(57)【要約】   微粒子検出器は、自然環境流動体を収容するための約2 mmを超えない断面サイズであるサンプル領域と、該サンプル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気又は水を通過するように指向し、それにより空中又は水中に存在する種々の粒子により光線の一部を散乱せしめる一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、サンプル領域の反対の側にあって光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光する光線遮光装置とからなる。該検出器は、各パルスが粒子のサイズに比例する高さを有する出力パルスを生成する検出器と、ある与えられた時点のサンプル中で検出される空中又は水中浮遊微粒子のサイズ分布を得るためのパルス高判別器とからなる。該検出器はまた、生物体と無機物質との間での分別をなすための装置を含む。【選択図】図１１
2008508527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約2 mmを超えない断面サイズである空気サンプル用セル領域を有している外部筐体と、
空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気を通過するように当てて、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズの粒子により光線の一部を様々な角度に散乱せしめる一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
空気サンプル用セル領域の反対の側にある光線遮光装置であって、光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光する光線遮光装置と、
コントロール用電気回路を備え且つ光線遮光装置の下流側の光路中に位置している第一の検出器であって、散乱光の一部を検出し、ある所定サイズの範囲内にあり且つ光路中に存在している粒子の数についての情報を含んでいる出力を生成する第一の検出器と
を備えていることを特徴とする空中浮遊微粒子検出システム。
【請求項２】
(a) 所定サイズの範囲内にある粒子の数が、そのサイズの範囲内の所定の通常レベルを超過した場合に警告のシグナルを与えるための警報ユニット、そして好ましくはおおよそ1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出粒子の数がある所定レベルを超過した場合に該警報ユニットは警告のシグナルを生成するもの、
(b) パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを生成し、且つ、出力装置に該ヒストグラムを表示するもの、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線遮光装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び／又は、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出す警報装置を備えており、及び／又は、好ましくは該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル領域と該光線遮光装置との間に位置している透光性の仕切りスライド、そして好ましくは該仕切りスライドは該筐体に取り外し可能に装着せしめられているもの、
(e) 該光源はレーザを有しているものである、
(f) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、及び
(g) 該光源は光の形状を整えたりするため及び／又は当該光線からノイズを除くための光学式レンズを有しているものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
空気サンプル用セルを有している外部筐体と、
空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気を通過するように当てて、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズの粒子により光線の一部を様々な角度に散乱せしめる一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
空気サンプル用セル領域の反対の側にある光線遮光装置であって、光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光する光線遮光装置と、
光線遮光装置の下流側の光路に位置している第一の検出器であって、散乱光の一部を検出し、出力パルスを生成し、それぞれのパルスは微粒子のサイズに比例したパルス高を有しているものと、そして
ある与えられた時点の空気サンプル中で検出された空中浮遊微粒子のサイズの分布を取得するパルス高判別器と
を備えていることを特徴とする空中浮遊微粒子検出システム。
【請求項４】
(a) 所定サイズの範囲内にある粒子の数が、そのサイズの範囲内の所定の通常レベルを超過した場合に警告のシグナルを与えるための警報ユニット、そして好ましくはおおよそ1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出粒子の数がある所定レベルを超過した場合に該警報ユニットは警告のシグナルを生成するもの、
(b) パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを生成し、且つ、出力装置に該ヒストグラムを表示するもの、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線遮光装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すものを備えており、及び／又は、好ましくは該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル領域と該光線遮光装置との間に位置している透光性の仕切りスライド、そして好ましくは該仕切りスライドは該筐体に取り外し可能に装着せしめられているもの、
(e) 該光源はレーザを有しているものである、
(f) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、及び
(g) 該光源は光の形状を整えたりするため及び／又は当該光線からノイズを除くための光学式レンズを有しているものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
自然環境の空気中のおおよそ 1 〜 7 μmのサイズの範囲の空中浮遊微粒子を検出するための検出装置であって、該検出装置は
約2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セル中の自然環境の空気のサンプルを通過するように収束光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を散乱されないままとし、該光線の第二の部分を該空気サンプルに存在する種々のサイズの微粒子により様々な角度に散乱し、そして該散乱角度及び散乱断面が粒子のサイズに依存したものとなるようにする光源と、
ある所定サイズの範囲内にある微粒子により散乱された光に相当する光線のある所定部分を該光線の残部より分離し、光路に沿うように該光線の分けられた部分を指向するための光線分離装置と、
該光路に位置している第一の検出器であって、それは該光線の分けられた部分を検出し、そしてある所定サイズの範囲内にあり且つ光路中に存在している粒子の数についての情報を含んでいる対応する出力シグナルを生成するための第一の検出器と
を備えていることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
(a) 該検出器の出力に繋がっているコントロールユニットであって、おおよそ 1 〜 7 μmのサイズの範囲の中にある微粒子の検出数がある所定値を超えると警告のシグナルを出すもの、
(b) 該検出器の出力に繋がっているパルス高判別器であって、パルスの高さに基づいて、該検出器からの出力パルスを分離して計数するパルス高判別器、該パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを包含する出力を生成するプロセス処理ユニット、及び、該プロセス処理ユニットの出力に繋がっている表示装置であって、該粒子サイズの分布のヒストグラムを表示する表示装置、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線分離装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すものを備えており、及び／又は、好ましくは該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器の出力は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 光線の散乱されない部分の光路にある光線分離装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、
(e) 該サンプル領域と該光線分離装置との間に位置している透光性の仕切りスライド、
(f) 該光源はレーザを有しているものである、
(g) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
約 2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セルにある自然環境の空気のサンプルを通過するように光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を該サンプル中に存在する微粒子により散乱せしめる一方、該光線の第二の部分を散乱されないままにしておく処理、
該空気サンプルを通過した光線の両方の部分を受け取り、光線遮光装置に該光線の部分を指向せしめる処理、
該光線遮光装置の所で該光線の少なくとも第二の部分を遮光せしめ、該光線の第一の部分の少なくとも一部を第一の検出器に指向せしめる処理、
該第一の検出器からの電気パルス出力のパルス高を測定する処理、
ある所定時間間隔でそれぞれのパルス高を有するパルスの数を計数する処理、
及び
該パルス高を粒子のサイズに変換する処理
をすることを特徴とする空中浮遊微粒子検出法。
【請求項８】
(a) 1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出パルスの数が超過した場合に警告のシグナルを生成すること、
(b) それぞれの粒子サイズに関するパルスの数のデータを該検出粒子サイズの分布のヒストグラムに変換し、出力表示装置に該ヒストグラムを表示し、そして該変換を繰り返し行って新たな空気サンプルにつきある所定間隔で処理を表示すること、
(c) 知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布と該ヒストグラムとを比較し、該検出された分布が知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布のいずれかに合致した場合に警報を発生すること、
(d) 該サンプル領域を通過するように空気を連続的に吹き付けて周囲の領域の変化する状態をモニターすること、
(e) 該光線の第二の部分の少なくとも一部を第二の検出器に反射し、該第二の検出器の出力を光源の出力のパワーの低下を検出するためのパワーモニターに接続し、該光源のパワーがある所定レベルより低下した場合に警告のシグナルを出すこと、
(f) 該サンプル領域と該光線遮光装置との間の透光性の仕切りスライドを塵埃が光学式部品の中に入ってしまうのを防止するように配置すること、
という構成又は処理の一つ以上のものをさらに有していることを特徴とする請求項７記載の検出法。
【請求項９】
約2 mmを超えない断面サイズである水サンプル用セル領域を有している外部筐体と、
水サンプル用セル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気を通過するように指向せしめ、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズの粒子により光線の一部を様々な角度に散乱せしめ、一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
水サンプル用領域の反対の側にある光線遮光装置であって、光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光し、該散乱光の少なくとも一部を光路に沿うように指向せしめる光線遮光装置と、
光線遮光装置の下流側の光路中に位置している検出器であって、該光線遮光装置により該検出器に指向せしめられた光を検出し、出力パルスを生成し、それぞれのパルスは微粒子のサイズに比例した高さを有しているものである検出器と、
ある与えられた時点の空気サンプル中で検出された空中浮遊微粒子のサイズの分布を取得するためのパルス高判別器と
を備えていることを特徴とする水中浮遊微粒子検出システム。
【請求項１０】
(a) 所定サイズの範囲内にある粒子の数が、そのサイズの範囲内の所定の通常レベルを超過した場合に警告のシグナルを与えるための警報ユニット、そして好ましくはおおよそ1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出粒子の数がある所定レベルを超過した場合に該警報ユニットは警告のシグナルを生成するもの、
(b) パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを生成し、且つ、出力装置に該ヒストグラムを表示するもの、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線遮光装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すもの、及び／又は、好ましくは該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル用セルは入口と出口を有しており、当該出入口には水密性接続具を備えてあり、好ましくは該水密性接続具が取り外し可能なものである、
(e) 該光源はレーザを有しているものである、及び
(f) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
約2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セル中の水と空気のサンプルを通過するように収束光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を散乱されないままとし、該光線の第二の部分を該水サンプルに存在する種々のサイズの微粒子により様々な角度に散乱し、そして該散乱角度及び散乱断面が粒子のサイズに依存したものとなるようにする光源と、
ある所定サイズの範囲内にある微粒子により散乱された光に相当する光線のある所定部分を該光線の残部より分離し、光路に沿うように該光線の分けられた部分を指向するための光線分離装置と、
該光路に位置している検出器であって、それは該光線の分けられた部分を検出し、そしてある所定サイズの範囲内にあり且つ光路中に存在している粒子の数についての情報を含んでいる対応する出力シグナルを生成するための検出器と
を備えていることを特徴とする水中にあるおおよそ 1 〜 20 μmのサイズの範囲の水中浮遊微粒子を検出するための検出装置。
【請求項１２】
(a) 該検出器の出力に繋がっているコントロールユニットであって、おおよそ 1 〜 20 μmのサイズの範囲の中にある微粒子の検出数がある所定値を超えると警告のシグナルを出すもの、
