(57)【要約】【課題】脅威物質の試料を基板に付着させるシステム及び方法を提供する。【解決手段】単一の照明源は、基板上に付着した脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する。基板上の脅威物質を識別する。このシステム及び方法は、脅威物質の存在または不在を検出するトリガモードと、脅威物質を識別する識別モードで動作する。
2008533448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
前記基板への前記脅威物質の前記試料の付着と実質上時間的に一致して前記脅威物質を識別するステップとを含む方法。
【請求項２】
さらに、単一の照明源によって、前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記脅威物質を識別する前記ステップが、
前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して、前記基板上の前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析するステップと、
ラマン分光法を使用して、前記基板上の前記脅威物質によって発生した前記ラマン散乱光子を分析するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
さらに、ラマンスペクトルを少なくとも１つの基準ラマンライブラリスペクトルと比較して前記脅威物質を識別するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップがさらに、２０ｃｍ-1未満のスペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかでラマンスペクトルを生成するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップがさらに、２０ｃｍ-1未満のスペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかで多数の空間的に独立した画像チャネルを同時に生成するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析する前記ステップが、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器または高フレームレートデジタル検出器のうちの１つをフィードバック制御機構と組み合わせて使用し、前記基板上の前記脅威物質の前記画像に自動的に焦点を合わせるステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップが、波長可変フィルタ、帯域通過フィルタ、液晶波長可変フィルタ、干渉計、音響光学波長可変フィルタ及び分散光学素子からなるグループから選択される素子を、前記ラマン散乱光子が通過するようにして、複数の空間分解ラマンスペクトルを発生するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップが、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する線走査分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する多点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する一点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する面分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する単一のラマンスペクトルを発生する点分光計と、
の１つを、前記ラマン散乱光子が通過するようにするステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
さらに、光学系を使用して、前記弾性散乱光子及び前記ラマン散乱光子を収集するステップを含み、その際前記照明源を光学通路に沿って配置し前記基板を平面に沿って配置し、その際前記光学通路が前記基板平面に対して９０°以外の角度をなす、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在と、
の１つを検出するトリガモードで動作するステップと、
前記脅威物質を識別する識別モードで動作するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記トリガモードがトリガ期間を有し前記識別モードが識別期間を有し、その際前記トリガ期間が前記識別期間より短い、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記トリガモードで前記脅威物質の前記存在が検出されると前記識別モードを開始するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記識別モードでの動作中に、追加量の前記脅威物質を蓄積するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、前記トリガモードで前記脅威物質の前記存在が検出されると実質上同時に前記識別モードを開始するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板への前記脅威物質の超音波付着、エレクトロスプレー及び慣性衝突の１つを行うステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップがさらに、少なくとも５０個の粒子を前記基板に付着させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップがさらに、
密閉環境と、
外部環境と、
の１つから空気を収集するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記脅威物質が、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料からなるグループから選択される有害物質である、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記有害物質が化学物質である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記有害物質が生物毒素である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記有害物質が微生物である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記有害物質が細菌である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記有害物質が原生動物である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記有害物質がウイルスである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記有害物質が空気浮遊物質またはエアロゾル物質からなるグループから選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
前記基板への前記脅威物質の前記試料の付着と実質上時間的に一致して前記脅威物質を識別するステップとを含み、
前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記基板の前記試料を含む部分の非直線的な視野を分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器を使用するステップを含み、
前記分光計が、前記脅威物質の識別に適したラマンスペクトルを収集するために使用される方法。
【請求項２８】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記付着手段による前記基板への前記脅威物質の前記試料の付着と実質上時間的に一致して前記脅威物質を識別する手段を備えるシステム。
【請求項２９】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記付着手段による前記基板への前記脅威物質の前記試料の付着と実質上時間的に一致して前記脅威物質を識別する手段を備え、
前記識別手段が、分光計と、前記基板の前記試料を含む部分の非直線的な視野を前記分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器とを備え、
前記分光計が、前記脅威物質の識別に適したラマンスペクトルを収集するために使用されるシステム。
【請求項３０】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
単一の照明源によって、前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生するステップと、
前記基板上の前記脅威物質を識別するステップと、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在と、
の１つを検出するトリガモードで動作するステップと、
前記脅威物質を識別する識別モードで動作するステップとを含む方法。
【請求項３１】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップの前に行われる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を付着させる前記ステップの後で行われる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップと実質上時間的に一致して行われる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
