CN101784880A - 实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的方法及设备 - Google Patents

实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的方法及设备 Download PDF

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Abstract

一种实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的装置，该装置至少具有气体分析传感器(4)、荧光/冷光传感器(1)以及用于确定粒子的粒子尺寸和数量的传感器(2)。各传感器与作为开放测量路径的多次反射室(5)(多路激光室)连接。此外，该装置还包括用于实时分析化学、生物和爆炸性物质的评价单元。

Description

实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的方法及设备
技术领域
本发明涉及实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的方法及设备。
背景技术
用于检测各个危险性物质的公知装置通常具有用于分析物质的封闭样品腔室，并且分析本身要用几分钟。用于检测细菌、病毒或其它微观粒子的装置例如在粒子能够被自动检测之前过滤出相应的粒子并对其进行标记。
德国专利文献DE 10306900A1公开了一种用于分析气体的具有激光装置的光谱仪。该光谱仪包括用于接收气体的腔室、用于在腔室中产生电压降的装置、激光源以及由对置镜子形成或者构成为环状共振器的光学共振器。在腔室内部产生激光束以电离气体。使用离子收集器进行加速离子的检测。
德国专利文献DE 10247272A1中描述了一种类似装置，不过在该装置中，取代由对置镜子构成的光学共振器，设置具有镜子的多次反射室，这些镜子构造成使激光束在镜子间反射多次。结果，与气体相互作用的激光束的距离增大，这在离子收集器处引起更高电流。由于借助镜子产生的光学布置，使得形成均在两个反射点之间延伸的多个激光束，它们在中央区域相互交叉并朝镜子成扇形散开。
现有技术的一个缺点在于通常每个相应装置仅覆盖多种危险物质类别中的一种。再者，公知装置不能不预先富集而直接从环境空气检测物质。而且，在几分钟范围内的传统取样时间不能用于诸如运输控制、口岸监测、危险监测等等之类的某些应用。此外，公知解决方案通常笨重庞大，原始成本高。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于实时分析化学、生物和爆炸性物质的改进装置，其中可快速精确地检测并证实环境空气中的危险物质，例如生物病原体、病毒、细菌、孢子、化学战剂、爆炸物、有毒化合物和毒品。
根据本发明，该目的通过根据本发明的实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的方法和装置得以实现，该装置至少包括气体分析传感器、荧光/冷光传感器以及用于确定粒子尺寸和数量的传感器。这些传感器均与作为开放测量路径的多次反射室相连，并且该装置还包括评价单元。
因此，避免了现有技术的缺陷，并提供实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的改进方案。具体地说，本发明快速精确地检测并证实环境空气中的诸如生物病原体、病毒、细菌、孢子、化学战剂、爆炸物、有毒化合物和毒品之类的危险物质。可容易地确定病原体或放射性粒子的数量。本发明因此还实现了借助现有技术传感器不能确定的相对浓度测量。而且，可基于测量到的粒子的尺寸比、荧光信号和气体成分确定威胁等级类型。
本发明的其中一个测量原理基于光谱气体传感器技术，其利用在空气中的电漂移场的影响下离子在其运动期间的速度操作。基于离子的不同质量和截面，可在各个物质之间区别。如在飞行时间光谱中，信号被作为不同类型的离子的到达时间谱测量，而无需庞大的仪器、真空泵等。
这种离子迁移光谱(IMS)可用于本发明。用于该目的的大多数公知仪器借助膜进样系统和放射性离子源操作。这保护仪器以防水、蒸汽以及空气中的其它所有可想到的污染物。这些公知仪器所用的电离原理基于也称为化学电离的电荷转移反应机理。
本发明的重要元素为高灵敏度离子检测装置与高选择性基于激光的电离机理的组合。电离方法本身为双光子电离步骤，其产生允许离子形成阶段的更好选择性以及降至ppt(兆分之几)范围的更好灵敏度的详细离子谱。
离子迁移光谱仪的分析部件用于检测酶促反应产物、生物分子的热解起动材料或者化学毒素。
另一方面，活体细胞中的各生物系统或分子在被UV光照射时呈现荧光反应。因此，根据本发明的生物气溶胶检测装置的部件(尤其是可调谐激光电离源(TULIS))提供用于检测活体细胞中的荧光反应机理的极好的可行性。