(b) 該検出器の出力に繋がっているパルス高判別器であって、パルスの高さに基づいて、該検出器からの出力パルスを分離して計数するパルス高判別器、該パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを包含する出力を生成するプロセス処理ユニット、及び、該プロセス処理ユニットの出力に繋がっている表示装置であって、該粒子サイズの分布のヒストグラムを表示する表示装置、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線分離装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すもの、及び／又は、好ましくは該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器の出力は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル領域と該光線分離装置との間に位置している透光性の仕切りスライド、
(e) 該光源はレーザを有しているものである、
(f) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
約 2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セルにある自然環境の水のサンプルを通過するように光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を該サンプル中に存在する微粒子により散乱せしめる一方、該光線の第二の部分を散乱されないままにしておく処理、
該空気サンプルを通過した光線の両方の部分を受け取り、光線遮光装置に該光線の部分を指向せしめる処理、
該光線遮光装置の所で該光線の少なくとも第二の部分を遮光せしめ、該光線の第一の部分の少なくとも一部を第一の検出器に指向せしめる処理、
該第一の検出器からの電気パルス出力のパルス高を測定する処理、
ある所定時間間隔でそれぞれのパルス高を有するパルスの数を計数する処理、
及び
該パルス高を粒子のサイズに変換する処理
をすることを特徴とする水中浮遊微粒子検出法。
【請求項１４】
(a) 1 〜 20μmのサイズの範囲内の検出パルスの数が超過した場合の警告のシグナル、
(b) それぞれの粒子サイズに関するパルスの数のデータを該検出粒子サイズの分布のヒストグラムに変換し、出力表示装置に該ヒストグラムを表示し、そして該変換を繰り返し行って新たな空気サンプルにつきある所定間隔で処理を表示すること、
(c) 知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布と該ヒストグラムとを比較し、該検出された分布が知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布のいずれかに合致した場合に警報を発生すること、
(d) 該サンプル領域を通過するように空気を連続的に吹き付けて周囲の領域の変化する状態をモニターすること、
(e) 該光線の第二の部分の少なくとも一部を第二の検出器に反射し、該第二の検出器の出力を光源の出力のパワーの低下を検出するためのパワーモニターに接続し、該光源のパワーがある所定レベルより低下した場合に警告のシグナルを出すこと、
という構成又は処理の一つ以上のものをさらに有していることを特徴とする請求項１１記載の検出法。
【請求項１５】
流動体中のある所定粒子サイズを有する生物体又はバイオ活性剤を検出するための検出システムで、該システムは
筐体であって、流動体が該筐体を通過して流れるようになっている通路を有している筐体と、
該通路中を流れている流動体を通過するように光線を送り出す第一の光源と、
該通路の下流にあり且つ第一の光源の光路に位置している検出器であって、流動体中のある選択されたサイズの範囲にある粒子の中で検出と判別を行う検出器と、
該通路を通過する流動体を通るように光を送る第二の光源であって、該流動体中の粒子に蛍光を励起して発生させるものと、
楕円形ミラーであって、該楕円体の焦点の一つのところで生成された蛍光シグナルを集光して、該楕円体の他方の焦点のところに位置している光検出器に該集光された蛍光シグナルを指向せしめる楕円形ミラーと、
上記第二の光源の光路に位置している検出器であって、該粒子の蛍光を検出する検出器と
上記第一の検出器及び第二の検出器の出力に繋がっているコントロール回路であって、ある選択条件下に警告の出力シグナルを出すコントロール回路、
を備えていることを特徴とする検出システム。
【請求項１６】
(a) 該第一の光源及び第二の光源が単一の光源を有していること、
(b) 該流動体が空気を包含していること、
(c) 該流動体が水を包含していること、
(d) 該流動体が空気を包含し、該微粒子が約 1 〜 約 7ミクロンの大きさであること、
(e) 該流動体水を包含し、該微粒子が約 1 〜 約 20ミクロンの大きさであること、
(f) 第二の光源が波長約 270 nm 〜 約 410 nmであること、そして好ましくは第二の光源が波長約370 nm 〜 約 410 nmであること
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
微粒子検出センサーに使用するフィルターユニットであり、該フィルターユニットは
チェンバーと、
ある所定のサイズをこえる微粒子又は微粒子の塊を上記チェンバーから制限するためのフィルター媒体と、
上記チェンバーからの出口であって、微粒子検出センサーシステムに接続するための出口、
を備えていることを特徴とするフィルターユニット。
【請求項１８】
生物体又はバイオ活性剤を含有している流動体が流れるような通路と、
上記通路に沿うように順番に繋がっている複数の筐体と、
上記複数の筐体のそれぞれにある少なくとも一つの光源であり、該流動体を通過するように光を出して、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起して発生させるものと、
上記通路の下流にあり且つ光路の中に位置している検出器であり、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子サイズを検出し、相当する出力シグナルを生成する検出器
を備えていることを特徴とする蛍光／微粒子検出システム。
【請求項１９】
(a) それぞれの光源が異なっている波長を持っている光を出すものである、
(b) それぞれの光源が調整されて一つ以上の代謝産物を最適に励起する波長の光を出すものである、
(c) 一つの光源の波長がリボフラビンを検出するのに適したものである、
(d) 一つの光源の波長がNADHを検出するのに適したものである、
(e) 蛍光センサーの上流側にあり且つ光線の光路にある長波長用光学パスフィルターであって、励起レーザ光を除くためのの長波長用光学パスフィルター
(f) 上記検出器は光の波長分析を行うための波長を選択する構成要素を含有しているものである、
(g) 上記複数のセンサーは同じ処理分である流動体の蛍光を測定するものである
(h) それぞれの筐体が二つの光源を含有しており、それぞれの筐体の中の一つの光源は共通する波長を有して一致する粒子サイズの測定を保証するものである、
(i) 上記流動体が空気である、
(j) 上記流動体が水である、
(k) 一つの光源の波長が約 270 nm 〜 約 410 nmである、
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項１８記載の蛍光／微粒子検出システム。
【請求項２０】
流動体を通過するように複数の光線を指向せしめ、一部の光が生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起する処理、
光路に位置している検出器でもって上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子のサイズを検出する処理、
対応する出力シグナルを生成する処理、
をなすことを特徴とする生物体又はバイオ活性剤を検出する方法。
【請求項２１】
サンプル領域を持っている筐体であって、該サンプル領域の中を生物体又はバイオ活性剤を含有している流動体が流れることのできるものと、
該流動体を通して光線を送って上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起するための複数の光源と、
該サンプル領域の上流側の光路にある光学カップラーであって異なっている周波数の複数の光線を変調するための光学カップラーと、
該光路に位置している一つ以上の検出器であって、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子のサイズを検出し、且つ、対応する出力シグナルを生成する検出器と、
光線の変調周波数に基づいて複数の光線を識別するためのコントロール機構であり、且つ、多様な蛍光シグナルを測定することをなすためのコントロール機構
を備えていることを特徴とする蛍光／微粒子検出システム。
【請求項２２】
空気サンプル用セルを有している筐体と、
該空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、該サンプルの空気を通過するように収束光線を送り出し、それにより光線の一部を該サンプル領域に存在している種々のサイズの微粒子により様々な角度に散乱せしめられる一方、該光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
該光路に置かれている反射機構であって、ある範囲の角度に散乱された光の少なくとも一部を第二の光路に偏向する反射機構と、
該第二の光路に位置している第一のものであって、光の一部を検出し、対応する出力シグナルを生成するものと、
該反射機構の下流側であって且つ該光路に位置している第二の検出器であって、上記反射機構により反射されない角度で散乱された光の一部を検出し、対応する出力シグナルを生成する検出器
を備えることを特徴とする微粒子検出システム。
【請求項２３】
(a) 上記第一の検出器が0.1 μm 〜 1.0 μmの大きさの粒子を測定するように最適化されているもの、
(b) 上記第二の検出器が1 μm 〜 10 μmの大きさの粒子を測定するように最適化されているもの、
(c) 光線を複数の光束に分割するための機構であって、該機構は該反射機構の下流側で且つ該第一の検出器の上流側にある光路に配置されたもので、複数の光束のうちの一つの光路に配置された第三の検出器であって、サンプル領域にある粒子の蛍光を検出する検出器、そして、好ましくは上記光線を分割する機構は二色性フィルターであるもの
(d) 上記第二の検出器が該第二の光線の反射された部分を収束せしめるように光学機器を含有しているもの、
(e) 上記第二の検出器が検出の上流側の第二の光線の散乱されていない部分を除去するように光学機器を含有しているもの、
(f) 上記光源が光を整形し、上記光線からノイズを除くための光学式レンズを含んでいるもの、
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項２２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中浮遊微粒子又は水中浮遊微粒子を検出する装置システム及び方法に関し、特には、空中浮遊微粒子又は水中浮遊微粒子を検出すると共に検出した微粒子をサイズで分類する装置システム及び方法に関する。本発明は、特には、流動体中のアレルゲンや生物兵器、すなわち、空中浮遊微粒子又は水中浮遊微粒子を検出し、サイズでもって分類するのに有用であり、そうした利用に関連して、その他の利用も意図されるけれども、本明細書中で開示されるものである。
【背景技術】
【０００２】
炭疽菌〔bacillus anthracis (炭疽, anthrax)〕などの生物兵器の放出を含む都市テロ攻撃は、現在、現実性のある問題である。兵器化された炭疽菌胞子は、人間の肺に入っていくことができるため、非常に危険なものである。人間に対する炭疽菌胞子の致死性の吸入量、すなわち、LD50 (被爆したヒトの50%が死亡するに充分な致死性の量)は、2,500 〜 50,000 個の胞子であると見積もられている〔T. V. Inglesby, et al., "Anthrax as a Biological Weapon", JAMA, vol. 281, page 1735, 1999)(非特許文献１)参照〕。その他の生物兵器として可能性があるのは、ペスト菌〔yersinia pestis（ペスト, plague）、ボツリヌス菌〔clostidium botulinum（ボツリヌス中毒症, botulism）、および野兎病病原体(francisella tularensis)がある。この可能性がある脅威に鑑みて、現在そのような攻撃を検出する早期警戒システムに対する需要がある。
【０００３】
サンプルを通過するようにレーザ光を指向し、その光、すなわち、サンプル中を伝播する光を検出解析してサンプル中の粒子からの散乱光を検出するレーザ粒子計数器（カウンター）が知られている。散乱光を検出するために設計された既存の検出器または粒子計数器の問題の1つは、入射照明光源シグナル（信号）から散乱シグナルを抽出する必要があることである。これは、非常にノイズの多いバックグラウンド（レーザ光源によるグレア）から、弱いシグナル（小さな粒子による散乱）を検出することを意味する。現在のところ、従来の設計によるレーザ粒子計数器は、脆弱で高価なものであり、この用途には適していない。レーザ粒子計数に用いる従来技法には、レーザドップラー法、すなわち、粒子の速度を測定してサイズの情報を推論する手法、粒子が検出領域を横断するのに必要な時間を測定する過渡時間法、小さい粒子のみを測定可能な大角複数センサーデザインなどがある。パルスUVレーザを用いるレーザ誘起蛍光に基づくバイオセンサーの提案が、T.H. Jeys, et al., Proc. IRIS Active Systems, Vol. 1, p. 235, 1998(非特許文献２)に記載されている。これは空気1リッターあたり5個の粒子からなるエアロゾルの濃度を検出可能であるが、高価で精密な装置が必要である。Hairston et al., J. Aerosol Sci., Vol. 28, No. 3, p. 471-482 (1997)(非特許文献３)も参照される。その他の粒子計数器としては、オレゴン州グランツパス(Grants Pass, Oregon)のMet One Instrument, Inc、コロラド州ボルダー(Boulder, Colorado)のParticle Measurement Systems, Inc.、そしてカリフォルニア州アナハイム(Anaheim, California)のTerra Universal Corp.により製造されているようなものが挙げられる。その設計のため、これらの粒子計数器の構成は、精密な光学アライメントが必要で、さらに精巧なセンサーと電子機器・技術が必要である。これらの製品は研究室での使用を意図しており、1台数千ドルもの費用がかかる。このため、これらの製品は実際の現場への配置には不適であるばかりでなく、生物兵器検出用に特別に設計されているものでもない。
【０００４】
空気サンプル中の粒子数がある所定最小値を超えた場合、空中浮遊アレルゲン粒子を検出して被害を受けやすい個々の人に対して警報を発するように種々の検出器が設計されてきた。こうした装置は、米国特許第5,646,597号明細書(特許文献１)、同第5,969,622号明細書(特許文献２)、同第5,986,555号明細書(特許文献３)、同第6,008,729号明細書(特許文献４)、及び同第6,087,947号明細書(特許文献５)〔すべてHamburger et al.の特許である〕に記載されている。これらの検出器はすべて、光線の一部を空気中の何らかの粒子により散乱するように自然環境の空気のサンプルを通過する光線を指向すること、所定アレルゲンのサイズの範囲に対応するある所定角度の範囲で散乱する光のみを伝達する光線遮光装置、及びその伝達された光を検出する検出器を備えている。該検出器で検出された光がある所定レベルをこえると、警報装置が作動する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，６４６，５９７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９６９，６２２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９８６，５５５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，００８，７２９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０８７，９４７号明細書