単一の照明源によって、前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生するステップと、
前記基板上の前記脅威物質を識別するステップと、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在との、
１つを検出するトリガモードで動作するステップと、
前記脅威物質を識別する識別モードで動作するステップとを含み、
前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記基板の前記試料を含む部分の非直線的な視野を分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器を使用するステップを含み、
前記分光計が、前記脅威物質の識別に適したラマンスペクトルを収集するために使用される方法。
【請求項３５】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する単一の照明源と、
前記基板上の前記脅威物質を識別する手段とを備え、
前記システムが、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在と、
の１つを検出するトリガモードで動作し、
前記システムが前記脅威物質を識別する識別モードで動作するシステム。
【請求項３６】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する単一の照明源と、
前記基板上の前記脅威物質を識別する手段とを備え、
前記システムが、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在と、
の１つを検出するトリガモードで動作し、
前記システムが前記脅威物質を識別する識別モードで動作し、
前記識別手段が、分光計と、前記基板の前記試料を含む部分の非直線的な視野を前記分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器とを備え、
前記分光計が、前記脅威物質の識別に適したラマンスペクトルを収集するために使用されるシステム。
【請求項３７】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
前記基板上の前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して前記脅威物質によって発生した弾性散乱光子を分析することによって、前記基板上の前記脅威物質の付着を目視観察するステップとを含み、前記脅威物質を付着させる前記ステップが、前記脅威物質の付着を目視観察する前記ステップと実質上時間的に一致している方法。
【請求項３８】
前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子の前記分析がさらに、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器または高フレームレートデジタル検出器をフィードバック制御機構と組み合わせて使用し、前記基板上の前記脅威物質の前記画像に自動的に焦点を合わせることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
さらに、光学系によって前記弾性散乱光子を収集するステップであって、その際前記光学系を前記基板に対して位置決めし前記基板の位置に対して移動させて、前記基板上の前記脅威物質の前記画像に焦点を合わせるステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
さらに、モードスクランブルとフレーム平均化とによって照明源の干渉縞を除去することによって前記基板上の前記脅威物質の前記画像の画像コントラストを改善するステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
さらに、光学系を使用して、前記弾性散乱光子及び前記ラマン散乱光子を収集するステップを含み、その際前記照明源を光学通路に沿って配置し前記基板を平面に沿って配置し、その際前記光学通路が前記基板平面に対して９０°以外の角度をなす、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記基板上の前記脅威物質の付着を目視観察する前記ステップが分光計なしで行われる、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記脅威物質が、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料からなるグループから選択される有害物質である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記有害物質が化学物質である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
前記有害物質が生物毒素である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４６】
前記有害物質が微生物である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４７】
前記有害物質が細菌である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４８】
前記有害物質が原生動物である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４９】
前記有害物質がウイルスである、請求項３７に記載の方法。
【請求項５０】
前記有害物質が空気浮遊物質またはエアロゾル物質からなるグループから選択される、請求項３７に記載の方法。
【請求項５１】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記基板上の前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して前記脅威物質によって発生した弾性散乱光子を分析することによって、前記基板上の前記脅威物質の付着を目視観察する手段とを備え、前記付着手段が、前記基板上の前記脅威物質の前記画像の形成と実質上時間的に一致して前記脅威物質を付着させるシステム。
【請求項５２】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
単一の照明源によって、前記基板上の前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子を発生するステップと、
前記基板上の前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析することによって、前記基板上の前記脅威物質の付着を目視観察するステップとを含む方法。
【請求項５３】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を観察する前記ステップの前に行われる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を観察する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を付着させる前記ステップの後で行われる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を観察する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの後で行われる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子を発生する単一の照明源と、
前記基板上の前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析することによって、前記基板上の前記脅威物質の付着を目視観察する手段とを備えるシステム。
【請求項５７】
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
第１の光収集装置によって、
前記脅威物質によって発生した弾性散乱光と、
前記脅威物質によって発生したラマン散乱光と、
の少なくとも１つを収集するステップと、
第２の光収集装置によって、前記脅威物質によって発生したラマン散乱光を収集するステップであって、その際前記第２の光収集装置は、非直線的な視野を曲線視野に変換する１次元ファイバスタックに引き込まれる光ファイバの２次元非直線アレイを備え、前記１次元ファイバスタックがラマンイメージング分光計の入射スリットに結合されるステップと、
前記基板に付着した前記脅威物質を識別するステップとを含む方法。
【請求項５８】
さらに、単一の照明源によって、前記基板に付着した前記脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記脅威物質を識別する前記ステップが、
前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して、前記基板上の前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析するステップと、
ラマン分光法を使用して、前記基板上の前記脅威物質によって発生した前記ラマン散乱光子を分析するステップとを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