最后，根据本发明的装置的强激光照射和长测量路径提供简单地测量粒子的光反射即反向散射的可行性。该信号可用于检测粒子的数量和尺寸。
上述测量系统的组合是本发明的一部分。具体地说，本发明包括：i)用于检测气体或化学成分的微型离子迁移传感器；ii)用于检测生物分子的荧光单元；iii)用于检测粒子的数量和尺寸的反向散射检测单元。具有微型可调谐激光源的多次反射室形成这些部件的组合元件。测量单元是开放系统，其中采样和分析之间不会发生延迟。
CCD、离子迁移光谱仪、多次反射室和激光器的组合和集成产生紧凑且集成的装置。
多次反射室(多路激光室，即MLC)是气体分析传感器(IMS)、荧光和/或冷光传感器以及用于测量粒子尺寸和粒子数量的传感器的采样点和连接点。激光束被引入多次反射室中，其光路借助两个镜子之间的若干内部反射而加长。
多次反射室的长度为大约9厘米。光路的长度由于镜子而增大至大约3至9米而无重大损失。所用的激光照射源的波长达200nm与350nm之间(优选为260nm至270nm)，重复频率为10Hz至50Hz。激光源的脉冲持续时间达2ns，平均脉冲能量为大约60μJ。例如，可使用用于激励和电离的被动调Q二极管泵浦固体激光器作为激光照射源。
在线性低场区中操作的微型离子迁移光谱仪与多次反射室相连。通过利用低场IMS技术，与强场IMS技术相比可获得更短的测量时间和更详细的光谱。由于优异的信噪比，可容易地实现兆分之几(ppt)以下的测量。
此外，通过利用选择性双光子驱动电离方法，可实现更高的灵敏度以及不期望影响的显著减小。这是分析部件的重要组成部分。本发明因而能够以不具有膜或分离方法的所谓的开放式系统操作。因此，相对于公知系统可获得更高的灵敏度，具有低交叉影响并具有实时测量。
根据本发明，激光器发射红外辐射，然而借助调频技术使其延伸到UV范围内。在光学准连续波输出超过1.5mW的情况下，激光照射源足以检测生物物质。
当激光束激励多次反射室中的光子吸收时，通过用于去除散射光的合适滤光器而将发射的荧光信号的强度采集在光电二极管检测单元中。在利用可调谐激光器时，可利用可调节的液晶滤光器(LCTF)或光谱仪增大输出并实现更高分辨率。
此外，通过与抗体相结合利用荧光染料可实现改进的检测特性。荧光染料是高量子和斯托克斯效应的荧光标记。斯托克斯效应意味着激励波长与发射波长之间的变化很高；例如达200nm。结果，明显利于激励波长与发射波长之间的过滤。
因为粒子、气溶胶、细菌和孢子在遇到激光束时产生强反向散射信号，所以粒子反向散射传感器与多次反射室相结合。
由于长光路，所以垂直于激光束产生大量反射信号。与CCD检测元件一起可从这些信号确定粒子尺寸和数量。而且，可利用所谓的“粒子图像测速技术”(PIV)。该软件取得不同时间粒子位置的快照并从其计算速度模型。PIV可用于调节并测量检查的气流并用于计算种群数量。
可通过离子迁移光谱分析装置检测毒素(气溶胶)或其它类型的挥发物。除了具体漂移时间外，物质选择性电离方法产生检查方法的增大分辨率的实时测量。
可通过在向MCL室内发射强绿光或IR激光时发生的热解反应的释放挥发物检测孢子和细菌。为了更好地区分，可以以永久或交换方式供应激光。以这种方式可检测到生物细胞膜的更少量的热解产物。可检测挥发物可能是氨和邻硝基酚(ONP)。可通过观察吡啶二甲酸钙(DPA含量5～15％)或者吡啶甲酸(PA)检测孢子。可借助离子迁移光谱或荧光件实现该测量。
在粒子尺寸种类(例如细菌、孢子和气溶胶)的情况下，激光照射被反射并借助反向散射信号(LIDAR)进行检测。然后可利用观察到的粒子的尺寸和数量进行区分，并在某一阈值开始触发警报。
由于病毒为在10nm至300nm之间的尺寸小的种类，因此难以利用散射信号检测。为了检测病毒，利用激光源对其充以电压或进行电离，使其可通过离子迁移光谱装置的电子漂移场被单独识别。
大多数生物战(BW)病原体优选具有使其能够在环境中散布的几何形状。这些滴状悬浮物质通常尺寸在0.5～5μm之间。除了这些病原体之外，还存在其它物质，例如稳定剂、溶剂或附加化学物质。根据典型模式通过公知溶剂和化学物质识别大范围的BW病原体。
为各相应传感器设置的集成电子识别及接口模块在与硬件交互作用的同时操作，所述硬件与信号处理器和信号评价算法协作。
在离子迁移光谱中，测量可下至允许ppt范围内的检测的水平。信噪系数在低ppb范围内约为100，并可容易地通过算法增强。源自BW的浓度高，尤其是在利用蒸发的激光解吸相时。
在粒子相中以高灵敏度进行检测具有三个部分。第一部分是距进行测量的开始点短距离的强激光照射，这是在与灵敏度交互的同时确保整体良好的检测的环境。第二部分是速度测量；第三部分基于当前所用的从辐射源发出的短波长，使得在检测更小的粒子期间也可获得良好的灵敏度。
由于双光子驱动激励的针对性使用，与利用被一个光子驱动的激励相比，可获得大得多的量子增益。
由于共振增强多光子电离(REMPI)，使得基于激光的离子迁移光谱的灵敏度大于传统类型的情况。需要时，这可通过双色光或三色光电离方法进一步增强。