【非特許文献１】T. V. Inglesby, et al., "Anthrax as a Biological Weapon", JAMA, vol. 281, page 1735, 1999)
【非特許文献２】T.H. Jeys, et al., Proc. IRIS Active Systems, Vol. 1, p. 235, 1998
【非特許文献３】Hairston et al., J. Aerosol Sci., Vol. 28, No. 3, p. 471-482 (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの装置はアレルゲン微粒子の存在に基づいて警告の表示を行う目的には充分なものであるが、これらの装置は実際の現場への配置には適しているものでなく、さらに、生物兵器を検出する病原体検出器に対するより厳しい要求仕様を満たしているものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、空中浮遊微粒子又は水中浮遊微粒子を検出し分類するための新しい且つ改良された微粒子／病原体検出システム及び検出方法を提供するものである。
本発明の一つの態様に従えば、微粒子検出システムが提供され、該微粒子検出システムは、サンプルの空気又は水を収容するためのサンプル領域を有する外部筐体と、該サンプルの空気又は水を通過するように収束光線を指向し、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズ（寸法）の粒子により光線の一部を種々の角度に散乱せしめ、光線の散乱されない部分が散乱されないままであるようにする光源と、該光線の少なくとも散乱されない部分を遮光し、散乱光の少なくとも部分を光路に沿って指向させる光線遮光装置と、該光線遮光装置の下流側の光路中に位置する検出器であって、該光線遮光装置により検出器上に指向された光を検出し且つ各パルスが粒子のサイズ（粒径）に比例する高さを有する出力パルスを生成する検出器と、ある与えられた時点のサンプル中で検出される空中浮遊微粒子又は水中浮遊微粒子のサイズ分布（粒径分布）を得るためのパルス高判別器と、ある予め決められており且つ問題であるサイズの範囲に入る微粒子の数があると警告シグナルを出す警報ユニットとを備えたものである。該光線遮光装置は、その散乱されない入射レーザビームを止めて、効率的に光源に起因するバックグラウンドのノイズを除き、次いで空気又は水のサンプル中の微粒子により散乱された光の角度の分布及び強度を検出し、該検出器の出力を粒子サイズの分布ヒストグラムに変換し、そして該ヒストグラムがある所定サイズの範囲の内の粒子が以上に大きな数の値となっていることを示しているならば警告のシグナルを発するものである。該所定サイズの範囲とは、問題の粒子に依存したものである。空中浮遊の菌に関しては、問題のサイズの範囲としては典型的には約 1 〜 3μmである；空中浮遊バイオ活性剤に関しては、問題のサイズの範囲としては典型的には約 1 〜 7 μmである；一方、空中浮遊アレルゲンあるいは、例えば、ベリリウムダストやアスベストなどのその他の有害物質に関しては、問題のサイズの範囲としては典型的には約 5 〜 50 μmである。問題が水中浮遊微粒子（バクテリアあるいはバクテリアの胞子を包含してもよい）の場合、問題のサイズの範囲としては典型的には約 1 〜 20 ミクロンである。
【０００８】
本発明の例示的な具体的態様において、パルス高判別器の出力はプロセス処理ユニットに接続され、該プロセス処理ユニットは、各パルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊粒子又は水中浮遊微粒子のサイズ分布のヒストグラムを生成し、出力装置上に該ヒストグラムを表示するものである。該パルス高さ判別器は、入力パルス高を測定するピーク検出器と、各パルス高のパルスの数を登録するコンパレータとレジスタとを備えるものであってよい。次に、各パルス高は粒子サイズに変換せしめられ、粒子サイズ分布のヒストグラムを、例えば、LED、液晶ディスプレイ、コンピュータスクリーンなどの好適な表示ユニット（表示装置）上に表示する。
【０００９】
ある粒子サイズの範囲内のパルス数がある所定の通常のバックグラウンド値を超えると、可聴及び／又は可視の警告のシグナルを生成するように警報装置を設けてもよい。例えば、問題のものがバイオ活性物質の場合には、1 μm 〜 7 μmの粒子サイズの範囲内で空中浮遊する粒子の数が突然且つ局所的に増加するのは、通常、敵意のあるバイオ活性物質の意図的な放出を意味する。
【００１０】
本発明の例示的な具体的態様において、反射装置は、入射光線の散乱されない部分の一部を反射するために光線遮光装置上または光線遮光装置の上流側に位置し、第二の光検出器は反射装置から反射される光を検出するように配置されている。光検出器の機能は、半導体レーザである光源の出力を監視することである。これにより、装置の自己較正が可能となる。粒子サイズの測定は電気的にパルス高を測定することに拠っており、そのため半導体レーザのパワー出力の何らかの変動を考慮するために重要となる。該第一の検出器からの電気パルスシグナルは、結果がレーザパワーの何らかの変動により影響を受けていないことを確認するために、第二の検出器からの監視シグナルにより除算されてよい。また、第二の光検出器の出力は、半導体レーザの性能を示すように監視される。第二の光検出器からのシグナルが、例えば開始パワーレベルの50％になるといったように、ある所定レベルより低下すると、メンテナンスコールを起動するために「レーザパワー低下」警報("Laser Power Low" alarm)を鳴動する。
【００１１】
サンプル領域と光線遮光装置との間に透光性の仕切りスライドを設けてもよい。このスライドの目的は、塵（ダスト）またはその他の環境汚染物が光学要素および光検出器に到達するのを防ぐことである。これは、本システムが過酷な実際の現場への配置といった条件で使用される際に、特に有益である。該スライドが、汚れて十分な光透過ができないと第二の光検出器により判断された場合には交換される。このように、レーザパワーの警報は半導体レーザがパワーを失ったこと、またはスライドが汚れすぎたことのどちらかを示すものであってよい。仕切りスライドがほどほどに汚れても粒子検出の正確性には影響を及ぼさない。それは光線の散乱されない部分と散乱光のビームとの両方の光強度が減少し、これら２つのシグナルの比が記録されるからである。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、空中浮遊又は水中浮遊微粒子を検出し、サイズにより分類する方法が提供され、該方法は、空気又は水のサンプルを通過するように光線を指向せしめて、光線の第一の部分がサンプル中に存在する粒子により散乱され、且つ、光線の第二の部分が散乱されないままであるようにする処理と、サンプルを透過する光線の当該両方の部分を受光して、該光線部分を光線遮光装置に指向させる処理と、光線遮光装置で光線の少なくとも第二の部分を遮光して、光線の第一の部分の少なくとも一部を第一の検出器に指向させる処理と、第一の検出器から出力される電気パルスの高さを測定する処理と、ある所定時間間隔で各パルス高を持つパルスの数を計数する処理と、パルス高を粒子のサイズに変換する処理と、各粒子サイズに対応するパルスの数を計数する処理と、ある所定サイズの範囲内で検出されたパルスの数が超過すると警告のシグナルを発生する処理とを含んでいることを特徴としている。
【００１３】
本発明の例示的な具体的態様において、各粒子のサイズに対するパルスの数に関するデータを該検出された粒子サイズの分布のヒストグラムに変換する。次にこれを、公知のバイオ活性剤（生物兵器）の粒子のサイズの分布と比較し、検出された分布が公知のバイオ活性剤の粒子のサイズの分布と合致するときには警報を作動させる。該粒子サイズの分布は、検出された特定のバイオ活性剤を特定するために用いることができ、かつ、兵器化されたバイオ活性剤を生産する製造工程を特定するといった法科学上の道具を提供することができる。
【００１４】
本発明の微粒子検出システム及び方法は、空中浮遊又は水中浮遊の生物兵器、あるいは、カビ、バクテリア、バクテリア芽胞（胞子）、例えば、ベリリウムやアスベストなどのダストを包含するその他の有害物質の存在を検出するのに用いることができる。
【００１５】
本発明の別の具体的な態様では、改良された検出システム及び方法が提供されており、該検出システム及び方法は、ある選択されたサイズの範囲内にある空中浮遊又は水中浮遊微粒子の存在を検出することと、その選択されたサイズの範囲内にある生物体又はバイオ活性剤と不活性な物質又は無機物質との間での分別をなすこととの双方をなすのに使用することができる。特には、本発明は蛍光センサーと組み合わせた空中浮遊又は水中浮遊微粒子検出器であって、生物体又はバイオ活性剤である空中浮遊又は水中浮遊微粒子を検出して不活性な物質からそれを区別するものを提供している。本発明のシステムは問題とされているある与えられたサイズの範囲の粒子、例えば、約 1 〜 約 7 ミクロンの粒子を検出し、そのサイズの範囲内にある生物体又はバイオ活性剤と不活性な物質又は無機物質との間での分別をなすものである。
【００１６】
別の視点では、本発明は改良された検出システム及び方法を提供しており、該システム及び方法はある選択されたサイズの範囲内にある空中浮遊又は水中浮遊微粒子の存在を検出することと、その選択されたサイズの範囲内にある生物体又はバイオ活性剤と不活性な物質又は無機物質との間での分別をなすこととの双方をなすのに使用することができる。
【００１７】
本発明の別の具体的な態様では、多数の検出用筐体（ハウジング）を利用している改良された蛍光検出器及び方法が提供されている。特には、生物体又はバイオ活性剤を含有している流動体がそこを流れることのできる通路が一連の筐体を接続するのに使用される。各筐体は光を該流動体を通過して送るための光源と、生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子サイズを検出し且つ対応する出力シグナルを出すためであって且つ光路に配置されている検出器とを含有している。好ましくは、該光源は一以上の代謝産物を最適に励起する波長をもつ光を出すように調整されている。例えば、該光源はトリプトファン、ピリドキシン、NADH、あるいはリボフラビンの励起波長に合わせられていてよい。さらに、該筐体は各筐体に一つの光源を備えているようにして共通する波長を持っている多数の光源を有していて一貫性をもって粒子サイズを測定することを保証するものであってよい。
【００１８】
本発明の別の例示的な具体的態様においては、微粒子／蛍光検出システムは光のビームを流動体を通過して送出するための複数の光源を使用して、該流動体中にある当該生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起せしめる。該複数の光源は光学カップラーあるいはその他の混合装置を使用して混ぜ合わされる。好ましくは、該光学カップラーは異なった周波数のところで複数の光のビーム（光線）を変調する。検出器は当該生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子サイズを検出し且つ対応する出力シグナルを出すため光路に配置されている。
【００１９】
また、本発明の別の例示的な具体的態様においては、光の通り道に置かれており且つ光が流動体を含有しているサンプル領域を通過した後のところに反射機構がある。該反射機構は、ある範囲の角度で散乱された光の少なくとも一部を別の第二の光路に偏向するものである。該第二の光路には第一の検出器が置かれ、その第一の検出器は散乱光の一部を検出し、出力シグナルを出すためのものである。該第一の検出器は、好ましくは、ある第一のサイズの範囲をもつ粒子、例えば、0.1 μm 〜 1.0 μmの大きさをもつ粒子を測定するように最適化されているものである。反射する機構の下流側の該光路には第二の検出器が置かれ、その第二の検出器は大きな角度で散乱された光の一部を検出し、出力シグナルを出すためのものである。該第二の検出器は、好ましくは、ある第二のサイズの範囲をもつ粒子、例えば、1 μm 〜 10 μmの大きさをもつ粒子を測定するように最適化されているものである。
【００２０】
さらに、本具体的な態様では、該反射機構の下流側の当該光のビームのところに該ビームを複数の光のビームに分割するための波長選択フィルター又はビーム分割機構が配置されていてよい。好ましい具体的な態様では、該波長選択フィルターは二色性フィルターである。複数の光のビームのうちの一つの光路にはサンプル領域の粒子の蛍光を検出するために第三の検出器が置かれていてよい。
【００２１】
本発明の別の具体的な態様では、粒子検出センサーのためのテストシステム用テスト機構を含むもので、該テスト機構はテスト用のパワーを載せるためのチェンバーと、所定サイズを超えている粒子を除くためのもので且つ当該チェンバーに接続しているフィルター機構とを備え、当該フィルターの出口は粒子検出センサーシステムに接続している。
【００２２】
この検出システムは感度が高く、安価なもので、実際の現場での使用にも充分に丈夫な構造のものである。本システムは必ずしも常に厳密に粒子を検出し特定するものではないが、バイオ活性剤（生物兵器）による攻撃を感度よく、コストからみて効果的に早期に警告することを行うことができる。例えば、アスベストやベリリウムダストなどの有害な空中浮遊微粒子（肺障害の原因となりうる）あるいは有害水中浮遊微粒子を早期に警告することを行うようにすることもできる。
【００２３】
本発明は、同じような部品・部材に対しては同様な参照番号を付してある添付図面を参照しながら、本発明の例示的な具体的態様についての以下の詳細な説明の記載により理解がより良くされよう。
【００２４】
図１は、本発明の一つの具体例である微粒子検出システムの光学部分のブロック概略図である。
図１Ａは、図１の検出システムのサンプル領域の部分の詳細を示すものである。
図２は、空中浮遊微粒子のサイズに対するミー散乱断面の関係を示すグラフである。
図３は、図１の光学システムを取り入れた本発明の具体例である微粒子検出システムのブロック図である。
図４は、パルス高測定並びに表示回路のブロック図である。
図５は、図４の回路のアナログ−デジタルコンバーターの部分の概略図である。
図５Ａは、本回路の様々なところでのパルスの波形を示す図である。
【００２５】
図６は、ある所定サイズにある粒子数がある所定量をこえた状態で警報を発するといった条件での図３及び４のシステムにより表示された出力ヒストグラムの一例を示す。
図７及び７Ａは、レーザ光源に代えてUV LEDを使用しており且つ本発明に従った粒子検出器の別の形態のものの、図１と同様の図である。
図８は、水中浮遊微粒子を検出するために特にデザインされたもので且つ本発明の別の具体例である粒子検出器の、図１と同様の図である。
図９は、レーザ光源に代えて図７及び７Ａの具体例に従いUV LEDを使用しており且つ本発明の図８における具体例である水中浮遊微粒子検出器の、図８と同様の図である。
図１０は、グリッド中に複数の本発明の検出器を描いてある平面図である。
【００２６】
図１１は、本発明の別の具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムの斜視図で、図１２は、その概略図である。
図１３は、本発明の別の好ましい具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムのブロック概略図である。