さらに、ラマンスペクトルを少なくとも１つの基準ラマンライブラリスペクトルと比較して前記脅威物質を識別するステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップがさらに、２０ｃｍ-1未満のスペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかでラマンスペクトルを生成するステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップがさらに、２０ｃｍ-1未満のスペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかで多数の空間的に独立した画像チャネルを同時に生成するステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記脅威物質によって発生した前記弾性散乱光子を分析する前記ステップが、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器または高フレームレートデジタル検出器をフィードバック制御機構と組み合わせて使用し、前記基板上の前記脅威物質の前記画像に自動的に焦点を合わせるステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップが、波長可変フィルタ、帯域通過フィルタ、液晶波長可変フィルタ、干渉計、音響光学波長可変フィルタ及び分散光学素子からなるグループから選択されるフィルタを、前記ラマン散乱光子が通過するようにして、複数の空間分解ラマンスペクトルを発生するステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６５】
前記ラマン散乱光子を分析する前記ステップが、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する線走査分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する多点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する一点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する面分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する単一のラマンスペクトルを発生する点分光計と、
の１つを、前記ラマン散乱光子が通過するようにするステップを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６６】
さらに、光学系を使用して、前記弾性散乱光子及び前記ラマン散乱光子を収集するステップを含み、その際前記照明源を光学通路に沿って配置し前記基板を平面に沿って配置し、その際前記光学通路が前記基板平面に対して９０°以外の角度をなす、請求項５９に記載の方法。
【請求項６７】
さらに、
前記脅威物質の存在と、
前記脅威物質の不在と、
の１つを検出するトリガモードで動作するステップと、
前記脅威物質を識別する識別モードで動作するステップとを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６８】
前記トリガモードがトリガ期間を有し前記識別モードが識別期間を有し、その際前記トリガ期間が前記識別期間より短い、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
さらに、前記トリガモードで前記脅威物質の前記存在が検出されると前記識別モードを開始するステップを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
さらに、前記識別モードでの動作中に、追加量の前記脅威物質を蓄積するステップを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７１】
さらに、前記トリガモードで前記脅威物質の前記存在が検出されると実質上同時に前記識別モードを開始するステップを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７２】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップと実質上一致して行われる、請求項５７に記載の方法。
【請求項７３】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップの前に行われる、請求項５７に記載の方法。
【請求項７４】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を付着させる前記ステップの後で行われる、請求項５７に記載の方法。
【請求項７５】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップと実質上時間的に一致して行われる、請求項５７に記載の方法。
【請求項７６】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板への前記脅威物質の超音波付着、エレクトロスプレー及び慣性衝突の１つを行うステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７７】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップがさらに、少なくとも５０個の粒子を前記基板に付着させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７８】
前記脅威物質を前記基板に付着させる前記ステップがさらに、
密閉環境と、
外部環境と、
の１つから空気を収集するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７９】
前記脅威物質が、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料からなるグループから選択される有害物質である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８０】
前記有害物質が化学物質である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８１】
前記有害物質が生物毒素である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８２】
前記有害物質が微生物である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８３】
前記有害物質が細菌である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８４】
前記有害物質が原生動物である、請求項５７に記載の方法。
【請求項８５】
前記有害物質がウイルスである、請求項５７に記載の方法。
【請求項８６】
前記有害物質が空気浮遊物質またはエアロゾル物質からなるグループから選択される、請求項５７に記載の方法。
【請求項８７】
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記脅威物質によって発生した弾性散乱光と、
前記脅威物質によって発生したラマン散乱光と、
の少なくとも１つを収集する第１の光収集装置と、
前記脅威物質によって発生したラマン散乱光を収集する第２の光収集装置であって、前記第２の光収集装置が、非直線的な視野を曲線視野に変換する１次元ファイバスタックに引き込まれる光ファイバの２次元非直線アレイを備え、前記１次元ファイバスタックがラマンイメージング分光計の入射スリットに結合される第２の光収集装置と、
前記基板に付着した前記脅威物質を識別する手段とを備えるシステム。
【請求項８８】
方法であって、
脅威物質の試料を基板に付着させるステップと、
光学通路に沿った照明源によって、前記脅威物質を複数の光子で照明し、前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子を発生するステップと、
光学系によって、前記脅威物質によって発生した弾性散乱光子、及び前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを収集するステップであって、前記照明源を光学通路に沿って配置し、前記基板を平面に沿って配置し、その際前記光学通路が前記基板平面に対して９０°以外の角度をなすステップと、
弾性散乱光子と、
前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子と、
の少なくとも１つに位相マスクを通過させることによって、前記光学系の被写界深度を拡大するステップとを含む方法。
【請求項８９】
さらに、
少なくとも部分的には前記位相マスクの出力に基づいて前記脅威物質を識別するステップを含む、請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記脅威物質を識別する前記ステップが、
前記脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して、前記弾性散乱光子を分析するステップと、
複数の空間分解スペクトルを発生する分光イメージングを使用して、前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析するステップとを備える、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
