CN103189734A - 纳米粒子检测器 - Google Patents

Abstract

本技术提供一种纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器包括纳米粒子收集器和光源，所述纳米粒子收集器配置为收集一定体积的包含纳米粒子的空气，所述光源配置为使光穿过所述一定体积的空气传输。所述的纳米粒子检测器还包括第一光接收元件，所述第一光接收元件配置为接收透射光的至少一部分并且基于所述透射光的散射性质检测所述一定体积的空气内的所述纳米粒子的特征。

Description

纳米粒子检测器

背景

提供以下描述以帮助读者理解。所提供的信息或所引用的参考文献都不意味着被承认是现有技术。

不仅在工业和实验室环境中，而且在公众的日常生活空间中，在空气中通常发现有害的粒子和污染物。因此，很多国家、自治地区和政府要求特定的监控和空气质量报告，以提高公众的意识和安全。在工业环境中，可能需要空气污染的监控和处理用于在产生危险物质或包括这种危险物质的活动中涉及的工人的安全。空气污染物的监控还具有重要的私人应用；例如，在个人家庭中用于一氧化碳的检测和在化学或生物恐怖袭击事件中由个人使用。

用于这样的有害粒子和污染物的传统检测系统通常设计用于在工业和实验室环境中使用，并且，像这样，传统上是非常昂贵的并且在尺寸上巨大。具有小尺寸和增加的效率的更加可负担得起的空气监控器件比更加昂贵的具有更大尺寸和更大低效性的器件要有益得多。紧凑的器件尺寸使得监控器件可以在不允许大器件尺寸的应用中使用。例如，监控器件在小空间内的安置和监控器件在具有有限的空间的个人安全设备上的包含。有效的监控器件允许空气污染物的更快分析并且导致污染物水平的更快通告。然而，小监控器件通常在精确度和灵敏度方面不如传统的大的监控设备。此外，传统的监控设备通常十分昂贵，使得由个人广泛使用不切实际。

概述

本技术提供用于光学检测纳米粒子的示例方法，所述方法包括在纳米粒子收集器中收集空气并且使用光源使光通过所收集的空气传输。所述方法还包括在第一光接收元件处接收透射光的至少一部分并且基于透射光的散射性质检测空气内的粒子的特征。

本技术还提供示例纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器包括纳米粒子收集器和光源，所述纳米粒子收集器配置为收集一定体积的包含粒子的空气并且所述光源配置为使光穿过所收集的一定体积的空气传输。示例纳米粒子检测器还包括第一光接收元件，所述第一光接收元件配置为接收透射光的至少一部分并且基于透射光的散射性质检测所收集的一定体积的空气内的粒子的特征。

本技术还包括另一个示例的包括用于收集空气的装置和用于使光穿过所收集的空气传输的装置的纳米粒子检测器。所示例的纳米粒子检测器还包括用于接收透射光的装置和用于基于透射光的散射性质检测所收集的空气内的粒子的特征的装置。

以上概述仅为了举例说明并且不意图以任何方式限制。除了上面描述的示例性方面、实施方案和特征之外，通过参考以下的附图和详述，其他方面、实施方案和特征将是显见的。

附图简述

由以下的描述和后附权利要求书，并结合附图，本公开的以上和其他特征将变得更加充分明显。应明白这些附图仅描绘根据本公开的数个实施方案，并且因此不应被认为是其范围的限制，本公开将通过使用附图而得以更加具体且详细地描述。

图1描述根据示例实施方案的纳米粒子监控器件。

图2描述根据示例实施方案用于测量空气中的粒子的方法。

图3描述根据示例实施方案的纳米粒子监控器件。

图4描述根据示例实施方案用于测量空气中的粒子的方法。

详述

在以下详述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，相似的符号典型地表示相似的组件。详述、附图和权利要求中描述的示例实施方案不意味着限定。可以采用其他实施方案，并且可以进行其他变化，而不脱离这里给出的主题的精神或范围。将容易地明白的是，可以将如本文一般性描述的，以及附图中示例的本公开的各方面排列、代替、组合，并且设计在宽范围的多种不同的构造中，其全部被明确地预期，并且构成本公开的一部分。

传统的空气污染物监控器带有很多问题。这些包括，但是不限于，这种监控器传统的大尺寸和复杂性以及相关联的传统的空气监控器的昂贵。此外，传统的空气监控器的大尺寸和更大的复杂性限制了这种监控器的便携性。较小、更便携的空气监控器通常受到比更大、更复杂的监控器低的效率和灵敏度的困扰。本文描述的是用于使用节省成本的、紧凑的、灵敏的并且高效的监控器件监控空气内的粒子的示例系统。监控器件收集含有多种粒子的空气，发射穿过所收集的空气的光，并且基于所发射的光的散射性质检测所收集的空气中的粒子的尺寸和浓度。下面描述的监控器件和方法允许提高灵敏度和效率，同时减小相关的监控器件的尺寸和花费。