図１４〜１７は、それぞれ、チロシン、トリプトファン、ニコチナミド・アデニン・ジヌクレオチド(NADH) 及びリボフラビン; 芽胞（胞子）、道路のダスト、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、カーボン・ブラック; 酵母サッカロミセス・セレビッシエ(saccharomyees cerevisial)のエアロゾル;及びディーゼル排ガスの相対蛍光強度に対する波長の関係を図示するグラフである。
【００２７】
図１８は、本発明の別の好ましい具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムの、図１２と同様の図である。
図１９は、本発明の別の具体例である水中浮遊病原体検出器の、図１８と同様の図である。
図２０は、レーザ光源に代えてUV LEDを使用しており且つ図１９と同様の図である。
図２１は、NADPHに関し波長の関数として蛍光発光の強度を描いたグラフを示す。
図２２は、リボフラビンに関し波長の関数として蛍光発光の強度を描いたグラフを示す。
図２３は、Hgアークランプで励起した四種の代謝産物の蛍光発光スペクトルを描いたグラフを示す。
【００２８】
図２４は、本発明の具体例であるデュアル励起レーザ波長タンデムモジュール型微粒子／蛍光検出システムを示す。
図２５は、本発明の具体例である微粒子／蛍光検出システムを示す。該システムでは二つの光のビーム（光線）は一緒にされて二つの蛍光シグナルを同時に測定することが可能にされている。
図２６Ａ〜２６Ｂは、図２５の微粒子／蛍光検出システムにおいて使用している光学カップラーの例である。
図２７は、本発明の別の具体例で、光のシグナル中にあるノイズを低減するための光学系である。
図２８は、微粒子検出システムで使用されるテストシステムの具体例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１、１Ａ、及び図３〜５は、本発明の例示的な実施例の空中浮遊微粒子検出システムを示し、図６は該システムからの出力例を示す。本発明のシステムの具体例は、テロリストやその他の者により故意に放出される空中浮遊又は水中浮遊生物テロ兵器を検出するように意図されているが、カビ菌又はバクテリアなどの自然界に存在する有害なレベルのその他の空中浮遊又は水中浮遊微粒子、あるいは偶発的に、不注意で、自然に、又は故意に放出された有害なレベルのその他の空中浮遊又は水中浮遊微粒子を検出するといった民生用に使用されてもよい。
【００３０】
本明細書で使用の用語「流動体中に浮遊している粒子」又は「流動体中浮遊微粒子」とは、空中浮遊粒子（又は微粒子）及び／又は水中浮遊粒子（又は微粒子）の両方を意味している。本明細書で使用の用語「平行光」とは、光線軸に平行にされている光又はほぼ光線軸に平行とされている光の両方を意味している。
【００３１】
本明細書で使用の用語「病原体」とは、もし充分な量で空気中又は水中に存在するとそれに被爆した人間は危害を受けるとか殺されることさえありうるといった空中浮遊又は水中浮遊粒子、バイオ活性剤、トキシン（毒素）のいずれのものであってよい。本明細書で使用の「バイオ活性剤」とは、微生物、病原体、又は、感染性を有する物質、トキシン、生物トキシンのいずれか、あるいは、その由来や生産法にかかわらず、そうした微生物、病原体、又は、感染性を有する物質のうちのいずれかの自然発生によるか、生物工学技術によるか、あるいは、合成により得られた成分のいずれかである。そうしたバイオ活性剤としては、例えば、生物トキシン、バクテリア、ウイルス、リケッチア、芽胞（胞子）、真菌、プロトゾア、当該分野で知られたその他のものが挙げられる。
【００３２】
「生物トキシン」とは、生きている植物、動物、又は微生物により生産される、あるいは、それから誘導される毒性を有する物質であるが、化学手段で生産されたり、変えられることもできる。しかしながら、トキシンとは、一般的には、宿主生物体中で天然に発生するものである〔すなわち、サキトキシン(saxitoxin)は海洋藻類により産生される〕が、遺伝子的に変えたり及び／又は合成手法で製造したトキシン類は実験室環境で生成されてきたものである。微生物と比べると、トキシンは相対的に簡単な生化学的組成を有しており、それ自体で再度生み出されるといったものではない。多くの面で、それらのものは化学活性剤に匹敵するものである。そうした生物トキシン類としては、例えば、ボツリヌス及び破傷風トキシン類、ブドウ球菌のエンテロトキシンB (enterotoxin B)、トリコセシンマイコトキシン類(trichothecene mycotoxins)、リシン(ricin)、サキトキシン、赤痢菌志賀菌又は志賀菌様トキシン類、デンドロトキシン類(dendrotoxins)、エラブトキシンb(erabutoxin b)、並びにその他の公知のトキシン類が挙げられる。
【００３３】
本検出システムは、ある特定のサイズの範囲内にある空中浮遊又は水中浮遊微粒子を検出し、バイオ活性剤と不活性又は無機物質との違いを明らかにし、サンプル中で検出され且つそのサイズ範囲内にあるそれぞれのサイズの粒子の数を示すような出力を生成し、該粒子が生物のものか、あるいは、非生物のものかを示し、さらに粒子の数が通常のバックグラウンドのレベルを上回るといった、ある所定値を超えていると、及び／又は、それが生物体又はバイオ活性剤であり且つ危険な可能性があると、警告のシグナルを発するようにデザインされている。
【００３４】
図1〜3に示すように、該システムの第一の具体例では、基本的に、光学ユニット10と、
該光学ユニット10中を平行光又はほぼ軸に平行とされている光のビーム（光線）が通るように指向している半導体レーザまたはその他の光源12と、光学ユニットを透過する光を検出するための、光学ユニットの出力のところの第一の光検出器14と、該半導体レーザの光出力を検出するための第二の光検出器16と、光検出器14の出力を光検出器16の出力により除算するためのシグナルディバイダー18と、差動増幅器18の出力に接続される増幅器26と、アナログ-デジタル変換器(AD変換器)22と、ウィンドウコンパレータ回路24と、回路24の出力に接続されるコントロール／出力表示ユニット（コントロール／出力表示装置）を備えている。低信号検出回路26は、半導体レーザパワーを検出する光検出器／モニター検出器16の出力に接続され、回路の出力はコントロールユニット25（コントロール装置）にも接続される。警報装置28はコントロールユニット25にも接続される。コントロールユニット25は、該システムをコントロールするためのコンピュータ又はカスタムメイドのハードウエア／ソフトウエアであることができる。
【００３５】
本システムの光学装置部分10を、図１及び１Ａを参照して、さらに詳細に説明する。本システムの一部は、ここにその内容が本明細書の一部を構成するものとして援用されるHamburger et al.の米国特許第5,986,555号明細書(特許文献３)および同第6,087,947号明細書(特許文献５)に記載される光学システムと同じである。該光学システムは、管状またはその他の形状である外部筐体30中に入れられている。光源12は、コリメートされたレーザ光線(平行レーザ光線)32を筐体内の空気サンプル領域34を通過するように指向させる。コリメートされた光線32が空気サンプル中の粒子35に衝突すると、光線36の一部が、粒子のサイズに依存する反射角度で、偏向または散乱される。そのため、該光線の散乱される部分36はサンプル中に粒子が存在することを示すことになる。環境にある空気は、上記で示されている特許に記載されたのと同じように、例えば、ファンなどの流動体を動かすユニット37により図１の矢印方向にサンプル領域34を通って定常的に吸い込まれる。
【００３６】
図１Ａを参照してみると正確な粒子検出を保証するため、サンプル領域34を通るフローチャンネルは比較的小さいものであるべきで、好ましくは幅約 1 〜 2 mmのものであるべきである。フローチャンネルを小さすぎる断面のものとすると、すなわち、約 1 mmより小さなものとすると、正確なサンプル収集に過大な背圧を生ずることとなる。一方、約 2 mmをこえるフローチャンネルでは二重の層になったり、フローチャンネルの壁に隣接した静止層になったりする。理想を言えば、フローチャンネルは約 1.5 〜 約 2.0 mmのサイズの断面を持つものである。好ましい具体例では、サンプル領域34は入口端部102と出口端部104を持っている胴体部を備えているフローセル100を備えている。入口端部102及び出口端部104はそれぞれ同一の形状であってもよいし、異なる形状であってもよいといった先端を切り詰められている円錐状のもの（コーン状のもの）の形体をなしている。断面が約 1 〜 約 2 mmであるチャンネル106は光線32がそこを通過するように指向せしめられている光学式ウインドウ108を有している。チャンネル106は入口端部102と出口端部104を該先端を切り詰められている円錐状のものの先端部のところで接続している。入口端部102は、周囲の空気に向けて開口している。流動体を動かすユニット37、例えば、ファンは、出口端部104のところに接続せしめられている。流れの背圧を減少させるため、好ましくは一つ又はそれ以上の追加の導管110を、空気を抜くように入口端部の円錐形の表面と入口端部の円錐形の表面の中間点の間に形成しておき、それにより比較して均一な空気流体のサンプル収集を可能にする。好ましくは、フローセル100の外側の表面は、静電気発生の可能性を解決するため、地面に接続されている金属皮膜112でコーティングされている。
【００３７】
レンズ38が、サンプル領域を出る光線の散乱されない部分と散乱される部分との両方の光路中の筐体内に位置せしめられている。該レンズ38は、光を吸収するようにデザインされた所定の直径の遮光部材40を中心に有している。第一の例示的な具体例においては、遮光部材40はレンズ38の前面に接着したビニールの黒片を有するものであるが、その他の光線偏向装置を用いてもよい。遮光部材40の直径は、収束光線の少なくとも散乱されない部分が遮光されてユニット10を透過するのを防ぐようなものである。円形の遮光部材40の直径は、非収束光線の直径より大きなもので約2mmでよく、散乱されない光および例えば50ミクロンメートルなどといった、ある所定サイズよりも大きな粒子により散乱される光を遮光するように設計されていてよい。必要であれば、さらに大きな遮光部材を用いて50ミクロンメートルよりも小さな粒子により散乱される光をさらに除去してもよい。該レンズは、例えば上記の米国特許第6,087,947号明細書(特許文献５)に記載されるように、中心の遮光部材40を囲む遮光材料の円形リング（図示せず）を有してもよい。これは、ある所定最小値よりも小さな粒子により散乱される光を遮光するために役立つであろう。しかし、別法として、レンズ及び筐体の直径は、そのような粒子により散乱される光が透過しないように設計されてもよい。
【００３８】
上記した先行技術特許においては、レンズ38と光線遮光部材40（もしあればさらに円形光線遮光リング）とを備える光線遮光装置は、5 〜 50ミクロンメートルの、ある所定の粒子サイズの範囲からはずれる粒子により散乱される光の透過を遮るように設計された。しかし、本発明において、問題である粒子、特には空中浮遊するカビ菌、バイオ活性剤, 又は有害なダストは、異なるサイズの範囲というものを有している。そのような粒子のサイズは1 μm と小さく、0.5 μmのサイズという小さな場合もあるので、レンズ38、筐体30、および光線遮光部材40は、0.5 μm 〜 50 μmの粒子サイズ範囲をはずれる粒子を透過する光が遮光される一方、0.5 μm 〜 50 μmの粒子サイズ範囲内の粒子により散乱される光線の部分42が遮光部材40を囲むレンズの円形リング部分を通って透過するような所定のサイズであるものである。レンズ38を透過する光線の部分をさらに限定したい場合あるいは拡大したい場合には遮光部材のサイズは変えられてよいことは理解されよう。
【００３９】
光源12は、収束光線32に加えて、その表面から所定量のノイズをも発生する。そのようなノイズは、レンズ38により第二のレンズ44の中心のところの円形の遮光部材45上に収束されて、検出器14に到達しないように遮られる。しかし、図1に示すように、レンズ38を透過する光線の散乱される部分42は、レンズ44により検出器14上に収束される。円形の遮光部材45は遮光部材40と同じでもよい。
【００４０】
上記で説明した差異以外に、光学装置10は、前述の2つの特許に記載される光学ユニットとは、次の点において、異なる。第１に、反射装置46は光線遮光部材40上に、または、光線遮光部材40の前に設置される。該反射装置は、傾斜鏡またはコーティングしたプリズムセットである。この反射装置は、散乱されずに入射するレーザビームを第二の光検出器、またはモニター用の光検出器16に反射するように設計される。第２に、サンプル領域34と光線遮光装置38、40との間に透光性の仕切りスライド 47が設置されている。該スライドの目的は、ダスト（塵）またはその他の環境汚染物が光学要素および光検出器に到達するのを防ぐことである。これは、システムが過酷な実際の現場への配置といった条件で使用される際に、特に有益である。該スライドが汚れて十分な光透過ができない（これは第二の光検出器により判断される）場合に交換できるように、スライドは取り外し可能に筐体に取付けられる。このように、レーザパワー警報装置は半導体レーザがパワーを失ったこと、またはスライドが汚れすぎたこと、のいずれかを示すものであってよい。光線の散乱されない部分と散乱光線との両方の光強度が減少し、これら2つのシグナルの比が記録されるので、隔壁スライドが少しばかり汚れても粒子検出の正確性には影響を及ぼさないであろう。
【００４１】
図で示されている具体例における光線偏向装置は、遮光領域を中央に持っているレンズ、および任意に遮光リングを外周部に有するレンズであり、ある所定の角度の領域中で散乱された光のみをレンズに透過するようにされているものであるが、別の具体例における遮光装置は、上記のような光吸収性の遮光器（遮光具又は遮光装置）を中央に持つか、または所定直径の開口を中央に有する凹面鏡であってよい。この場合の検出器14は、ここにおいてその内容が本明細書の一部を構成するものとして援用されるHamburger et al.の米国特許第6,008,729号明細書(特許文献４)に記載されるように、凹面鏡からの反射光を検出するように設置されるであろう。光線の散乱されない部分の一部を第二の検出器上に指向するために、傾斜鏡またはプリズムを図1に示すのと全く同じ方法で用いてもよい。
【００４２】
システム設計は、光の波長に相当するサイズを有する粒子による光のミー散乱の原理に基づくものである。該ミー散乱では、散乱光の角度分布および強度の両方が粒子サイズおよび粒子形状に強く依存する。ミー散乱は次の特性により特徴付けられる。すなわち、1）散乱光が進行方向に集中する、2）散乱光強度の角度分布は散乱する粒子サイズに非常に敏感である、そして、3）粒子の散乱断面は単調であるが複雑に粒子サイズに比例する。波長が0.67 μmの可視半導体レーザの光出力光線などの可視光を用いると、ミー散乱法は理論的には、ミクロンメートルサイズの範囲にある空中浮遊粒子を検出し且つ特徴付けるのに好適である。ミー散乱断面と粒子半径との関係を図２に示す。
【００４３】
本システムの光学ユニット10は、サンプル中を透過する光の光路中に位置する光線遮光装置36を用いてある所定範囲外に散乱される光を除去するために、散乱角が粒子サイズに比例するという原理を用いている。本システムの残りの部分は、前述のようにおよび図２に示すように、粒子の散乱断面は単調であるが複雑に粒子サイズに比例するので、検出器14で検出され且つ異なる高さを有するパルスを判別することによりサンプル中の粒子サイズの分布を検出するように設計される。それ故、検出器14からの電気的なパルス出力の高さは粒子サイズに依存する。
【００４４】