伝送された光子、反射された光子、放出された光子またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析する前記ステップが、
近赤外線と、
紫外線（ＵＶ）と、
中赤外線と、
の少なくとも１つのスペクトル範囲で動作し、複数の空間分解スペクトルを発生するステップを含む、請求項８９に記載の方法。
【請求項９２】
伝送された光子、反射された光子、放出された光子またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析する前記ステップが、
近赤外線イメージングと、
紫外線（ＵＶ）イメージングと、
中赤外線イメージングと、
ラマン散乱イメージングと、
蛍光と、
フォトルミネセンスと、
化学ルミネセンスと、
エレクトロルミネセンスイメージングと、
の１つに基づいて画像を収集するステップを含み、
前記近赤外線イメージング、紫外線（ＵＶ）イメージング、及び中赤外線イメージングが伝送モード及び反射モードの１つで動作する、請求項８９に記載の方法。
【請求項９３】
分光イメージングが、偏光顕微鏡法及び微分干渉コントラストイメージングの１つと共に行われる、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析する前記ステップがさらに、波長可変フィルタ、帯域通過フィルタ、液晶波長可変フィルタ、干渉計、音響光学波長可変フィルタ及び分散光学素子からなるグループから選択されるフィルタを、伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の前記少なくとも１つが通過するようにして、複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する、請求項８９に記載の方法。
【請求項９５】
前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の前記少なくとも１つを分析する前記ステップがさらに、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する線走査分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する多点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する一点分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解ラマンスペクトルを発生する面分光計と、
前記照明源によって照明された試料の体積に由来する単一のラマンスペクトルを発生する点分光計と、
の１つを、伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の前記少なくとも１つが通過するようにするステップを含む、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップと実質上一致して行われる、請求項８９に記載の方法。
【請求項９７】
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップが、前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップの前に行われる、請求項８９に記載の方法。
【請求項９８】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を付着させる前記ステップの後で行われる、請求項８９に記載の方法。
【請求項９９】
さらに、
前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップの前に前記基板の背景レベルを識別するステップを含み、その際前記基板上の前記脅威物質を識別する前記ステップが、前記脅威物質の前記試料を前記基板に付着させる前記ステップと実質上時間的に一致して行われる、請求項８９に記載の方法。
【請求項１００】
前記脅威物質が、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料からなるグループから選択される有害物質である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０１】
前記有害物質が化学物質である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０２】
前記有害物質が生物毒素である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０３】
前記有害物質が微生物である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０４】
前記有害物質が細菌である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０５】
前記有害物質が原生動物である、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０６】
前記有害物質がウイルスである、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０７】
前記有害物質が空気浮遊物質またはエアロゾル物質からなるグループから選択される、請求項８８に記載の方法。
【請求項１０８】
システムであって、
脅威物質の試料を基板に付着させる手段と、
前記脅威物質を光学通路に沿って複数の光子で照明し、前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子を発生する照明源と、
前記脅威物質によって発生した弾性散乱光子と、前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つとを収集する光学系であって、前記照明源を光学通路に沿って配置し、前記基板を平面に沿って配置し、その際前記光学通路が前記基板平面に対して９０°以外の角度をなす光学系と、
弾性散乱光子と、
前記脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子と、
の少なくとも１つを通過させることによって前記光学系の被写界深度を拡大する位相マスクとを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に、有害物質を検出及び識別するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、「生物学的ラマン静電検出識別（ＢｉｏＲＥＤＩ）センサの開発（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｒａｍａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ（ＢｉｏＲＥＤＩ）Ｓｅｎｓｏｒ）」という名称の、２００５年２月９日出願の米国特許出願第６０／６５１，３７５号の利益を主張する。
脅威物質の展開は、人間及び経済双方の健康に重大な脅威をもたらす。この脅威は、脅威物質の展開を検出する能力が制限されているため倍加している。先行技術の検出戦略は、脅威物質の検出及び識別のための個別の計装に依存している。浮遊物質を検出する従来の手段は、レーザー散乱法、紫外線レーザー誘起蛍光法（ＵＶ−ＬＩＦ）及びレーザー誘起放電分光法（ＬＩＢＳ）を含む、比較的非特異的な光学的及び分光的方法を含む。脅威物質を識別する従来の手段は、湿式化学法または分光法を含む。試薬に基づく生物脅威物質の識別は、特定の抗体、遺伝標識、培養による増殖といった方法を含む。極めて特異的であるが、こうした識別方法は時間がかかり、労働集約的で、コストも高くつく。分光手段は、識別のため、試薬に基づく識別法に対する代替案を提供し、質量分光測定法、赤外線分光法、ラマン分光法、及びイメージング分光法を含む。質量分光測定法は背景干渉に影響されやすいという制限がある。赤外分光法は低い感度を示す。ラマン分光法は、標準ラマン分光法、紫外線共振ラマン分光法、表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）及び非線形ラマン分光法を含む、いくつかの異なる構成で実現可能である。標準ラマン分光法は、浮遊物質を検出するために十分な感度及び特異性を実証したが、他の形態のラマン分光法は、不十分な感度、特異性またはシグネチャの堅牢性が不十分であるという欠点を有する。先行技術のイメージング分光法は、光学イメージングのための広帯域光源から、分光イメージングのための実質上単色の光源への切り換えが必要であるという制限がある。このため、検出と識別との間の期間が長くなり、その間に試料が劣化することがある。
【０００３】
本開示は、試料付着と同時に試料を検出及び識別する、ラマン分光法及びラマンイメージング分光法を使用した試薬を必要としないセンサを記述する。本開示のシステム及び方法はトリガモードまたは識別モードで動作できる。本開示は、単一の照明源を使用することによって、システム及び方法の複雑さを減少させるアプローチを記述する。
【発明の開示】
【０００４】
本開示は、脅威物質の試料を基板に付着させるシステム及び方法を提供する。基板への脅威物質の試料の付着と実質上時間的に一致して脅威物質を検出及び識別する。オプションで、基板の試料を含む部分の非直線的な視野を分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器を使用して、脅威物質の識別に適した空間分解ラマンスペクトルに変換する。
【０００５】
