。ただし、ｐはこの場合経験的に定義される定数である。この条件Ａが満足されると、インデックス（６０ｂ）の値がフリーズする。次に、装置が警告状態に進み、この状態が、
ａ）警告条件Ａがもはや有効ではなく、装置が基準のベース状態に戻るか、
ｂ）ある例外条件、即ち条件Ｂまたは条件Ｃが発現し、インデックス（５６ａ）および（５８ｂ）が対応してフリーズし、警告の時間がリセットされ、時間ウインドーｑが秒単位で再び開き、警告状態が続くか、あるいは
ｃ）条件Ａがある具体的な時間有効であり、警告が出されるまで、続く。
なお、条件Ｂは例えば［（５６ａ）＞（５６ｂ）＊ｓ］であり、条件Ｃは例えば［（５８ａ）＞（５８ｂ）＊ｖ］であり、ｓおよびｖは経験的に定義される定数である。
【００５５】
警告については、警告が例外（条件Ｂまたは条件Ｃ）なしに所定時間ｒ有効な場合に警告が出される。この時間は例えば１０秒間である。警告は、
ａ）条件Ａが有効ではなく、装置が基準のベース状態に戻るか、あるいは
ｂ）一部の例外即ち条件Ｂまたは条件Ｃが発現し、装置が基準のベース状態に戻るまで有効である。
【００５６】
条件は必要に応じて調整でき、この場合には測定手段の増幅変化を利用できる。警告が持続している間、装置は気流から自動的にサンプリングを行い、分析をより正確にする。
【００５７】
上記の警告アルゴリズムは独立して、例えばパルス高方法または対応する方法の警告に関連して使用することも可能である。本発明装置は、少なくとも２つのソフトウェアタイマーからなるソフトウェア手段を有し、インデックス検索のために２つの異なる時間長さを検出できる。
【００５８】
一つの実施態様によると、本発明装置は本発明方法によって３ステップで作動する。即ち、気流をモニタリングして生物学的物質を検出する。警告レベルが所定基準を超えると、警告を発し、気流からサンプリングを行い、より詳しい分析を行う。分析後生物学的物質に関する正確なデータを与えるデータバンクも装置に与えることができる。
【００５９】
使用中に摩耗する構成成分については、装置の製造時に最小限に抑えているため、監視および保守することなく装置を長期間作動させることが可能になる。装置は、建物内に永続的に装着した監視装置として使用でき、あるいは携帯装置として使用する場合には、いくつかの異なるエリアを調査するために使用できる。装置を適用できる場所は、多数の人間が出入りする空港、港湾、鉄道、メトロステーションなどである。
【００６０】
本発明装置はモジュラー式装置として使用でき、また他の分析機器などを付設してもよい。本発明装置は外部制御ユニット、より好ましくはインターフェースソフトウェアにより制御できる。
【００６１】
本発明方法に使用するサンプリング周波数が非常に高いため、インデックス周波数においてかなりの数のヒットポイントを生成できる。これは、インデックス周波数においてインデックス領域に累積するヒットポイントに基づいて生成するインデックスの計算には、本発明装置の分析手段がきわめて大量の演算パワーを持つことが必要であることを意味する。ただし、十分な演算パワーは、比較的コストの低い素子などを使用して実現可能である。
【００６２】
本発明装置の一実施態様の基本的データの項目を以下に示す。以下に示す基本データは、本発明の一実施態様の一つの実例を示す基本データに過ぎず、本発明はこれに制限されるものではない。
【００６３】
検出方法：ＵＶ蛍光および弾性散乱
粒子サイズ：０．５〜１０μm
感度：１００ＡＣＰＬＡ
１０応答時間：＜３０秒
空気サンプル流量：２リットル/分
光源：ＣＷレーザー、波長４０５nm
二次的な空気混合：二次的な空気混合
対応素子：消耗品であるＰＴＦＥおよびゼラチンフィルターなどの
使い捨て３７mmスリーパーツフィルターカセット３７mm
フィルター
データ接続：ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＵＳＢ
パワー：入力８５〜２６４ＶＡＣ、９〜３６ＶＤＣ
消費電力：５０Ｗ
大気湿度範囲：０％〜９０％（未封着状態）
温度範囲：動作時−３５〜＋５０℃
保存時−４０〜＋７０℃
環境必要条件：ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０ＦおよびＭＩＬ−ＳＴＤ−４−６１Ｆ
に対応するように設計
サイズ：５７cm×４４cm×１９．５cm（Ｈ×Ｗ×Ｄ）
【符号の説明】
【００６４】
１１：測定ユニット
１２：サンプリング装置
１４：粒子
１５：サンプリング手段
１６：気流
１７：光ビーム
１８：チャンバー
２２：メモリ
２３：第１測定手段
２４：蛍光信号
２８：分割手段
３０：第２測定手段
３２：散乱信号
３７：分類マップ
４０：濃縮器
４２：吸引フロー接続部
４４：保護空気接続部
４６：楕円体鏡
４８：上部ノズル
５０：下部ノズル
５４：ハイパスフィルター
５６、５８、６０：インデックス領域
６８：Ａ/Ｄコンバータ
７０：信号増幅器
７２：検索フレーム
７４：警告/表示手段
７６：メモリ位置
８６：ヒットポイント
９２：分析手段
【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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【国際調査報告】
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