検出器14の出力は、図3に示すように、シグナルディバイダー18の1つの入力に接続される。一方、検出器16の出力（これは半導体レーザ出力に対応する）はシグナルディバイダー18のもう1つの入力に接続され、これらのシグナルの比はシグナルディバイダー18から出力される。図4は、パルス高測定回路のブロック図であり、本発明の例示的な具体例において変換器ユニット22、ウィンドウコンパレータユニット24、およびコントロール／出力表示ユニット25を構成する。一方、図５は、デジタル変換器ユニットをより詳細に示す概略図である。該光検出器の出力は、各パルスが空気サンプル中の粒子により散乱される光を表し且つパルスの高さが粒子サイズに比例するという、一連のアナログパルスのパルスシグナルであり、例えば図４に示すようなシグナル60である。光検出器から入力される各パルスは、DCバックグラウンドを除去するためにハイパスフィルタ62を通過し、その後バッファ64を通って、入力されるパルスの高さを測定するピーク検出器65に達する。ピーク検出器65の出力は、パルス高のデータを備えた一連のパルス計数シグナルとなる。好適なAD変換器およびピーク検出器回路の一例を図５により詳細に示し、図５Ａは該回路の種々の箇所におけるパルス出力を示すものである。図５Ａ中の出力シグナル「ピーク出力」は、分類のためにウィンドウコンパレータユニットに送られる。図５Ａ中に示されるその他のパルスは、ウィンドウコンパレータに計数を行い且つ記憶するように命じるタイミングおよびイネーブルシグナルである。
【００４５】
ウィンドウコンパレータユニットは、それぞれある所定の電圧範囲（ウィンドウ電圧）中のパルスを検出するように設計された一連のウィンドウコンパレータ66（一例として図４の符号1〜10）を有する。各ウィンドウコンパレータ66は、入力されるパルス高がそのウィンドウ電圧内の場合のみ（例えば、コンパレータNo．5に対して5mV 〜7.5 mVの場合）、シグナルをそれに対応付けられたデジタル計数器68に送る。計数器68の出力は、表示パネル70に接続され、その表示パネル70が各粒子サイズにあるビン（箱）内の粒子数を表示する。このように、出力表示ユニット25は、対応する計数器からの入力に基づいて各粒子サイズについて順に点灯する発光ダイオード(LED)を供えているLEDアレーにより、粒子サイズ分布のヒストグラムを生成して棒グラフを表示するものを含んでいる。棒グラフは異なる粒子サイズに対して色が異なってもよい。出力は、粒子サイズ分布のヒストグラムをその表示スクリーン上に表示するようにプログラムされたコンピュータに接続していてもよいし、別の方法としてそうされていてもよい。
【００４６】
ウィンドウコンパレータ装置24は、複数のコンパレータ66、および関心のある範囲にある粒子サイズに対応するパルスを計数するための計数器またはビン68を有する。図４では、そのような10個のビンが示されている。しかし、0.5ミクロンメートル間隔で1〜7ミクロンメートルの粒子サイズに対しては14個のビンが必要である。例えば、1 〜 5 μm であるといったより限定された病原体サイズの範囲のように、比較的小さなサイズ又はより大きいサイズの範囲が必要である場合には、より少ないまたはより多い数のコンパレータおよび計数器を設けてもよい。図６は粒子サイズ分布のヒストグラムの例を示す。この例は1 〜 19 μm の範囲内の分布を示すが、該コントロールユニットは、前述のように、比較的小さな範囲であるl〜7μm 又は所望の範囲のいずれかについての粒子サイズの分布のヒストグラムを表示するようにプログラムされてもよいものとする。コントロールユニット25の出力は、筐体の前面の警報灯やブザーなどのように、可視および／または可聴の警報装置28に接続されてもよい。
【００４７】
テキサス州オースチンのNational Instruments Corporationから入手可能なLabViewソフトウェアなど、出力表示ヒストグラムを生成するように、あらゆる好適なソフトウェアを用いてもよい。このソフトウェアは、病原体またはバイオ活性剤（生物兵器）の粒子サイズに対応する粒子サイズの範囲内の計数が通常の環境レベルよりもある高い所定レベルを超えたとき、出力を生成して可聴警報28を起動するように用いてもよい。これは、誤った警報を減少あるいは無くすのにさえ役立つであろう。コンピュータの出力は、例えば、PCRに基づく炭疽症検出装置などの、比較的より精巧なバイオ活性剤検出装置を起動するために用いてもよい。このような組合せによる検出手法は、費用対効果が大きく、さらに誤った警報を発生する危険を減らすであろう
【００４８】
本発明の改良された装置においては、空中浮遊粒子のサイズ分布のヒストグラムを、そのようなバイオ活性剤用の処理工程というものは該工程で使用される機械に特有のシグニチャーサイズ分布を有するということが知られているので、兵器化された公知のバイオ活性剤のヒストグラムと比較してもよい。このように、本発明の検出システムは、バイオ活性剤を製造する者についての出所の可能性に関する法科学的情報を提供することができる。
【００４９】
前述のように、テロ攻撃で使用される可能性が最も高いバイオ活性剤（生物兵器）は、1 μm 〜 7 μm の粒子サイズの範囲を有する。米国疾病管理センター(the Center for Disease Control)により分類されているカテゴリーＡの生物テロ活性剤（バイオテロ兵器）の特徴を下記の表１に示す。
【００５０】
【表１】
2008508527.tif 000003
【００５１】
環境空気中には、粒子サイズが約 1μm 〜 7μmの大きさの範囲にある非常に低い濃度で且つ一定の濃度の自然に発生する空中浮遊粒子が存在している。大都市地域のスモッグの発生および局所的なダスト源（塵源）の急激な成長の場合の粒子サイズの範囲は、それぞれ0.3 μm 及び5 μmにピークがある。また花粉と他のアレルゲンも開花期中の空気に存在し、アレルゲン微粒子の粒子サイズの範囲は、約 5 〜 50 μm である。このように、兵器化されたバイオ活性剤（生物兵器）の典型的な粒子サイズの範囲(1 〜 7 μm)中には、これらの自然に発生する空中浮遊粒子はあっても殆ど無い。加えて、カビ菌は約 1 〜 5 μmの粒子サイズを有しているが、特定の場所の如何なるところの空気中のカビ菌の量も突然には変化しない。そのため、本発明の検出システムは、この特定の粒子サイズの範囲中にある粒子を検出して、0.5 μmの間隔で検出した粒子サイズの範囲を表示するように出力を生成する。1 to 7 μmのサイズの範囲内において空中浮遊粒子の数が突然に且つ局地的に増加することは、敵対的なバイオ活性剤（生物兵器）または病原体が故意に放出されたことを意味する可能性が高い。本システムは、関心のある粒子サイズの範囲内の粒子の自然なバックグラウンドレベルを検出して記憶するように調整された後、空中浮遊粒子数が突然増加するのを検出したとき警報を作動させるために、これをその後の出力ヒストグラムに対する比較レベルとして用いることができる。図６の粒子サイズ分布ヒストグラムは、1 〜 7 μm の粒子サイズ範囲において検出される粒子の数が通常レベルを超えている場合の有害となりうる状況を示している。
【００５２】
上記した本微粒子検出システムは微粒子の種類を特定しないが、通常の気象条件において関心ある範囲での空中浮遊粒子が比較的少ないために、空中浮遊バイオ活性剤（生物兵器）攻撃に対する高感度で費用対効果の高い警報としてその機能を果たす。この範囲内のすべての粒子は、人の肺に侵入でき、それらを吸い込んだ人に対して潜在的に有害あるいは致命的である。該警報装置は、付近の個々の人々に速やかに避難すべきとの警報を発することにより、そのようなバイオ活性剤に曝されることを減らす。
【００５３】
また、同じ検出システムおよび方法を、製造設備中の潜在的に有害なダスト（粉塵）の危険レベルを検出するために用いることもできる。例えば、有害なアスベスト繊維は約 5 μm の粒子サイズ範囲にあり、典型的な長さが約 5 μm 以上であり直径が約 1〜2 μmである。また、ベリリウムダスト（粉塵）は、肺に吸い込むと有害で、1〜5 μmの範囲にあるときにそうしたことが発生する。本発明の検出システムは、アスベストを含む建物に設置することができる。あるいは、作業員がそのような建物で働く際に、1 〜 5 μm の範囲において異常なピークが検出されて、空気中のアスベスト繊維が危険なレベルであることを示す可能性がある場合に警報を発することができる。同様に、1 〜 5 μm の粒子サイズの範囲中の粒子数が突然増加した場合に警報シグナルを発するために、作業員がベリリウム部品を加工する際に検出器をその付近で用いてよい。それにより、有害レベルのベリリウムダストが存在することを表示できる。検出器が同じ粒子サイズ範囲の無害粒子とアスベストまたはベリリウムダストを区別できなくても、アスベストまたはべりリウム環境中の作業において、この粒子サイズ範囲で検出される粒子レベルが急激に増加することは、その地域からの避難またはさらに詳しい検査が必要な潜在的に危険な状況を提示することになる。
【００５４】
上記の検出システムにおいて、２段階の検出および判別工程が用いられており、該システムの光学装置10によって、関心のある粒子サイズの範囲を含んでおり且つある所定の角度範囲の外側に散乱される光を最初に除去している。次に、検出された出力パルスをパルス高さに応じて判別し、各高さのパルスの数を計数して、例えば、0.2 μm 以内の粒子サイズに変換し、そして、結果をヒストグラムとして表示すると共に、新しいヒストグラムを好適な時間間隔で生成して、変化する粒子分布状況を示すのである。しかし、粒子サイズ分布のヒストグラムを表示する代わりに、別法として、検出装置の光学部分を配置して、1 〜 7 μmの粒子サイズの範囲に対応する散乱光シグナルのその部分のみを検出器14に指向させて、検出器の出力がある所定の閾値レベルを超えたときに該システムの残りの部分が警報シグナルを発するように構成してもよい。これにより出力の正確さが減少し、検出される粒子サイズの範囲内にある粒子サイズの判別ができなくなるが、それでも公知の空中浮遊病原体、アレルゲン、又はその他の有害粒子、例えば、ベリリウムダスト又はアスベストなどに対応するサイズの範囲で異常に大量の粒子が存在するとの比較的正確な警報を発生することができる。図1の光学組立品（光学アセンブリ）10は、より大きな遮光領域を中央に形成して約 7 μmよりも大きなサイズを有する粒子により散乱される光を遮光するように変更することのみが必要であろう。また、該出力回路は、検出器の出力のところに閾値レベル判別器を備え、該判別器からの出力シグナルを供給して、検出したシグナルがその選択した閾値よりも高いときに警報器を起動するように変更されよう。
【００５５】
本発明の病原体検出器は種々の応用用途において使用可能である。例えば、本発明の病原体検出器は、現場作業員用の電池駆動で携帯可能な手持ち式の検出器として実現することもできる。この場合、外部筐体は、光学ユニットと電気回路との双方を支持して、サイズの範囲により粒子を計数してよいし、さらに各粒子サイズに対して現在の粒子数を表示する装置、例えば、LED表示装置を有するであろう。それは無線のシグナルを基地ステーションに送るための送信機を備えてあってよい。また、それはレーザの低パワー状態に対する可聴の警報器および警告灯も内蔵していてよい。また、単独で使用するディスクトップ型は、オフィスビルなどでの使用が可能である。これは屋外型と同じであるが、壁にある差込口の標準電気からAC/DC変換器を経由して電力を供給されるであろう。後者の場合、該検出器は、オフィスのディスク上に設置された状態でバイオ活性剤に汚染された手紙や荷物を防止するように使用されてよい。
【００５６】
また、該検出器は建物の安全対策用複合システムの一部であり、中央の監視コンピュータやコントロールステーションに接続されて、各部屋に設置される多数の検出器から成るものであってよい。該コントロールステーションは、各部屋からの粒子のカウントを監視して、病原体サイズの粒子が異常に増加した場合には原因及び源を解析して、建物内の潜在的な拡散パターンを予測するようにプログラムすることもできる。より大規模な分散型システムは、軍事基地や都市の区画、すなわち、図１０で示されているようなものなどの、大きな建物の集合体で用いることができる。本検出器は、潜在的なバイオ活性剤又は生物兵器の粒子の増加の原因又は源およびすべての生物兵器の潜在的な拡散を再度解析することが可能であるような中央コントロールステーションにデータを送信するための無線送信機を有するものであってよい。
【００５７】
また、本発明の空中浮遊微粒子検出器は、クリーンルームの設備を監視して、汚染の可能性及び／又は物質の紛失の可能性について監視するのに有利に使用されてよい。
【００５８】
本発明の別の具体例では、半導体レーザの代わりにLEDが光源として使用される。LEDを光源として用いると、より寿命が長くて、装置のコストを下げることができ、しみができるのが少なくなるといったレーザより優れた点がある。また、LEDに対しての電気的な要求条件及びシールドの要求条件は、レーザについてのものより厳しいものでない。しかしながら、LEDは、半導体レーザよりは比較してかなり光の放射角の分布が大きいといった相対的には拡散性のある光源である。したがって、LEDを使用する場合、光のビームを収束せしめたり、光軸に平行としたりするためには、付加的な光学系（光学機器）が必要である。図９には、レーザの代わりの光学ユニット、LED 光源 120、及び光学レンズ122が示してある。図７は、本発明の空中浮遊微粒子検出器において光源としてLED 120を使用している単純化した光学式通路を示すものである。図７に示すように、光学レンズアセンブリ122はLED 120とフローセル100との間でLED 光源 120の前に配置される。光学レンズアセンブリ122は、複数のレンズを備えており、該レンズはLED 122からの光線をほぼ光軸に平行とされている光のビーム124に形を一緒になって整え、そして該光のビーム124はフローセル100上に集中せしめられる。別の具体例では、図７Ａに示されているように、光学レンズ126は、上記したミー粒子サイズ検出器と同様のミー散乱粒子サイズ検出器の第一のレンズ38の上又は該第一のレンズ38の近くに光線128の焦点を結ぶように設計される。所望の波長の範囲に渡って発光する様々なLEDが市場から入手可能であり、それらは本発明の空中浮遊微粒子検出器において有利に使用し得るものである
【００５９】
その他の具体例も可能である。例えば、図８を参照してみるに、上記した空中浮遊微粒子検出器はサンプルセル34の入口及び出口端部のところに水密性の入口及び出口カップリング（入口及び出口継手、又は入口及び出口接続具）140, 142、そしてファン37に代えての蠕動ポンプ又は渦巻きポンプ144を取り付けることにより封水中浮遊微粒子の検出に使用するように改変されていてもよい。興味のある水中浮遊微粒子、すなわち、バクテリア又はバクテリアの芽胞は、約 1 〜 20 μmのサイズ範囲を有しており、従って光線偏向部材40のサイズはそれに合致するように調整されるべきである。
【００６０】
まず、図１１、１２及び１３を参照してみるに、本発明のさらなる具体例に従っての空中浮遊又は水中浮遊バイオ活性剤の蛍光の検出及び同定のためのシステムは、ある選択粒子サイズ、例えば、おおよそ 1 〜 7ミクロンメートルの粒子を検出するための第一の光学式ユニット210と、生物トキシン又はバイオ活性剤と無機粒子とを判別するための第二の光学式ユニット300とを備えていることを特徴としている。該第一の光学式ユニット210は、光のビームを該光学式ユニットに指向するための半導体レーザ又はその他の光源212、光学式ユニットの出力のところにあり且つ該ユニットを透過した光を検出するための第一の光検出器214と、半導体レーザの光出力を検出するための第二の光検出器216と、光検出器214の出力を光検出器216の出力で除算するための差動増幅器218と、差動増幅器218の出力に接続されている増幅器226と、A/D変換器222と、ウインドウコンパレータ回路224と、該回路224の出力に接続されているコントロール-出力表示ユニット225とを備えていることを特徴としている。低いシグナルの検出用回路226は、光検出器216の出力に接続されており、該光検出器 216は半導体レーザのパワーを検出するものであり、回路226の出力はコントロールユニット225にも接続されている。また、警報装置 228はコントロール225に接続されている。この例示的に示されている具体例におけるサンプル領域は、図１Ａに関しての他の具体例で上記されているものと同じものである。