１つの実施形態では、単一の照明源によって、基板に付着した脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する。脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して基板上の脅威物質によって発生した弾性散乱光子を分析し、ラマン分光法を使用して基板上の脅威物質によって発生したラマン散乱光子を分析することによって、脅威物質の識別を行ってもよい。ラマンスペクトルを少なくとも１つの基準ラマンライブラリスペクトルと比較して脅威物質を識別してもよい。ラマン散乱光子の分析はさらに、２０ｃｍ-1未満のスペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかでラマンスペクトルを生成することを含んでもよい。ラマン散乱光子の分析はさらに、２０ｃｍ-1未満の全スペクトル分解能で約０ｃｍ-1〜約３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内で多数の空間的に独立した画像チャネルを同時に生成することを含んでもよい。
【０００６】
１つの実施形態では、脅威物質によって発生した弾性散乱光子の分析は、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器または高フレームレートデジタル検出器のうちの１つをフィードバック制御機構と組み合わせて使用し、基板上の脅威物質の画像に自動的に焦点を合わせることを含む。また、ラマン散乱光子の分析は、波長可変フィルタ、帯域通過フィルタ、液晶波長可変フィルタ、干渉計、音響光学波長可変フィルタまたは分散光学素子からなるグループから選択される素子を、ラマン散乱光子が通過するようにして、複数の空間分解ラマンスペクトルを発生することを含んでもよい。また、ラマン散乱光子の分析は、線走査分光計、多点分光計、一点分光計または面分光計の１つをラマン散乱光子が通過するようにすることを含んでもよい。
【０００７】
１つの実施形態では、光学系を使用して弾性散乱光子及びラマン散乱光子を収集し、その際前記照明源を光学通路に沿って配置し前記基板を平面に沿って配置し、その際光学通路または付着装置は基板平面に対して９０°以外の角度をなす。
【０００８】
１つの実施形態では、脅威物質を付着させ識別するシステム及び方法は、脅威物質の存在または不在を検出するトリガモードと、脅威物質を識別する識別モードとで動作する。トリガモードはトリガ期間を使用してもよく、識別モードは識別期間を使用してもよく、その際トリガ期間は識別期間より短い。１つの実施形態では、識別モードはトリガモードで脅威物質の存在が検出されると開始される。識別モードでの動作中に、追加量の脅威物質を蓄積してもよい。１つの実施形態では、識別モードは、トリガモードで脅威物質の存在が検出されると実質上同時に開始してもよい。
【０００９】
基板への脅威物質の付着は、基板への脅威物質の超音波付着、エレクトロスプレー及び慣性衝突を使用して達成してもよい。１つの実施形態では、基板への脅威物質の試料の付着は、少なくとも５０個の粒子を基板に付着させることを含む。基板への脅威物質の試料の付着は、密閉環境または外部環境から空気を収集することを含んでもよい。
【００１０】
脅威物質は、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料を含む有害物質でもよく、かつ／または浮遊粒子物質またはエアロゾル物質でもよい。
【００１１】
さらに別の態様によれば、本開示は、脅威物質の試料を基板に付着させるシステム及び方法を提供する。単一の照明源が、基板に付着した脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する。基板上の脅威物質を識別する。このシステム及び方法は、脅威物質の存在または不在を検出するトリガモードと、脅威物質を識別する識別モードとで動作する。オプションで、脅威物質を識別するため、基板の試料を含む部分の非直線的な視野を分光計の入射スリットに結合する曲線マップに変換するファイバアレイスペクトル変換器を使用する。
【００１２】
基板への脅威物質の試料の付着は、基板上の脅威物質の識別の前に行ってもよい。基板への脅威物質の付着の前に、基板の背景レベルを識別してもよい。この実施形態では、基板上の脅威物質の識別は、基板への脅威物質の試料の付着と実質上時間的に一致してかまたはその後に行われる。
【００１３】
さらに別の態様によれば、本開示は、脅威物質の試料を基板に付着させるシステム及び方法を提供する。基板上の脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して脅威物質によって発生した弾性散乱光子を分析することによって、基板への脅威物質の付着を目視観察し、その際脅威物質の付着は、脅威物質の付着の目視観察と実質上時間的に一致する。脅威物質によって発生した弾性散乱光子の分析は、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器または高フレームレートデジタル検出器をフィードバック制御機構と組み合わせて使用し、基板上の脅威物質の画像に自動的に焦点を合わせることを含んでもよい。光学系によって弾性散乱光子を収集してもよく、その際光学系を基板に対して位置決めし基板の位置に対して移動させて、基板上の脅威物質の画像に焦点を合わせる。モードスクランブルとフレーム平均化とによって照明源の干渉縞を除去することによって、基板上の脅威物質の画像の画像コントラストを改善してもよい。基板上の脅威物質の付着の目視観察は分光計なしで行われる。
【００１４】
さらに別の態様によれば、本開示は、脅威物質の試料を基板に付着させるシステム及び方法を提供する。単一の照明源が、基板上の脅威物質を複数の光子で照明し、弾性散乱光子を発生する。基板上の脅威物質の画像を形成する弾性散乱イメージングを使用して脅威物質によって発生した弾性散乱光子を分析することによって、基板への脅威物質の付着を目視観察する。
【００１５】
さらに別の態様によれば、本開示は、基板に付着した脅威物質の試料を識別するシステム及び方法を提供する。第１の光収集装置が、脅威物質によって発生した弾性散乱光、及び脅威物質によって発生したラマン散乱光の少なくとも１つを収集する。第２の光収集装置が、脅威物質によって発生したラマン散乱光を収集し、その際第２の光収集装置は、非直線的な視野を曲線マップに変換する１次元ファイバスタックに引き込まれる光ファイバの２次元非直線アレイを備え、曲線ファイバスタックはラマン分光計の入射スリットに結合される。ラマン分光法を使用して、基板に付着した脅威物質を識別する。
【００１６】
さらに別の態様によれば、本開示は、基板に付着した脅威物質の試料を識別するシステム及び方法を提供する。単一の照明源によって複数の光子で脅威物質を照明し、脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子を発生する。光学系は、脅威物質によって発生した弾性散乱光子、及び脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを収集し、その際前記照明源を光学通路に沿って配置し、前記基板を平面に沿って配置し、その際光学通路または付着装置は基板平面に対して９０°以外の角度をなす。弾性散乱光子、及び脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つに位相マスクを通過させることによって、光学系の被写界深度を拡大する。
【００１７】
本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本出願に組み入れられ本出願の一部を構成する添付図面は、本開示の実施形態を例示し、記載と合わせて本開示の原理を説明する役目を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ここで、添付図面中に例示される、本開示の実施形態を詳細に参照する。可能な限り、同一の参照符号が、全図を通じて同一または類似の部分を指すために使用される。
【００１９】
図１は、本開示の方法を実行するために使用し得るシステム１００を例示する。システム１００は、付着手段１０１及び検出手段１１３を含む。付着手段は、周囲環境１０２に開かれた吸気ポート１０４、収集機１０６、濃縮機１０８、試料１０９、付着基板１１０（例えば、コンパクトディスク）、基板平面１１１、及び基板位置決め機構１１２を含んでもよい。識別手段１１３は、第１の光学系１１４、オプションの位相マスク１１５、ビームスプリッタ１１６、第２の光学系１１７、光学通路１１９、弾性散乱画像検出器１１８、照明源１２２、ダイクロイックミラー１２０、ミラー１２４、分光検出器１２６、分光計１２７、及びスペクトルライブラリ１３０を有するプロセッサ１２８を備える。
【００２０】
図１に例示するように、試料は周囲環境１０２から収集され，その後濃縮される。試料は、浮遊粒子状物質またはエアロゾル物質を備えてもよい。周囲環境１０２は密閉環境及び外部環境を含む。密閉環境は、建造物、貯蔵容器、航空機、列車または他の大量輸送手段、及び人間の呼吸系を含む。密閉環境から空気を収集するため、システム１００は、空気を密閉空間に循環させる建造物、輸送手段または貯蔵容器の空気調整または暖房システムに接続される。
【００２１】
システム１００が収集及び識別する試料は脅威物質を含む。脅威物質は有害物質を備え、細菌、ウイルス、原生動物、生物毒素、真菌、化学物質、放射線材料、及び爆発材料を含む。細菌は、炭疽菌、バチルス、連鎖球菌、ブドウ球菌、大腸菌、エルウィニア属、及びシュードモナス属を含む。ウイルスは、天然痘、インフルエンザ及びエボラウイルスから選択される病原性ウイルスを含む。生物毒素はリシンを含む。有害物質とは、人間等の動物に疾患、障害、不快、苦痛、または死をもたらし得る何らかの物質である。
【００２２】