通过利用不同波长来照射粒子，在利用尺寸和布置区分各种类型期间进行有效变化。此外，利用高分辨率CCD接收来自不同角度的反向散射信号以获得多尺寸整体图像。
共振双光子驱动激励的使用与使用非共振单光子驱动激励步骤相比可获得更好的灵敏度。而且，脉动馈送减少了关于馈送和发射波长的重叠的问题。
如以上所述，离子迁移光谱检测期间的测量时间简短；优异的信噪比产生所谓的“单闭式(singles hut)测量框架”(一次性曝光测量)。这意味着检测光谱的测量花费20ms。而且，粒子识别非常快(＜1ms)地进行，并且仅随所用的CCD技术而变。例如，可利用CCD阵列。荧光检测也非常快(＜20ms)并且随可用的CCD以及复制/识别技术而变。
对于所有传感器，用于检测的重复率在25ms至100ms之间。这意味着最长测量时间为100ms；最短测量时间为25ms。与要求的测量时间(小于1分钟)相比，这些时间范围使得每分钟可进行600至2400次测量，从而在改进信号系统和累加程序方面实现显著突破。
此外，还可设置核辐射传感器以检测放射性排放，其可构造成非常小的硅漂移探测器。
最后，根据本发明的用于通过根据权利要求1的装置实时分析空气中的化学、生物、爆炸性和/或放射性物质的方法具有以下步骤：
-多次反射室中的样品的UV激光照射；
-所述样品的电离(可能的话)以检测电荷、迁移性和波长；
-所述样品的荧光测量(可能的话)以检测色彩、持续时间以及波长；
-所述样品的反向散射测量(可能的话)以检测粒子数量和尺寸。
结合附图，从本发明的以下详细说明中，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的实时分析空气中的化学、生物、爆炸性和放射性物质的装置的优选实施方式的示意图；
图2是示出根据本发明的装置的识别算法的流程图，该算法用于识别悬浮在空气中的生物物质；以及
图3是识别模式的表。
附图标记说明
1：荧光传感器
2：反向散射传感器
3：核辐射传感器
4：化学物质传感器
5：多次反射室(多路激光室)
6：激光单元
7：吸收探测器
A：电离
B：荧光
C：反向散射
具体实施方式
图1是根据本发明的实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的装置的优选实施方式的示意图。右侧的激光单元6将绿光束发射到多次反射室5中以进行更好的检测。多次反射室5构成为开放测量路径；即，与公知装置相比，环境空气可穿过该多次反射室。在本实施方式中，大致平行六面体形多次反射室5的测量路径的长度仅为9cm。在其纵向端部，多次反射室5在每一端部均具有若干镜子(未示出)，这些镜子布置成使得激光束在镜子间多次反射。结果，与气体相互作用的激光束的路径在该实施方式中增大到6m。由于借助镜子产生的光学布置，使得形成均在两个反射点之间延伸的多个激光束，这些激光束在中央区域相互交叉并朝镜子成扇形散开。在这种情况下，单个激光束的光路主要地平行延伸。
镜子由硅玻璃制成，具有用于UV和绿光波长的高度反射面。镜面由气相淀积绝缘层构成，这些层尤其为由激光照射引起的应变而设计。该装置的各部件以精确匹配方式安装在陶瓷制成的框架中。不需要附加调节单个元件。
在多次反射室的与激光单元6对置的端部设置吸收探测器7，其构造成可调谐的紫外激光电离源。
荧光传感器1和反向散射传感器2(构成为CCD探测器元件)均从上方伸入至多次反射室5的测量路径中。而且，在测量路径下方布置在该实施方式中构造成硅漂移传感器的核辐射传感器3。此外，呈激光IMS形式的化学物质传感器4位于测量路径下方。
传感器1、2、3、4与呈数字运算逻辑单元10的形式的评价装置相连，该单元实时评价传感器1、2、3、4的信号并按需要发出危险警报。
粒子传感器具有可拾取来自不同角度的激光信号的反向散射的电荷耦合器(CCD)。
离子迁移技术具有集成的漂移场结构的平行板、放大器以及若干微机械制造元件。
激光元件可构造有一种频率、多种频率或具有可调谐频率范围的光学参量振荡器。
各传感器均具有其自身优势。化学物质传感器4具有高灵敏度和选择性。荧光传感器1为用于作为特殊冷光或荧光反应的结果识别多种生物物种的高效仪器。
由于各所述传感器均具有实施实时测量的能力，因而基本模式评价软件的预计重叠时间短。在这种情况下，存在基本上可想到的利用其它物理技术检查相应样品的机会。
图2是示出由评价单元实施的识别算法的流程图。图3是反映识别模式的表。识别算法基于电离A、荧光B和信号反向散射C，并产生具有八种基本模式的输出信号：对于电离步骤(A)，这些信号包括电荷、迁移性和波长；对于荧光步骤(B)，这些信号包括色彩、持续时间和波长；对于反向散射步骤(C)，这些信号包括尺寸和数量。如图3中所示，这些信号均具有其自身的特殊特性，例如浓度、波长、迁移性、尺寸、数量、发射性等。与这些标准有关的矩阵由测量环境的参数加权。
仅为说明本发明而阐述了以上公开，而不意图对其进行限制。由于本领域技术人员可想到结合本发明的精神和实质的公开的实施方式的各种修改，因而本发明应解释为包括所附权利要求及其等同物的范围内的所有内容。