【００６１】
図１１〜１３を特に参照してみると、該第二の光学式ユニット300は、ある選択波長の範囲、例えば、約 370 nm 〜 約 410 nmの波長において動作する励起レーザ212を備えている。レーザ212は筐体内の空気サンプル領域234を通過するように平行レーザ光のビームを指向している。レーザ212は充分に強いもの（例えば、約 0.03ジュール/cm2のフルエンスを持つもの）で、ほんの僅かなピコグラムの物質を含有している単一の粒子における測定可能な蛍光を励起するものでなければならない。レーザ212からの平行光線が空気サンプル中にある生物粒子にあたって、もし該粒子が例えば、リボフラビン及び／又はNADHなどの生物的物質を含有していると、該粒子は蛍光シグナルを示し、それは、楕円形ミラー306の配置してある周囲の領域234の一部を介して集められ、蛍光検出器302の上に焦点を結ぶこととなろう。レーザ212、ミラー306及び検出器302はすべて、該筐体に対して固定されて配置されている。焦点の一つから出てくる光を別の焦点に収束せしめる能力を勘案して楕円形ミラーは選択される。この構造においては、該楕円形ミラーはバイオ-エアロゾルからの蛍光（楕円体の第一の焦点のところでの蛍光）の、同じ楕円体の第二の焦点のところに位置している光検出器に対しての効率的な収集器として働く。また、放物線形状をもつミラー又はその他の反射性の要素も使用できる。
【００６２】
本発明の好ましい具体例においては、警報器は次の二つの条件が満たされたときにのみ作動する：(1) ある所定のサイズの範囲 (約 1 〜 約 7 nm) 内にある空中浮遊微粒子の数が突然に上昇することが検出された場合、そして、(2) 例えば、レーザ励起光を用いて生物体又はバイオ活性剤あるいは有機物質が下記するように検出された場合。
【００６３】
それ自体では、粒子サイズのセンサーは周囲にある粒子からの誤った警告に対して弱点がある。こうした誤った警告をさらに減らすために、この具体例の病原体検出システムはUV光誘起蛍光センサーでもって粒子をサイズでみる能力を組み合わせて、生物的粒子と非生物的粒子を判別するようにした生物体又はバイオ活性剤について検証する検出器というものである。また、本発明の病原体検出システムは、好ましくは、生物兵器を含む生物体又はバイオ活性剤中に存在している代謝産物を検出するレーザ誘起蛍光センサーを有している第二の光学式ユニット300を備えている。特には、該第二の光学式ユニット100は約 270 nm 〜 約 410 nm、好ましくは、約 370 nm 〜 約 410 nmの波長で動作する励起レーザを備えている。バイオ活性剤は次の三種の一次代謝産物を含有しているという前提に基づいて約 270 nm 〜 約 410 nmの波長が選択される：トリプトファン、これは、通常、約 220 nm 〜 約 300 nmのレンジを伴う約 270 nmの蛍光; ニコチナミド・アデニン・ジヌクレオチド(NADH)、これは、通常、約 340 nmの蛍光(レンジ 約 300 nm 〜 約 400 nm); そして、リボフラビン、これは、通常、約 400 nmの蛍光(レンジ 約 320 nm 〜 約 420 nm)。好ましくは、しかしながら、約 370 〜 約 410 nmの波長を備えた励起レーザを使用するのが好ましい。これはバイオ活性剤中の上記三種の一次代謝産物のうちの二種、NADHとリボフラビンを確実に励起し、ディーゼルエンジン排ガスや、例えば、ダスト又はベビーパウダーなどの、その他の不活性粒子といった干渉性物質を励起することを排除することになる。このように、好ましい具体例では本発明は励起光源の波長の範囲を公正に選択するものであり、該励起光源はNADHやリボフラビンからの蛍光を励起する能力（トリプトファンを励起する能力に先行する）を保持している一方、例えば、ディーゼルエンジン排ガスなどの干渉性物質を励起することはない。本処理はディーゼル排ガス（例えば、266 nmの光などの短波長UVで励起される）により生まれる誤った警報を減少せしめるように採用される。
【００６４】
蛍光検出器302の出力はディバイダー219に接続され、該ディバイダー219は増幅器227及びA/D変換器222を通ってコントロール225に接続され、該コントロール225は、今度は、表示及び警報装置228に接続されている。
【００６５】
前記具体例の場合のように、該病原体検出器は、現場作業員用の電池駆動で携帯可能な手持ち式の検出器として実現されていてよい。そしてそれは各粒子についての現在の粒子のカウントを表示すること及び蛍光を発している代謝産物が検出された場合にシグナルを表示することを備えたものであってよい。また、それはレーザの低パワー状態に対する可聴の警報器および警告灯も内蔵していてよいし、所望の場合に、シグナルを基地ステーションに送るための送信機を備えてあってよい。また、単独で使用するディスクトップ型は、オフィスビルなどでの使用が可能である。これは屋外型と同じであるが、壁にある差込口の標準電気からAC/DC変換器を経由して電力を供給されるものであってよい。後者の場合、該検出器は、オフィスのディスク上に設置された状態でバイオ活性剤に汚染された手紙や荷物を防止するように使用されてよい。
【００６６】
この本発明の具体例は、改変可能である。例えば、約 370 nm 〜 約 410 nmの波長で動作する単一のレーザ光源を粒子サイズをカウントしたりするため及び蛍光を励起するための別々となっている光源の代わりに、光学式スプリッタと共に使用してもよい。加えて、本発明は水中浮遊病原体検出のため蛍光粒子をサイズで分けるバイオセンサーとして使用してもよい。水中浮遊病原体としてはバクテリアあるいはバクテリアの芽胞のいずれであってもよい。したがって、水中浮遊病原体のサイズの範囲は、空中浮遊病原体よりは幾分広がったもので、典型的には、約 1 〜 約 20 ミクロンメーターである。図１９及び２０を参照してみると、図１１と同様な装置であり、それはサンプル領域234に対する水密性の入口及び出口のカップリング340, 342、そして蠕動ポンプ又は渦巻きポンプ324を備えることにより水中浮遊病原体を検出するのに使用するよう変えられていてよい。
【００６７】
上述の具体例では、蛍光の発光を感知する検出器を備えた光学システムが代謝産物を分析するために使用されている。微生物（細菌、真菌など）は代謝に関与しているある種の化学物質（代謝産物）を含有している。微生物の主要な代謝産物にはトリプトファン、ピリドキシン、NADH、そしてリボフラビンといったものが挙げられる。これらの異なっている代謝産物は至適励起が異なった励起波長範囲を有しているので、異なった励起波長を備えたマルチレーザを使用するための仕組みを利用することは優れた点を有している。マルチ波長の仕組みの原理は次のようなものである、すなわち、1)代謝産物の蛍光励起曲線の最大値をターゲットとすることにより励起効率を最適化すること；そして2) 異なるタイプのバクテリア（又はその他の微生物）はそれぞれの細胞内に異なった組成比率の代謝産物を持っているので、マルチ波長励起で該代謝産物の相対的な組成についての情報を得ることが可能となり、微生物のタイプを大雑把に分類することができるようになる。
【００６８】
本発明の別の好ましい具体例では、異なる代謝産物からの蛍光の発光を明快に分析する目的で、タンデムモジュール型を使用する。該タンデムモジュール型では、粒子の流れは並ぶようにされた二つの蛍光センサー500, 502 (図２４参照)を通過していくようになっている。各センサーは異なった波長を持ったレーザ510, 512（種々の代謝産物の至適励起波長に調整されている）を有している。好ましい具体例の一つの例では、リボフラビンには405 nmのレーザ波長が適しており、そしてNADHには330-380 nmのレーザ波長が最適である。図２４に示されているように蛍光センサーの二つのモジュール（それぞれ405 nm及び340 nmのレーザ波長を有しているセンサー500とセンサー502）は、共通の気流管504でもって連続するように配置されており、それは両方のセンサーの粒子感知領域506, 508を通過するようになっている。センサー500とセンサー502はそれぞれリボフラビンとNADHの存在を、至適に、検出する。図２１〜２２は、J. -K. Li et al, 「Monitoring cell concentration & activity by multiple excitation fluorometry」 Biotechnology. Prog. Vol. 7, 21, 1991に示されている蛍光の発光対励起波長曲線を示すものである。
【００６９】
別の場合では、トリプトファン又はピリドキシンからの蛍光を至適に励起するためには、それぞれ270nm及び320nmの波長が選択されよう。センサー500（又はセンサー502）における蛍光の検出は、次のようなタイプであることができる。すなわち、1) スペクトルの全ての範囲にわたりすべての蛍光シグナルを積算するもの。この場合には、代謝産物からの蛍光シグナルは長波長光学式パスフィルターを通して励起レーザ光を除去してからセンサーの光検出器に送られる。センサー500とセンサー502のシグナルの強度の比はそれぞれのセンサーにおける二つのタイプの代謝産物の相対存在量を示すこととなる。（例えば、該二つのセンサーのため、405nm及び340nmの波長が選択されると、すべての蛍光シグナルの比はリボフラビンとNADH相対存在量に連関することになる。） 2) 個々のセンサーの波長選択性の要素はスペクトル解析を行う。この場合では、二つのセンサーによりなされるスペクトル解析で異なった励起条件下（すなわち、異なった波長条件下）蛍光スペクトルの情報が得られる。いずれの場合においても、収集された情報は微生物を分類するのに役立つであろう。
【００７０】
図２３は上記した四種の代謝産物の蛍光発光スペクトルを示すものである。スペクトル解析、特に異なった励起波長でもってのスペクトル解析で、微生物の組成を探索することができるし、微生物の検出並びに分類の目的に得られた情報を使用できるであろう。
【００７１】
二つのチェンバーを持っているセンサーの概要が図２４に示されている。マルチ波長の病原体センサーをデザインする場合に考慮することとしては、次のことが挙げられる。すなわち、1) タンデム構造の各センサーユニットは標的の代謝産物化合物に適している特定の波長を備え且つそれぞれが独立した蛍光／粒子サイズセンサーである。2) 二つのセンサー500, 502は、図２４に示されているように、同一の気流管又は通路504を共有している。気流中の空中浮遊微粒子は該センサーの感知領域506, 508を順次通過するように504を通る。該二つのセンサー500, 502は、順番に同一のバッチである空中浮遊微粒子を測定し、それゆえに、これら二つのセンサーからの蛍光シグナルを相互に関連付けるのには望ましい。この相互に関連付けをなす一つの方法は、粒子がセンサー500からセンサー502まで移動するといった短時間の間では粒子サイズの分布は意味のあるほど大きくは変化しないとの仮定のもとで、両方のセンサーからの粒子サイズの測定データを使用し、二つのセンサーからの蛍光シグナルと対応させるというものである。3) 本蛍光／粒子サイズセンサーのデザインの変形の一つとして、二つのレーザをそれぞれのセンサーにおいて使用してもよい。すなわち、センサー500及びセンサー502に共通するレーザ（例えば、630 nmの赤色半導体レーザ）を粒子サイズを測定するのに使用して、粒子サイズを同一の形式で決定確認する一方、励起レーザ（それぞれ、センサー 500とセンサー 502に対して異なるもの）を代謝産物からの蛍光を励起するのに使用するものである。両方のセンサーに対して共通するレーザ波長を使用する理由は、同一の粒子サイズ測定法を確実に行い、これら二つのセンサーからの蛍光シグナルを粒子サイズの情報に基づいて正しく相関せしめることができるからである。こうした配列構造は、粒子による励起光の吸収の違いによりそのサイズの測定を誤ったものにしてしまうというのを避けるためである。この例示的に示されている具体例は二つのセンサー及び筐体を使用しているが、当業者であれば如何なる数のセンサー及び筐体も使用してよいことは理解できよう。
【００７２】
また、本発明の別の具体例では、二つの光のビーム（二つの光線）を連結して二つの蛍光シグナルを同時に測定することが可能である。図２５に示すように、二つの光源802, 804は光学カップラー812を介して連結されている。図２６に示されているように、ファイバーカップラー840又はビームスプリッター842のいずれかを使用して結合することができる。該二つの結合された光のビーム814は、光学ユニット816中にあるノズルウインドウ開口部818中で入ってくる粒子を途中でさえぎる。
【００７３】
該二つの光源802, 804は変調ユニット820, 822により二つの異なる電気周波数(fl及びf2)で変調される。該変調ユニット820, 822は、内部電流を変調することにより（もし二つの光源が、例えばLEDあるいは半導体レーザであるなら）、又は機械的なチョッパー、音響-光学的変調器あるいは電子-光学的変調器による外的な変調により作動されることができる。
【００７４】
好ましい具体例では、光電子倍増管(PMT) 824が光学ユニット816中の蛍光シグナルを検出するのに使用される。PMTを出たシグナル826はそれぞれの変調周波数(fl又はf2)に調節してある二つのロックインアンプ828, 830に送られる。この仕組みでは、変調周波数flを持つシグナルは、励起波長λ1に由来するものであり、変調周波数f2を持つシグナルは、励起波長λ2に由来するものである。異なるように変調された入射光線と対応するロックインアンプでもって、二つの励起光源からの蛍光シグナルは光学的に混合せしめられるが、それらは異なった変調周波数(それぞれ、fl及びf2)を持つもので、それゆえ、それらは電子的に異なっており、二つのロックインアンプ828, 830により容易に判別できる。ロックインアンプ828, 830からの二つのシグナル出力は、それぞれFLOURl及びFLOUR2である。
【００７５】
同様に、光学カップラーのところでは光線の一部は分割せしめられて光検出器 832に送られる。該光検出器 832は、光を電流のシグナルに変換し、例えば、トランスインピーダンス型増幅器(TIA)のような増幅器（アンプ）834は電流のシグナルを電圧のシグナルに変換する。最後に、増幅器836, 838は特定の変調周波数を有するシグナルを選択的に増幅し、REFl及びREF2シグナルを作り出す。次に、REFl及びREF2シグナルを、それぞれFLOURl及びFLOUR2シグナルから差し引いて、サンプル中の粒子に関しての蛍光発光スペクトルを作り出す。
【００７６】
本発明の別の具体例は蛍光／粒子サイズセンサー中の光線遮光器についてのシミュレーション及び実験に基づき蛍光／粒子サイズ検出システムを修飾することを含むものである。Hamburger et al.の前記特許及び特許出願は、レーザの残部が粒子からの散乱光を測定するのに干渉してしまうことを遮断するため光線遮光器を使用することを開示している。
【００７７】
この本発明の具体例では、異なるサイズの光線遮光器が蛍光／粒子サイズ検出システムの感度を改善するために使用されている。光線遮光器のサイズを大きくすると、別の場合には観察されていた粒子のすべてが、強度を低減せしめるにつれ、依然として見ることができることになる。該光線遮光器を大きなものにして、広範な範囲のサイズにわたる粒子を測定する能力を顕著に減少せしめることなくレンズのほぼ全体を遮光するようにしてよい。
【００７８】