試料は多様な装置を使用して収集及び濃縮してよい。１つの実施形態では、空気を除去し試料を濃縮するバーチャルインパクタと組み合わせたエアロゾル収集機によって試料を収集する。第２の実施形態では、液体濃縮機と組み合わせたエアロゾル収集機を使用して試料を収集する。この収集及び濃縮処理は、収集用の空気の速度に応じて数分の１秒〜数分程度で行われる。その後、基板の表面に濃縮した試料を付着させる。慣性衝突、超音波付着、及びエレクトロスプレー付着を使用して基板の表面に試料を付着させればよい。
【００２３】
１つの実施形態では、超音波付着を使用して試料を基板に付着させる。１つの実施形態では、ウェットウォール型サイクロ（登録商標）ン収集機を使用してエアロゾル及び粒子状物質を収集してもよい。水貯蔵タンクを含むリザーバに接続可能な検体含有流体を使用して、検体含有流体を超音波ノズル液体入口ポートに提供してもよい。また、超音波ノズルは、基板表面に付着する液体を集束させるため圧縮空気入口を含んでもよい。超音波スプレー装置を使用して、同じ空間位置に対して複数回スプレーを塗布し、望ましい視野での検体濃度を増大してもよい。１つの実施形態では、本開示を実現するため、ニューヨーク州ミルトン（Ｍｉｌｔｏｎ）のソノテック社（Ｓｏｎｏ−Ｔｅｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が製造するもののような超音波スプレー装置を使用してもよい。
【００２４】
付着装置は、複数の試料粒子１０９を基板１１０に付着させる。１つの実施形態では、少なくとも１個の試料粒子を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも５０個の試料を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも約５０〜２５０個の試料粒子を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも約２５０〜２５００個の試料粒子を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも約２５００〜１０，０００個の試料粒子を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも約１０，０００〜１００，０００個の試料粒子を基板に付着させる。別の実施形態では、少なくとも約１００，０００〜１，０００，０００個の試料粒子を基板に付着させる。
【００２５】
図１をさらに参照すると、システム１００は、光学通路１１９に沿って方向付けられた単一の照明源１２２を使用して、試料を複数の光子で照明し、弾性散乱光子、または試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子を発生する。１つの実施形態では、照明源は、試料を複数の光子で照明し、弾性散乱光子及びラマン散乱光子を発生する。照明源は低出力レーザーを含む。カリフォルニア州サンタクララ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ）のコヒーレント社（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．）またはカリフォルニア州マウンテンビュー（Ｍｏｕｎｔａｉｎ  Ｖｉｅｗ）のニューポート社スペクトラフィジックス事業部（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｉｎｃ．）が製造する低出力レーザーが適切である。１つの実施形態では、照明源１２２の光学通路１１９は、２次元基板１１０によって定義される平面１１１から９０°以外の角度をなす。別の実施形態では、付着手段１０１は、２次元基板１１０によって定義される平面１１１から９０°以外の角度をなす。
【００２６】
図１をさらに参照すると、システム１００は第１の光学系１１４を有する。１つの実施形態では、光学系１１４は、試料によって発生した弾性散乱光子を収集する。第２の実施形態では、光学系１１４は、試料によって発生した弾性散乱光子及びラマン散乱光子を収集する。第３の実施形態では、光学系１１４は、試料によって発生した、弾性散乱光子、及び伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを収集する。
【００２７】
図１をさらに参照すると、システム１００は位相マスク１１５を含んでもよい。位相マスク１１５は、試料によって発生した、弾性散乱光子、及び伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つに位相マスク１１５を通過させることによって、光学系の被写界深度を拡大するために使用される。
【００２８】
システム１００の１つの実施形態は、第２の光学系であるファイバアレイスペクトル変換器（“ＦＡＳＴ”）を含んでもよい。図２を参照すると、ＦＡＳＴシステム２００は、第１のレンズ２０６、照明源２０８、第１のフィルタ２１０、第２のフィルタ２１２、第２のレンズ２１４、ファイバ束の第１の端部２１６、及び分光計２２０に接続されるファイバ束の第２の端部２１８を含む。第１のレンズ２０６は、照明源の焦点を試料２０４に合わせて、レーザー波長以外の波長の、弾性散乱光子以外の全ての光子を収集する。これは試料によって放出またはラマン散乱された光子を含む。試料によって伝送または反射された光子はレーザーと同じ周波数を有するのでフィルタ素子２１２によって阻止される。レンズ２０６は試料によって発生した光子を平行にして光子を無限に投影する。第２のレンズ２１４は第１のレンズ２０６と組み合わせて使用され、第２のレンズ２１４の最終焦点面に画像を形成する。ファイバ束の第１の端部２１６はファイバ束の２次元非直線アレイから構成される。ファイバ束の第２の端部２１８はファイバ束の、直線及び曲線の形状を含み得る曲線アレイから構成される。
【００２９】
本開示の１つの実施形態では、システム１００は、弾性散乱イメージング検出器１１８を利用して付着を目視観察し、試料によって発生した弾性散乱光子を分析することによって基板上の試料の画像を形成する。この画像を使用して、試料の付着密度、形態及び集束を評価する。１つの実施形態では、イメージング分光計がない場合、付着を目視観察するため弾性散乱イメージングを使用する。第２の実施形態では、システム１００は、試料を識別するため、弾性散乱イメージング検出器１１８を分光計１２７と組み合わせて利用する。１つの実施形態では、試料を識別するため、単一の低電力照明源を使用して、弾性散乱イメージング検出と分光識別とを同時に行う。
【００３０】
図１をさらに参照すると、弾性散乱イメージング検出器１１８は、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器及び高フレームレートデジタル検出器の１つから構成される。システムは、検出器１１８をフィードバック制御機構と組み合わせて使用して、集光レンズの下の試料に自動的に焦点を合わせる。１つの実施形態では、光学系１１４の集光対物レンズを基板の位置に対して移動させて、基板上の試料の画像に焦点を合わせる。分光計１２７は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＣＩＤ（電荷注入素子）、ダイオードアレイ、光電子増倍管（ＰＭＴ）、ＰＭＴアレイ、アバランシェフォトダイオードといった検出器を利用してもよい。
【００３１】
本開示の１つの実施形態では、試料の弾性散乱画像を検出器上に収集し、モードスクランブルとフレーム平均化とを使用して照明源の干渉縞を除去することによって画像のコントラストを改善し最終画像を生じる。図３Ａ及び図３Ｂは、本開示のシステムの１つの実施形態によって得られたヒト上皮細胞の弾性散乱画像を例示する。低電力レーザー源はヒト上皮細胞を照明し、高断面弾性散乱画像信号を生じる試料の弾性散乱画像を生成する。しかし、弾性散乱画像は通常、レーザー干渉縞の存在によってマスクされている。レーザー干渉縞はモードスクランブル及びフレーム平均化によって除去する。図３Ａに例示するように、画像取り込みのために利用した２０倍対物レンズの視野内の元来低コントラストな細胞オブジェクトの存在をマスクするレーザー干渉縞（すなわちスペックルパターン）が存在するため、ヒト上皮細胞は容易には観察できない。図３Ｂに例示するように、光ファイバを横断するモードをスクランブルし、単色レーザー光を有効にインコヒーレントにすることによって、細胞は容易に観察できるようになる。複数の画像を時間平均し、コヒーレントレーザースペックルパターンを有効に抑圧することによって細胞画像のコントラストを向上させる。図３Ｂの画像を得るため、１０枚の画像を各々３０フレーム／秒で収集した。
【００３２】
本開示の別の実施形態では、照明源１２２の光学通路１１９または付着手段１０１が２次元基板１１０によって定義される平面１１１から９０°以外の角度をなす時、光学系を使用して散乱光子を収集することによって、試料の弾性散乱画像を得る。１つの実施形態では、基板の平面の軸から６０°ずれた、弾性散乱光子を収集する対物レンズを操作することによってこれを達成する。この実施形態は有限の対象矩形領域に焦点を合わせるが、この対象領域は対物レンズの視野より小さい。焦点の外れた対象領域を補償するため、拡張焦点深度（“ＥＤＦ”）光学補償を使用して、顕微鏡対物レンズの全視野にわたる画像をイメージングしてもよい。ＥＤＦを実現するため、弾性散乱画像収集光学通路に位相マスクを配置して、点広がり関数（“ＰＳＦ”）が焦点外れの影響を受けにくく、通過帯域内にゼロ値の領域が存在しない光学的伝達関数（“ＯＴＦ”）を形成するような形でインコヒーレント光学系を修正する。ＯＴＦがゼロの領域を有さないので、デジタル処理を使用してサンプリングされた中間画像を「復元」することができる。さらに、ＯＴＦは焦点外れの影響を受けにくいので、同じデジタル処理によって焦点外れの全ての値を復元する。この複合光学／デジタル系は、回折限界ＰＳＦと同等だが、それよりはるかに広い焦点領域にわたるＰＳＦを発生する。通常、ＤＯＦを８倍増大することが可能である。