Claims (18)

1.一种用于实时分析空气中的化学、生物和爆炸性物质的装置，所述装置包括：
气体分析传感器；
荧光/冷光传感器；
用于确定粒子的数量和尺寸的传感器；以及
为接收所述传感器的输出而连接的评价单元；
其中所述传感器均与作为开放测量路径的多次反射室相连。
2.根据权利要求1所述的实时分析装置，进一步包括用于分析放射性物质的核辐射传感器。
3.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述气体分析传感器包括激光离子迁移光谱装置。
4.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述多次反射室具有可调谐UV激光照射源。
5.根据权利要求4所述的实时分析装置，其中所述激光照射源的波长在200nm至350nm之间。
6.根据权利要求4所述的实时分析装置，其中所述激光照射源的波长在260nm至270nm之间。
7.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述激光照射源的重复频率在10Hz至50Hz之间。
8.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述多次反射室中的光路长度为3m至9m。
9.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述多次反射室的光路长度为6m。
10.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中所述用于确定粒子的数量和尺寸的传感器包括反向散射传感器。
11.根据权利要求1所述的实时分析装置，其中用于核辐射测量的传感器包括硅漂移探测器。
12.一种用于实时分析空气中的化学、生物、爆炸性和/或放射性物质的方法，所述方法包括：
多次反射室中的样品的UV激光照射；
所述样品的电离以检测电荷、迁移性和波长；
所述样品的荧光测量以检测色彩、持续时间以及波长；
所述样品的反向散射测量以检测粒子数量和尺寸；以及
基于所述电离、荧光测量和反向散射测量步骤的结果识别所述物质。
13.根据权利要求12所述的方法，其中评价单元检测所述电离、荧光测量和反向散射测量步骤中产生的传感器信号，并借助评价算法确定危险物质的存在。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述评价算法根据以下评价步骤确定危险物质的存在：
-A，B，C存在＝所有危险物质；
-A，B存在＝细菌孢子；
-A，C存在＝有毒悬浮物质；
-A存在＝无机粒子；
-B，C存在＝有机有毒VOS；
-B存在＝病毒；
-C存在＝有机和无机VCs；
其中A代表电离，B代表存在荧光，C代表存在反向散射。
15.一种用于实时分析空气传播中的化学、生物和爆炸性物质的设备，所述设备包括：
气体分析传感器；
用于检测荧光和冷光的至少一个的传感器；
用于测量粒子的数量和尺寸的粒子传感器；
多次反射室，所述气体分析传感器、用于检测荧光和冷光的一个的传感器以及所述粒子传感器至少与该多次反射室操作联接；
激光辐射源，布置成将激光辐射发射到所述多次反射室中；以及
为接收来自所述传感器的输出信号而联接的评价单元；其中，
所述粒子传感器和所述用于检测荧光和冷光的一个的传感器定位成检测所述激光辐射与所述多次反射室中存在的样品之间的相互作用；并且
所述多次反射室构造成开放测量路径，其向周围环境大气开放。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述气体传感器包括利用基于激光的共振增强多光子电离机理的低场离子迁移光谱传感器。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述粒子传感器和所述用于检测荧光和冷光的一个的传感器包括CCD阵列。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述评价单元对来自所述传感器的所述输出信号进行分析，并通过检测算法检测所述多次反射室内的环境大气中的化学、生物或爆炸性物质的存在，该检测算法基于表征所述物质的存储数据表。
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