さらに、該光線遮光器による散乱光は、集光され測定されることができる。非常に小さな光線遮光器に関しては、散乱光と粒子サイズとの間の相互関係は単純な関係性に合致するものでなく、ある種の条件下では非単調性のものでさえあった。しかしながら、ある種の角度に関して、該遮光器はこれらの不整合性を減少せしめたし、粒子サイズと集光された散乱光との間の関係がかなり予測できるものとなった。加えて、角度が大きくなるにつれ、集光された光の量が減少することを除いては該関係は基本的に無変化に保たれる。すなわち、該遮光器がある最小のサイズより大きくて、粒子サイズと集光された散乱光との間の関係が高度に予測できるものである限り、遮光器の許容性は非常に寛容性がある。比較的大きな遮光器に関しての粒子サイズと集光された散乱光との間の関係は、相当に滑らかで予測可能なもので、それは10〜20μmの粒子についてさえそうである。それゆえ、該光線遮光器で反射された光を集めるために、チェンバー中に第二の検出器を配置すると、粒子のサイズを検出する別途の手段となる。
【００７９】
第二の検出器の使用は、0.1 μm 〜 10 μmのサイズの粒子を測定するのに大変利点がある。テストやシミュレーションにより、比較的大きな粒子と一緒に0.1 μmのサイズまでの小さな粒子であって且つ動的な範囲を必要とする測定粒子は、達成することが困難である検出器のため動的な範囲を必要とするであろうことが示された。遮光された光は小さな粒子を測定するにあたりより良好な感度を与えることができた。そしてテストはレンズを通って測定された粒子の角度をなしている範囲というものを分割することでの理想的なポイントというものを示した。
【００８０】
この具体例では、蛍光／粒子サイズ検出システム900はそれ自体光線遮光器を有していない。しかしながら、前記の具体例におけるように、光線906は筐体902内のサンプル領域904に入っていき、該光線は流動体の流れの中にある粒子で向きを変えられるのである。サンプル領域 904を出て行く光線（ビーム）の散乱されない部分及び散乱された部分の両方の光路にある筐体中に、レンズ908が置いてある。遮光している部分910は、レンズ908の背後に配置され、低い角度(ローアングル)検出ユニット912内へ、光線の散乱されない部分及び低い角度で散乱された光の部分を反射するようにされている。該ローアングル検出ユニット912は検出器及び光線を焦点に結ぶため及び光線が検出器に入る前に光線の散乱されない部分を除くための光学系（光学機器）を備えている。該ローアングル検出器は0.1 μm 〜 1 μmの粒子を測定するように最適化されていてよい。
【００８１】
また、筐体902は、蛍光検出器914及び粒子検出器916を備えている。二色性フィルターのような波長選択性のフィルター912を遮光する部分910の背後の光線の通路に配置する。フィルター912は、それぞれレンズ918, 920を通して蛍光検出器914及び粒子検出器916に光を選択的に透過する。粒子検出器916は1 μm 〜 10 μmあるいはそれより大きいサイズの粒子を測定するように最適化されていてよい。粒子の範囲及び散乱強度を一つの検出器による測定のいずれかに分割することにより、検出器に必要とされる動的な範囲は比較的実行可能な範囲に低減せしめられる。
【００８２】
また、この具体例はレーザ中にあるノイズを減少させるための光学系を備えている。これらの光学系（光学機器）は本発明の具体例のいずれにおいても使用されてよい。残留しているノイズを低減する光学系は、ノッチフィルター922、ビームエクスパンダー924、線形偏光子926及びtop hatフィルター928を備えている。
【００８３】
マルチ型検出器を使用するという考え方は、検出されるべき粒子サイズの最適化された領域に対応している別々の検出器に再度指向されるべき集光レンズの任意の角度を持っている領域を選択するのに拡張せしめることができる。これの限界は光の全てを集め且つ得られたイメージを解析するためカメラを使用することであろう。そうした極端な手段は、実用的でない。というのはカメラは個々の検出器より動作がかなり遅いし、より多くの処理用のパワーを必要とするし、実現するのに顕著にコストがかかることになるからである。これらのゾーンを最小限に保ったり、個々の偏光処理及びマルチ波長での散乱処理に関して強度のような付加的な情報を比較することにより、高められた感度とか新たな感度を達成することが可能であるかもしれない。
【００８４】
本発明のさらに別の具体例は、蛍光／粒子サイズ検出センサーのための改良型テスト実行システムを備えている。ミクロンメーターサイズの微粒子を検出するためのシステムの能力をテストするために、ミクロンメーターサイズの粒子を含有しているテスト粉末を、図１に示すように、サンプル領域34に注入する必要がある。伝統的には、テスト粉末はチェンバー中に置かれ、サンプル領域34に繋げられる。次に、空気は該チェンバーを通るように吹き動かされて、強制的にテスト粒子をエアロゾル化せしめ、その粒子を蛍光／粒子サイズ検出センサーのサンプル領域の中に押し込む。
【００８５】
典型的には、米国アリゾナの道路ダストがこれらのテスト用に使用される。アリゾナの道路ダストは、何年もの間、ろ過作用、自動車業界、重量機械装置部品をテストするために使用されてきた。アリゾナの道路ダストには色々な名称が適用されてきており、そうしたものとしては、Arizona Silica, AC Fine and AC Coarse Test Dusts, SAE Fine and Coarse Test Dusts, J726 Test Dusts, そして、ごく最近では、ISO Ultrafme, ISO Fine, ISO Medium and ISO Coarse Test Dustsが挙げられる。アリゾナ道路ダストは、米国アリゾナ州ソルト・リバー・バレー(the Salt River Valley, Arizona)中の空気から降り積もった細かな物質からなるものである。該アリゾナ州ソルト・リバー・バレーから得られた空気中に浮遊しているダストを調べると、それは高い百分率で非常に微細な粒子を含有していることが示されている。該微細な粒子は本質的に大きな研磨作用を有しているもので、空中浮遊病原体、微生物、カビ菌、生物兵器、危険なダストなどの良好なテスト実行用代替品である。しかしながら、アリゾナ道路ダスト及びその代替品は、一緒になって大きな粒子の塊になる傾向があり、検出システムのテストの実行及び較正に影響を及ぼすことがある。このように、テストの実行及び較正の間に該センサーに入る粒子が大きな固まりになるのを制限するようなシステムの必要がある。
【００８６】
該テストシステムのこの具体例においては、粒子サイズフィルターユニット700が比較的大きな粒子あるいは粒子の塊が蛍光／粒子サイズ検出システムに入っていくという問題を除くために備えられている。ある量のテスト粉末702がフィルター媒体708の上に置かれ、フィルター700は、図２３に示されているように、フィルター内に及びフィルターを通して該粒子をチェンバーに動かして送るために軽くたたかれる。チェンバー706の出口端710は、図１Ａからのサンプル領域の入口端102に接続せしめられている（図１及び１Ａ参照）。該フィルター媒体は大きな求められるものでない粒子あるいは比較的小さな粒子の塊が粒子検出システムの入口102のところに送り込まれるのを制限する。
【００８７】
該フィルターユニット700は、サイズ選択性のフィルター媒体708を備えている。好ましくは、該フィルター媒体708は、ハイ・エフィシエンシー・パーティキュレート・エアー(High Efficiency Particulate Air; HEPA)フィルターである。空気から0.3ミクロンメーターの粒子を99.97%除くためにはHEPAフィルターが必要である。このように、それらは蛍光／粒子サイズ検出システム用テストシステムで使用するのに理想的に適している。しかしながら、該使用フィルター媒体は一つのタイプのフィルターに限定されるものではない。使用者が求める最低条件を上回るものであれば粒子又は粒子の塊を除いたりするフィルター媒体は如何なるものも、本発明の具体例に矛盾するものでない。
【００８８】
上記本発明の具体例は、単に可能な実施例であり、本発明の原理を明確に理解するためにに示されているだけのものであることは強調されるべきである。本発明の精神並びに原理から実質的に逸脱しないかぎり上記本発明の具体例に対して多くの変形並びに修飾をなしてよい。そうした変形及び修飾のすべては、本明細書の開示並びに本発明の範囲内に含まれることが意図されており、添付の特許請求の範囲により保護されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一つの具体例である微粒子検出システムの光学部分のブロック概略図である。図１Ａは、図１の検出システムのサンプル領域の部分の詳細を示すものである。
【図２】空中浮遊微粒子のサイズに対するミー散乱断面の関係を示すグラフである。
【図３】図１の光学システムを取り入れた本発明の具体例である微粒子検出システムのブロック図である。
【図４】パルス高測定並びに表示回路のブロック図である。
【図５】図４の回路のアナログ−デジタルコンバーターの部分の概略図である。図５Ａは、本回路の様々なところでのパルスの波形を示す図である。
【図６】ある所定サイズにある粒子数がある所定量をこえた状態で警報を発するといった条件での図３及び４のシステムにより表示された出力ヒストグラムの一例を示す。
【図７】レーザ光源に代えてUV LEDを使用しており且つ本発明に従った粒子検出器の別の形態のものの、図１と同様の図である。
【図８】水中浮遊微粒子を検出するために特にデザインされたもので且つ本発明の別の具体例である粒子検出器の、図１と同様の図である。
【図９】レーザ光源に代えて図７及び７Ａの具体例に従いUV LEDを使用しており且つ本発明の図８における具体例である水中浮遊微粒子検出器の、図８と同様の図である。
【図１０】グリッド中に複数の本発明の検出器を描いてある平面図である。
【図１１】本発明の別の具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムの斜視図である。
【図１２】本発明の別の具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムの概略図である。
【図１３】本発明の別の好ましい具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムのブロック概略図である。
【図１４】それぞれ、チロシン、トリプトファン、ニコチナミド・アデニン・ジヌクレオチド(NADH) 及びリボフラビンの相対蛍光強度に対する波長の関係を図示するグラフである。
【図１５】それぞれ、芽胞（胞子）、道路のダスト、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、カーボン・ブラックの相対蛍光強度に対する波長の関係を図示するグラフである。
【図１６】酵母サッカロミセス・セレビッシエ(Saccharomyces cerevisiae)のエアロゾルの相対蛍光強度に対する波長の関係を図示するグラフである。
【図１７】ディーゼル排ガスの相対蛍光強度に対する波長の関係を図示するグラフである。
【図１８】本発明の別の好ましい具体例である空中浮遊病原体検出器及び空中浮遊病原体の特性分析システムの、図１２と同様の図である。
【図１９】本発明の別の具体例である水中浮遊病原体検出器の、図１８と同様の図である。
【図２０】レーザ光源に代えてUV LEDを使用しており且つ図１９と同様の図である。
【図２１】NADPHに関し波長の関数として蛍光発光の強度を描いたグラフである。
【図２２】リボフラビンに関し波長の関数として蛍光発光の強度を描いたグラフである。
【図２３】Hgアークランプで励起した四種の代謝産物の蛍光発光スペクトルを描いたグラフである。
【図２４】本発明の具体例であるデュアル励起レーザ波長タンデムモジュール型微粒子／蛍光検出システムを示す。
【図２５】本発明の具体例である微粒子／蛍光検出システムを示す。該システムでは二つの光のビーム（光線）は一緒にされて二つの蛍光シグナルを同時に測定することが可能にされている。
【図２６】図２５の微粒子／蛍光検出システムにおいて使用している光学カップラーの例である。
【図２７】本発明の別の具体例で、光のシグナル中にあるノイズを低減するための光学系である。
【図２８】微粒子検出システムで使用されるテストシステムの具体例である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2008508527.tif 000027
【図２５】
2008508527.tif 000028
【図２６】
2008508527.tif 000029
【図２７】
2008508527.tif 000030
【図２８】
2008508527.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月26日(2007.3.26)
【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】
約2 mmを超えない断面サイズである空気サンプル又は水サンプル用セル領域を有している外部筐体と、
空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気を通過するように当てて、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズの粒子により光線の一部を様々な角度に散乱せしめる一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
空気サンプル用セル領域の反対の側にある光線遮光装置であって、光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光する光線遮光装置と、
空中浮遊微粒子検出システムの場合、コントロール用電気回路を備え且つ光線遮光装置の下流側の光路中に位置している第一の検出器であって、散乱光の一部を検出し、ある所定サイズの範囲内にあり且つ光路中に存在している粒子の数についての情報を含んでいる出力を生成する第一の検出器、あるいは、
水中浮遊微粒子検出システムの場合、光線遮光装置の下流側の光路中に位置している検出器であって、該光線遮光装置により該検出器に指向せしめられた光を検出し、出力パルスを生成し、それぞれのパルスは微粒子のサイズに比例した高さを有しているものである検出器、及び、ある与えられた時点の水サンプル中で検出された水中浮遊微粒子のサイズの分布を取得するためのパルス高判別器と
を備えていることを特徴とする空中浮遊又は水中浮遊微粒子検出システム。
【請求項２】
(a) 所定サイズの範囲内にある粒子の数が、そのサイズの範囲内の所定の通常レベルを超過した場合に警告のシグナルを与えるための警報ユニットであって、そこでは好ましくは空気の場合おおよそ1 〜 7μmのサイズの、あるいは、水の場合おおよそ1 〜 20μmのサイズの範囲内の検出粒子の数がある所定レベルを超過した場合に該警報ユニットは警告のシグナルを生成するもの、
(b) パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中又は水中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを生成し、且つ、出力装置に該ヒストグラムを表示するもの、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線遮光装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び／又は、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出す警報装置を備えており、及び／又は、該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該光源はレーザを有しているものである、
(e) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、
(f) 空中浮遊微粒子検出システムの場合、
(i) 該サンプル領域と該光線遮光装置との間に位置している透光性の仕切りスライドであって、該仕切りスライドは好ましくは該筐体に取り外し可能に装着せしめられているもの、及び／又は、
(ii) 該光源は光の形状を整えたりするため及び／又は当該光線からノイズを除くための光学式レンズを有している、