【００３３】
別の実施形態では、システム１００は、試料を識別するため、分光計１２７を弾性散乱イメージング検出器１１８と組み合わせて使用する。脅威物質によって発生した弾性散乱光子を弾性散乱イメージングを使用して分析し、基板上の試料の画像を生じる。１つの実施形態では、分光法を使用して、試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析するため、分光計を使用する。別の実施形態では、複数の空間分解スペクトルを発生する分光イメージングを使用して、試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析するため、分光計を使用する。分光計は、紫外線（ＵＶ）、可視光線、近赤外線、及び中赤外線の１つかそれ以上のスペクトル範囲で動作するものでよい。分光計は、伝送または反射何れかのモードの紫外線、可視光線、近赤外線または中赤外線吸収イメージング、ラマン散乱イメージング、蛍光、フォトルミネセンス、化学ルミネセンス、及びエレクトロルミネセンスイメージングといった検出様式に基づいて画像を収集するように動作してもよい。分光計は、偏光顕微鏡法及び／または微分干渉コントラストイメージングと共に動作してもよい。試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子はフィルタを通過し、複数の空間分解スペクトルを発生する。フィルタは、波長可変フィルタ、帯域通過フィルタ、液晶波長可変フィルタ、干渉計、音響光学波長可変フィルタまたは分散光学素子でもよい。伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子は、線走査分光計、多点分光計、一点分光計または面分光計でもよい分光計を通過してもよい。１つの実施形態では、分光計をイメージングモードで使用して、照明源によって照明された試料の体積に由来する複数の空間分解スペクトルを発生してもよい。別の実施形態では、イメージングモードで収集された全てのスペクトルを合計することによって分光計を非イメージングモードで使用して、照明源によって照明された試料の体積に由来する複合スペクトルを形成してもよい。別の実施形態では、分光計を非イメージングモードで使用して、照明源によって照明された試料の体積に由来する複合スペクトルを収集してもよい。
【００３４】
１つの実施形態では、分光計は、試料によって発生したラマン散乱光子を分析するラマンイメージング分光計を含む。１つの実施形態では、ラマンイメージング分光計は、２０ｃｍ-1未満の全スペクトル分解能で０〜３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内のどこかでラマンスペクトルを生成する。１つの実施形態では、ラマンイメージング分光計は、２０ｃｍ-1未満の全スペクトル分解能で０〜３５００ｃｍ-1のラマンシフト範囲内の１０００までの多数の空間的に独立したスペクトルを同時に取り込む。１つの実施形態では、分光計はラマン線イメージング分光計を備える。別の実施形態では、分光計は分散ラマンイメージング分光計を備える。
【００３５】
１つの実施形態では、分光計をファイバアレイスペクトル変換器と組み合わせて使用して、試料を識別する。図４を参照すると、卵白アルブミン（“Ｏｖａ”）とディーゼル煤煙（“ＤＳ”）から構成される試料の物理的混合物から、ケムイメージ（ＣｈｅｍＩｍａｇｅ）社のＦＡＬＣＯＮ  ＩＩラマン顕微鏡上で複数のラマンスペクトルを収集した。コヒーレント光ファイバ束（ＦＡＳＴ）を使用して、試料から収集した空間分解ラマンスペクトルを、ＦＡＳＣＯＮ  ＩＩの分散ラマン分光計の入射スリットにマッピングした。ＦＡＳＴを使用して、画像の円形の視野を曲線形に変換し、それが分光計の入射スリットにマップされる。このアプローチの利点には、空間またはスペクトル走査機構の必要なしに、完全なラマン画像スペクトルハイパーキューブを素早く収集できることが含まれる。レーザーを再位置決めする必要なしに、広い視野内の多数のラマンスペクトルを取り込みできるので、蛍光フォトブリーチング時間を最小化することができる。さらに、空間分解ラマンスペクトルは試料混合物の局所的な不均一性をマッピングするので、焦点を絞った検査に基づくスペクトルアンミキシングが可能になる。その結果、信号対雑音比の十分な低減が達成されれば、試料混合物は実時間で分析される。図４Ａは、倍率１００倍の対物レンズ下のＯｖａ／ＤＳの光画像を例示する。図４Ｂは、混合物試料の平均レスポンスを表す分散ラマンスペクトルを例示し、図４Ｃは、ＦＡＳＴを使用して試料から収集した７つの空間分解分散ラマンスペクトルを例示する。図４Ｄは、分光計の焦平面で収集した分散ラマンスペクトル画像を例示する。ｙ軸に沿った７つの独立空間チャネル画像と焦平面のｘ軸に沿ったラマンスペクトルが明瞭に見られる。
【００３６】
また別の実施形態では、システム１００は位相マスク１１５を利用して、光学系の被写界深度を拡大する。この実施形態では、試料１０９を基板１１０に付着させる。光学系１１９に沿った照明源１１２によって、弾性散乱光子を発生する複数の光子及び、試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つで試料を照明する。試料は脅威物質を備えてもよい。光学系は、試料によって発生した弾性散乱光子、及び脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを収集する。照明源１２２を光学通路１１９に沿って配置し、前記基板１１０を平面１１１に沿って配置するが、その際光学通路１１９は基板平面１１１に対して９０°以外の角度をなす。別の実施形態では、付着手段１０１を基板平面１１１に対して９０°以外の角度に配置する。弾性散乱光子、及び脅威物質によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つが位相マスク１１５を通過するようにして、光学系の被写界深度を拡大する。（１）試料の画像を形成する弾性散乱イメージング１１８の使用により弾性散乱光子を分析し、（２）複数の空間分解スペクトルを発生する分光イメージング１２６の使用により、試料によって伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子の少なくとも１つを分析することによって、少なくとも部分的には位相マスク１１５の出力に基づいて試料を識別する。伝送、反射、放出またはラマン散乱された光子はフィルタを通過して、複数の空間分解スペクトルを発生する。試料の付着と識別は実質上互いに時間的に一致して行われる。すなわち付着は識別の前に行われ、背景識別の後付着が続くが、付着は実質上識別と同時またはその前に行ってもよい。
【００３７】
本開示の方法は、試料の付着、目視観察及び識別を準備する。１つの実施形態では、試料を基板の表面に付着させるのと実質上時間的に一致して試料を目視観察し識別する。最初の粒子を付着させてから、イメージング分光計による試料の検出及び識別を可能にする測定可能な信号を生成するのに十分な粒子密度の試料を付着させるまでの数分の１秒にわたって付着処理が行われる。本開示のシステムが実証したところによれば、ラマンイメージング分光計による試料の目視観察及び識別に十分な測定可能な信号は、照明源による照明後わずか１０秒で観察することができる。１つの実施形態では、観察及び識別に必要な粒子密度は、５分間の識別モードの場合検出器の視野内で２０個の試料粒子が基板に付着していることである。別の実施形態では、十分な粒子密度はわずか１個の試料粒子が基板に付着していればよい。バイオエアロゾルの場合、試料は個別の胞子または細胞または細胞の集合体として発生する。単一の細胞は測定可能なラマン信号を生成するが、その際測定可能な信号を生成するラマン処理のための期間は、照明源による照明後数フェムト秒以内に開始される。従って、単一の細胞の付着、観察及び識別は瞬間的であると考えられる。
【００３８】
本開示の方法で使用されるシステム１００は、脅威物質の付着及び識別を準備する。好適実施形態では、粒子試料の付着は、粒子試料の識別と実質上一致して行われる。本出願の目的で、実質上一致という用語は、付着及び識別処理の間、理想的には試料基板を付着装置、または検出装置に対して再位置決めする必要なしに、試料の付着が試料の識別とほぼ同じ期間に行われることを意味する。１つの実施形態では、試料を照明源が連続して照明するという条件下では、基板に検体を付着させてから識別するまでの時間はわずか１０秒である。別の実施形態では、粒子試料の識別は試料の付着の後行われる。別の実施形態では、試料基板の背景レベル測定が行われ、その後、試料の識別と実質上一致してかまたはその前に、試料の付着が行われる。
【００３９】
別の実施形態では、本開示の方法で使用されるシステム１００は、脅威物質の付着及び目視観察を準備する。好適実施形態では、粒子試料の付着は、粒子試料の目視観察と実質上一致して行われる。本出願の目的で、実質上一致という用語は、付着及び観察処理の間、理想的には試料基板を付着装置、または検出装置に対して再位置決めする必要なしに、試料の付着が試料の観察とほぼ同じ期間に行われることを意味する。１つの実施形態では、試料を照明源が連続して照明するという条件下では、基板に検体を付着させてから観察するまでの時間はわずか１０秒である。別の実施形態では、粒子試料の観察は試料の付着の後行われる。別の実施形態では、試料基板の背景レベル測定が行われ、その後、試料の観察と実質上一致してかまたはその前に、試料の付着が行われる。
【００４０】
システム１００は、トリガモードまたは識別モードで動作できる。トリガモードは、脅威物質の存在及び脅威物質の不在を検出する。トリガモードはトリガ期間を有する。トリガ期間は数分の１秒〜約６０秒の範囲でよい。脅威物質の濃度が高い場合、トリガ期間は実質上瞬間でよい。１分以下のトリガサイクル時間で、環境を動的にサンプリングして、脅威の到来を監視し極めて変わりやすい背景条件を管理することができる。
【００４１】
識別モードは、脅威物質を識別し、識別時間を有する。１つの実施形態では、トリガ期間は識別期間より短い。別の実施形態では、識別モードは、トリガモードで脅威物質の存在が検出されると開始される。別の実施形態では、識別モードは、トリガモードで脅威物質の存在が検出されると実質上同時に開始される。別の実施形態では、システムが識別モードで動作している間に、追加量の試料が蓄積される。
【００４２】
トリガモードが開始されると、システム１００は、システムソフトウェアの下で確認モードに切り換わる。確認モードでは、イメージングシステムが連続５分間試料を探索する間、追加粒子の収集及び付着が続けられる。試料の移動または試料の位置合わせは必要ない。トリガモードから確認モードへの移行は瞬間的である。確認時間の間、連続収集により全ての粒子が検査される。
【００４３】
また、システム１００は、動作のモードと試料の識別を決定するプロセッサ１２８を含む。システム１００がトリガモードまたは確認モードで動作する時、プロセッサは異なるアルゴリズムを利用する。１つの実施形態では、アルゴリズムは、定誤警報率アルゴリズムを含む。他のアルゴリズムは、焦点を絞った検査、ベイズのアプローチ、及びマハラノビス距離に基づく整合フィルタのアプローチを含む。試料識別のアプローチは、各々その全体を引用によって本出願の記載に援用する、「スペクトル分析の成分識別の方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｏｆ  ａ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）」という名称の２００４年３月２９日出願の米国特許出願第１０／８１２，２３３号、「多様式検出の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」という名称の２００５年７月１４日出願のＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０５／０１３０３６号、及び「フォレンジック統合検索技術（ＦＩＳＴ）（Ｆｏｒｅｎｓｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｅａｒｃｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＦＩＳＴ））」という名称の２００５年７月９日出願の米国特許仮出願第６０／６８８，８１２号で開示されている。
【００４４】
試料を識別するため、イメージング分光計によって発生した複数の空間分解スペクトルを少なくとも１つの基準ライブラリスペクトルと比較して脅威物質を識別する。１つの実施形態では、複数の空間分解ラマンスペクトルを少なくとも１つの基準ラマンライブラリスペクトルと比較して脅威物質を識別する。
【００４５】
１つの実施形態では、プロセッサ１２８は焦点を絞った検査を利用して、自動化された形で、シグネチャをアンミキシングし、測定された混合物のスペクトルを、純粋成分のシグネチャライブラリを基準として検索する。焦点を絞った検査に基づくスペクトルアンミキシングは、主成分分析（“ＰＣＡ”）を使用して混合物の空間を特徴付け、混合物のデータ空間への適合度を定量化することでライブラリスペクトルを等級付けし、焦点を絞った検査によって混合物試料中に存在する純粋スペクトルの数と識別情報を決定することによって、混合物のスペクトルを純粋成分のライブラリスペクトルと比較する。
【００４６】
図４をさらに参照すると、ユークリッド距離（ＥＤ）整合フィルタ識別子アルゴリズムを使用して試料をディーゼル煤煙として分類した。ＥＤアルゴリズムは、試料を純粋成分であると想定したが、これは不正確な想定であった。焦点を絞った検査によるスペクトルアンミキシングアルゴリズムを使用して空間分解分散ラマンスペクトルを分析すると、ラマンスペクトルの類似性から見て、混合物試料は、Ｏｖａと、ＤＳとフミン酸から構成される種類の炭素を含む材料とから構成されるものとして正しく分類された。
【００４７】
焦点を絞った検査によるアルゴリズムは以下の大まかなステップを含む。
１．混合物のスペクトルに対してＰＣＡを使用して混合物のデータ空間を特徴付ける。
２．各ライブラリスペクトルが混合物のデータ空間に対してなす投射角を計算する。ｎ次空間とのベクトルのドット積。ドット積が１．０であることは、データ空間に完全に適合していることを表す。
３．混合物のデータ空間への投射角によって全てのライブラリスペクトルを等級付けする。
４．角度による等級付けにおいて適合度が最も高いものの全ての順列を検討する。ｎ個の最も有望な純粋成分の候補を決定する。ｍ個の成分のあり得る全ての解を生成するが、ここでｍは１からｎまでの間で変化し、所与の解におけるライブラリスペクトルの数である。
５．各候補解について相関係数を計算する。（既知の混合物のスペクトルと既知のライブラリスペクトルについて）ｍ個の成分のライブラリスペクトルの各組について投影されたライブラリスペクトルを計算する。投影されたライブラリスペクトル各々と実際のライブラリスペクトルとの相関係数を計算する。選択基準として使用される相関係数は、所与のｍ個の成分の解の各要素についてのドット積の２乗の和の平方根である。
６．最尤解は最も高い相関係数を有する解である。
【００４８】
焦点を絞った検査によるアルゴリズムは、脅威物質、近傍物質、及び脅威物質の成長または準備条件及び試料の履歴と無関係なクラッタの間の区別をサポートするラマンシグネチャライブラリを必要とする。脅威物質のラマンスペクトルは、成長条件の影響を極めて受けやすいあるスペクトル帯と、成長条件の影響を比較的受けにくいその他のスペクトル帯とを含む。検出及び識別アルゴリズムは、物質の弁別を最大化するが、成長条件に対する感受性を最小にするスペクトル帯に焦点を絞る。このため、生物学的要因による不要な変動へのシグネチャライブラリの依存を最小化することができる。
【００４９】
図１をさらに参照すると、システム１００は、付着基板１１０と基板位置決め機構１１２を含む。基板１１０は、所定の部位での複数の試料の付着を準備するものである。基板１１０は、コンパクトディスク（“ＣＤ”）形状または何らかの同様の円形または非円形の、実質上扁平な表面の金属または非金属を含む。基板１１０は、基板へのラマンレーザーの自立的な焦点合わせを可能にするものである。１つの実施形態では、基板は、標準的な直径１２０ｍｍのＣＤ上に約１，８００個の試料を収集できる基板のための標準オーディオＣＤの寸法を含む。また、システム１００は、２５枚の基板を保持し、３０日分のサンプリング、すなわち基板１枚当たりの試料数が１，８００個の時３０日間で収集される４３，８００個の試料のサンプリングをサポートすることのできる格納ユニットを含む。この概念は、３０日間の動作後容易に取り出して交換できるカートリッジ内に基板ディスクを供給することである。格納システムは、例えば、時間、日付、センサの設定といったデータ収集時点の条件、及び試料の再配置についてアーカイブした試料の記録を取るマーキング技術を含む。基板位置決め装置１１２は、方向性直線運動と回転可変運動との２自由度を有するモーションステージを含む。基板位置決め装置１１２の運動は、螺旋軌跡、同心円軌跡、または直線軌跡の試料の付着を生じる。基板は、機械的衝撃／振動、湿気、及び付着スポットの安定性を劣化させ得る物理化学的作用から付着スポットの弾性を保護するよう設計した格納システムに格納する。
【実施例】
【００５０】
図５は、ラマンイメージング分光法検出技術の推定感度を例示する。このグラフは、トリガ及び確認両方の検出モードでの、システム１００の推定信号対雑音比（“ＳＮＲ”）をバイオエアロゾルの濃度と対照させている。ケムイメージ（ＣｈｅｍＩｍａｇｅ）社のラマンシステム性能モデルを使用して推定を行った。
【００５１】
図５に示すように、検出時間（“Ｔd”）が増大するとＳＮＲが向上するため検出感度も向上する。トリガ検出モードでは、細胞８００粒子／リットル（ＰＰＬ）のＬＯＤが達成できると推定される。確認検出モードでは、細胞１００ＰＰＬのＬＯＤが達成できる。ＬＯＤは、９０％を越える検出確率（“Ｐd”）、指定されたＴd及び確定した誤警報確率（“Ｐfa”）での、再現可能な形で検出可能な生物脅威の最小濃度として定義される。許容可能な誤警報率は動作要求によって決定される。しかし、トリガ検出モード（Ｔd−３０秒、Ｐd＞９０％）では、許容可能な誤警報のレベルは５回／日（Ｐfa−１．７×１０3）を想定した。確認モード（Ｔd−３００秒、Ｐd＞９０％）では、必要なＰfaは１回／月（Ｐfa−１．１×１０4）である。図５に示す較正曲線はラマン検出ＳＮＲ性能モデルを使用して生成する。
【００５２】
本開示は、本開示の精神または本質的属性から逸脱することなく他の特定の形態で実施してもよい。従って、本開示の範囲を示すものとしては、上記の明細書ではなく、添付の請求項を参照すべきである。上記の説明は本開示の好適実施形態に関するものであるが、他の変形及び修正も当業者には明らかであり、本開示の精神または範囲から逸脱することなく実施可能であることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本開示に関連して使用するシステムを例示する。
【図２】本開示のシステムで使用する装置を例示する。
【図３】本開示のシステム及び方法によって発生した弾性散乱画像を例示する。
【図４】本開示のシステム及び方法を使用したラマンイメージング分析を例示する。
【図５】本開示のシステム及び方法を使用した検出及び識別の推定感度を例示する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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