(g) 水中浮遊微粒子検出システムの場合、該サンプル用セルは入口と出口を有しており、当該出入口には水密性接続具を備えてあり、好ましくは該水密性接続具が取り外し可能なものである、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
空気サンプル用セルを有している外部筐体と、
空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、収束光線をサンプルの空気を通過するように当てて、それによりサンプル領域中に存在する種々のサイズの粒子により光線の一部を様々な角度に散乱せしめる一方、光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
空気サンプル用セル領域の反対の側にある光線遮光装置であって、光線の散乱されない部分の少なくとも一部を遮光する光線遮光装置と、
光線遮光装置の下流側の光路に位置している第一の検出器であって、散乱光の一部を検出し、出力パルスを生成し、それぞれのパルスは微粒子のサイズに比例したパルス高を有しているものと、そして
ある与えられた時点の空気サンプル中で検出された空中浮遊微粒子のサイズの分布を取得するパルス高判別器と
を備えていることを特徴とする空中浮遊微粒子検出システム。
【請求項４】
(a) 所定サイズの範囲内にある粒子の数が、そのサイズの範囲内の所定の通常レベルを超過した場合に警告のシグナルを与えるための警報ユニットであり、おおよそ1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出粒子の数がある所定レベルを超過した場合に該警報ユニットは好ましくは警告のシグナルを生成するもの、
(b) パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを生成し、且つ、出力装置に該ヒストグラムを表示するもの、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線遮光装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すものを備えており、及び／又は、該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル領域と該光線遮光装置との間に位置している透光性の仕切りスライドであって、好ましくは該仕切りスライドは該筐体に取り外し可能に装着せしめられているもの、
(e) 該光源はレーザを有しているものである、
(f) 該光源はLEDを有しているものであって、そして、好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有しているものである、及び
(g) 該光源は光の形状を整えたりするため及び／又は当該光線からノイズを除くための光学式レンズを有している、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
自然環境の空気中のおおよそ 1 〜 7 μmのサイズの範囲の空中浮遊微粒子を検出するための検出装置あるいは自然環境の水中にあるおおよそ 1 〜 20 μmのサイズの範囲の水中浮遊微粒子を検出するための検出装置であって、該検出装置は
約2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セル中の自然環境の空気又は自然環境の水のサンプルを通過するように収束光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を散乱されないままとし、該光線の第二の部分を該空気サンプルに存在する種々のサイズの微粒子により様々な角度に散乱し、そして該散乱角度及び散乱断面が粒子のサイズに依存したものとなるようにする光源と、
ある所定サイズの範囲内にある微粒子により散乱された光に相当する光線のある所定部分を該光線の残部より分離し、光路に沿うように該光線の分けられた部分を指向するための光線分離装置と、
該光路に位置している第一の検出器であって、それは該光線の分けられた部分を検出し、そしてある所定サイズの範囲内にあり且つ光路中に存在している粒子の数についての情報を含んでいる対応する出力シグナルを生成するための第一の検出器と
を備えていることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
(a) 該検出器の出力に繋がっているコントロールユニットであって、空気の場合おおよそ 1 〜 7 μmのサイズの、あるいは、水の場合おおよそ1 〜 20μmのサイズの範囲の中にある微粒子の検出数がある所定値を超えると警告のシグナルを出すもの、
(b) 該検出器の出力に繋がっているパルス高判別器であって、パルスの高さに基づいて、該検出器からの出力パルスを分離して計数するパルス高判別器、該パルス高判別器の出力に繋がっているプロセス処理ユニットであって、それぞれのパルスの高さに基づいて、ある与えられた時点の粒子サイズの分布を処理し、空中浮遊微粒子サイズの分布のヒストグラムを包含する出力を生成するプロセス処理ユニット、及び、該プロセス処理ユニットの出力に繋がっている表示装置であって、該粒子サイズの分布のヒストグラムを表示する表示装置、
(c) 光線の散乱されない部分の光路にある光線分離装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、及び、好ましくは該第二の光検出器の出力に繋がっているパワーモニターであって、光源の出力パワーの低下を検出するもの、及び該パワーモニターに繋がっている警報装置であって、光源のパワーがある所定レベルより低下すると警告のシグナルを出すものを備えており、及び／又は、該二つの光検出器の出力に繋がっている差動増幅器であって、該第一の光検出器の出力を該第二の光検出器の出力でもって割り算するもので、該差動増幅器の出力は該パルス高判別器に繋がっている出力を保有しているもの、
(d) 該サンプル領域と該光線分離装置との間に位置している透光性の仕切りスライド、
(e) レーザを有している光源、
(f) LEDを有している光源であって、そして好ましくは該LEDからの光をほぼ光軸に平行な光線にするための光学式レンズを有している光源、
(g) 空気の場合、光線の散乱されない部分の光路にある光線分離装置の上流側に位置する反射装置であって、別の第二の光路にある光線の散乱されない部分の少なくとも一部を反射するもの、及び該反射装置から反射される光を検出するように配置してある第二の光検出器、
という構成の一つ以上のものをさらに備えていることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
約 2 mmを超えない断面サイズであるサンプル用セルにある自然環境の空気のサンプルを通過するように光線を指向し、それにより該光線の第一の部分を該サンプル中に存在する微粒子により散乱せしめる一方、該光線の第二の部分を散乱されないままにしておく処理、
該空気サンプル又は水のサンプルを通過した光線の両方の部分を受け取り、光線遮光装置に該光線の部分を指向せしめる処理、
該光線遮光装置の所で該光線の少なくとも第二の部分を遮光せしめ、該光線の第一の部分の少なくとも一部を第一の検出器に指向せしめる処理、
該第一の検出器からの電気パルス出力のパルス高を測定する処理、
ある所定時間間隔でそれぞれのパルス高を有するパルスの数を計数する処理、
及び
該パルス高を粒子のサイズに変換する処理
をすることを特徴とする空中又は水中浮遊微粒子検出法。
【請求項８】
(a) 空気の場合1 〜 7μmのサイズの範囲内の検出パルスの数超過した場合に、そして水の場合1 〜 20μmのサイズの範囲内の検出パルスの数が超過した場合に、警告のシグナルを生成すること、
(b) それぞれの粒子サイズに関するパルスの数のデータを該検出粒子サイズの分布のヒストグラムに変換し、出力表示装置に該ヒストグラムを表示し、そして該変換を繰り返し行って新たな空気サンプルにつきある所定間隔で処理を表示すること、
(c) 知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布と該ヒストグラムとを比較し、該検出された分布が知られているバイオ活性剤の微粒子のサイズの分布のいずれかに合致した場合に警報を発生すること、
(d) 該サンプル領域を通過するように空気を連続的に吹き付けて周囲の領域の変化する状態をモニターすること、
(e) 該光線の第二の部分の少なくとも一部を第二の検出器に反射し、該第二の検出器の出力を光源の出力のパワーの低下を検出するためのパワーモニターに接続し、該光源のパワーがある所定レベルより低下した場合に警告のシグナルを出すこと、
(f) 空気の場合、該サンプル領域と該光線遮光装置との間の透光性の仕切りスライドを塵埃が光学式部品の中に入ってしまうのを防止するように配置すること、
という構成又は処理の一つ以上のものをさらに有していることを特徴とする請求項７記載の検出法。
【請求項９】
流動体中のある所定粒子サイズを有する生物体又はバイオ活性剤を検出するための検出システムで、該システムは
筐体であって、流動体が該筐体を通過して流れるようになっている通路を有している筐体と、
該通路中を流れている流動体を通過するように光線を送り出す第一の光源と、
該通路の下流にあり且つ第一の光源の光路に位置している検出器であって、流動体中のある選択されたサイズの範囲にある粒子の中で検出と判別を行う検出器と、
該通路を通過する流動体を通るように光を送る第二の光源であって、該流動体中の粒子に蛍光を励起して発生させるものと、
楕円形ミラーであって、該楕円体の焦点の一つのところで生成された蛍光シグナルを集光して、該楕円体の他方の焦点のところに位置している光検出器に該集光された蛍光シグナルを指向せしめる楕円形ミラーと、
上記第二の光源の光路に位置している検出器であって、該粒子の蛍光を検出する検出器と
上記第一の検出器及び第二の検出器の出力に繋がっているコントロール回路であって、ある選択条件下に警告の出力シグナルを出すコントロール回路、
を備えていることを特徴とする検出システム。
【請求項１０】
(a) 該第一の光源及び第二の光源が単一の光源を有していること、
(b) 該流動体が空気を包含していること、
(c) 該流動体が水を包含していること、
(d) 該流動体が空気を包含し、該微粒子が約 1 〜 約 7ミクロンの大きさであること、
(e) 該流動体水を包含し、該微粒子が約 1 〜 約 20ミクロンの大きさであること、
(f) 第二の光源が波長約 270 nm 〜 約 410 nmであるか、又は、波長約370 nm 〜 約 410 nmであること
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
生物体又はバイオ活性剤を含有している流動体が流れるような通路と、
上記通路に沿うように順番に繋がっている複数の筐体と、
上記複数の筐体のそれぞれにある少なくとも一つの光源であり、該流動体を通過するように光を出して、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起して発生させる光源と、
上記通路の下流にあり且つ光路の中に位置している検出器であり、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子サイズを検出し、相当する出力シグナルを生成する検出器
を備えていることを特徴とする蛍光／微粒子検出システム。
【請求項１２】
(a) それぞれの光源が異なっている波長を持っている光を出すものである、
(b) それぞれの光源が調整されて一つ以上の代謝産物を最適に励起する波長の光を出すものである、
(c) 一つの光源の波長がリボフラビンを検出するのに適したものである、
(d) 一つの光源の波長がNADHを検出するのに適したものである、
(e) 蛍光センサーの上流側にあり且つ光線の光路にある長波長用光学パスフィルターであって、励起レーザ光を除くためのの長波長用光学パスフィルター
(f) 上記検出器は光の波長分析を行うための波長を選択する構成要素を含有しているものである、
(g) 上記複数のセンサーは同じ処理分である流動体の蛍光を測定するものである
(h) それぞれの筐体が二つの光源を含有しており、それぞれの筐体の中の一つの光源は共通する波長を有して一致する粒子サイズの測定を保証するものである、
(i) 上記流動体が水である、
(j) 一つの光源の波長が約 270 nm 〜 約 410 nmである、
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項１１記載の蛍光／微粒子検出システム。
【請求項１３】
流動体を通過するように複数の光線を指向せしめ、一部の光が生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起する処理、
光路に位置している検出器でもって上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子のサイズを検出する処理、
対応する出力シグナルを生成する処理、
をなすことを特徴とする生物体又はバイオ活性剤を検出する方法。
【請求項１４】
サンプル領域を持っている筐体であって、該サンプル領域の中を生物体又はバイオ活性剤を含有している流動体が流れることのできるものと、
該流動体を通して光線を送って上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光を励起するための複数の光源と、
該サンプル領域の上流側の光路にある光学カップラーであって異なっている周波数の複数の光線を変調するための光学カップラーと、
該光路に位置している一つ以上の検出器であって、上記生物体又はバイオ活性剤の蛍光及び粒子のサイズを検出し、且つ、対応する出力シグナルを生成する検出器と、
光線の変調周波数に基づいて複数の光線を識別するためのコントロール機構であり、且つ、多様な蛍光シグナルを測定することをなすためのコントロール機構
を備えていることを特徴とする蛍光／微粒子検出システム。
【請求項１５】
空気サンプル用セルを有している筐体と、
該空気サンプル用セル領域の片側にある光源であって、該サンプルの空気を通過するように収束光線を送り出し、それにより光線の一部を該サンプル領域に存在している種々のサイズの微粒子により様々な角度に散乱せしめられる一方、該光線の散乱されない部分を散乱されないままであるようにする光源と、
該光路に置かれている反射機構であって、ある範囲の角度に散乱された光の少なくとも一部を第二の光路に偏向する反射機構と、
該第二の光路に位置している第一のものであって、光の一部を検出し、対応する出力シグナルを生成するものと、
該反射機構の下流側であって且つ該光路に位置している第二の検出器であって、上記反射機構により反射されない角度で散乱された光の一部を検出し、対応する出力シグナルを生成する検出器
を備えることを特徴とする微粒子検出システム。
【請求項１６】
(a) 上記第一の検出器が0.1 μm 〜 1.0 μmの大きさの粒子を測定するように最適化されているもの、
(b) 上記第二の検出器が1 μm 〜 10 μmの大きさの粒子を測定するように最適化されているもの、
(c) 光線を複数の光束に分割するための機構であって、該機構は該反射機構の下流側で且つ該第一の検出器の上流側にある光路に配置されたもので、上記光線を分割する機構は好ましくは二色性フィルターであるもの
(d) 複数の光束のうちの一つの光路に配置された第三の検出器であって、サンプル領域にある粒子の蛍光を検出する検出器、
(e) 上記第二の検出器が該第二の光線の反射された部分を収束せしめるように光学機器を含有しているもの、
(f) 上記第二の検出器が検出の上流側の第二の光線の散乱されていない部分を除去するように光学機器を含有しているもの、
(g) 上記光源が光を整形し、上記光線からノイズを除くための光学式レンズを含んでいるもの、
という構成の一つ以上のものを備えていることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【国際調査報告】
2008508527.tif 000032
2008508527.tif 000033
2008508527.tif 000034
2008508527.tif 000035