图1描述根据示例实施方案的纳米粒子监控器件100。纳米粒子监控器件100包括配置为穿过在收集器120中收集的一定体积的空气传输入射光160的光源110。在一个实例实施方案中，光源110是输出具有660nm、589nm、468nm、440nm或45nm的波长的光的半导体激光器。在备选的实施方案中，光源110可以在备选的波长产生光并且光源110可以产生可以保持其方向性的任意种类的光。在一个可能的实施方案中，可以使用能够发射可见光的激光器。例如，激光器可以是钇铝石榴石(YAG)激光器、氦-氖(He-Ne)激光器、氩离子激光器或本领域技术人员已知的任意其他半导体激光器。更小的波长允许实现散射光的更多检测，从而提高监控器件的灵敏度和精度。

可以将空气经由本领域技术人员已知的任何方法或器件如泵或风扇移入和移出收集器。例如，根据第一实施方案，泵或风扇可以位于第一光接收元件130附近并且可以配置为将空气移入和移出器件。根据这种实施方案，当进行测量时可以停止泵或风扇以在测量的过程中保持收集器120内的粒子的恒定数量。在备选的实施方案中，在不停止泵或风扇的情况下进行粒子的测量，从而允许实时监控。

收集器120中的空气包含粒子180。当入射光160穿过收集器120中所收集的空气传输时，当它接触粒子180时一些光170被反向散射。入射光160的直径可以在数微米至10毫米的范围内。在一个实施方案中，收集器120具有比所传输的入射光160的直径大数倍的直径，以确保光不接触收集器120的表面。像这样，根据一个实施方案，收集器120具有比入射光160的直径大的直径和足够长以能够测量归因于被粒子180散射的透射光衰减的长度。收集器120的合适的长度依赖于监控器件100设计用于检测的最小粒径。例如，在一个实施方案中，收集器120具有10cm的直径和350cm的长度以便检测具有5nm的最小直径的粒子。

第一光接收元件130接收成功地通过在收集器120中收集的空气的入射光160。在一个实施方案中，第一光接收元件130位于收集器120的表面上。在备选的实施方案中，第一光接收元件130可以位于收集器120的外部并且可以接收完全通过收集器120之后的所传输的入射光160。第二光接收元件140接收反向散射光170。光纤150捕获反向散射光170并且提供光路，反向散射光170通过所述光路传输至光接收元件140。在备选的实施方案中，第二光接收元件140位于收集器120的表面处，并且纳米粒子监控器件100包括棱镜，所述棱镜配置为改变反向散射光的光路以将其引导至第二光接收元件140。根据这样的实施方案，在纳米粒子监控器件100中不包括光纤150。

在一个实施方案中，光接收元件130和光接收元件140包括雪崩光电二极管或电荷耦合器件。纳米粒子监控器件100还包括配置为在光接收元件140接收反向散射光之前增加反向散射光170的强度的透镜190。

使用在光接收元件130和140处接收的入射光160和反向散射光170的量以基于从反向散射光170的量测定的动态光散射曲线测定粒子180的尺寸，并且基于入射光160的衰减因子测定粒子180的浓度。使用如下所示的瑞利散射模型构造动态光散射曲线并且计算粒子180的尺寸和浓度：

$C_{\mathrm{sca}}=\frac{8}{3}{\left(\frac{2\mathrm{\π}{n}_{p}r}{\mathrm{\λ}}\right)}^4{\left(\frac{{\left(\frac{n_p}{n_m}\right)}^2-1}{{\left(\frac{n_p}{n_m}\right)}^2+2}\right)}^2*\mathrm{\π}{r}^2$ 公式1

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sca}}=\frac{3\mathrm{\η}{C}_{\mathrm{sca}}}{4\mathrm{\π}{r}^3}$ 公式2

其中C_sca是散射截面；n_m是主体材料的折射率；n_p是内含物的折射率；r是内含物的半径；λ是传播的光的波长；α_sca是消光系数；并且η是内含物的体积分数。入射光160的透射率，即，通过收集器120的入射光的分数根据以下公式测定：

其中T是透射率并且其中d是收集器120的长度。

在一个实施方案中，计算器件可通讯连接至纳米粒子监控器件100以便从纳米粒子监控器件100接收数据并且基于以上公式1和2进行计算。例如，计算器件可以可通讯连接至光接收元件130和140中的至少一个以便从光接收元件130和140接收数据。之后计算器件可以执行以上公式1和2以便基于所接收的数据确定与公式1和2相关的一个或多个变量的值。例如，在一个实施方案中，计算器件可以配置为基于从光接收元件130和140接收的数据计算入射光160的透射率和粒子180的浓度和/或尺寸。

在一个实施方案中，如本领域技术人员已知的，计算器件包括处理器、通信接口和配置为储存要由处理器执行的指令的计算机可读介质。处理器配置为执行所储存的指令以进行计算并且储存和/或通讯与计算相关的数据。如本领域技术人员已知的，计算器件可以进一步连接至显示器件。

下面给出表1、2和3。表1、2和3给出根据具有约350cm的收集器长度的多个实施方案对于这些变量的实例值，其中r是要从一定体积的空气检测的平均粒子半径并且d是所要在一定体积的空气中检测的平均粒子直径。表1描述当透射率变化并且粒子的平均尺寸保持恒定时根据数个实施方案的变量值。表2描述当粒子的平均尺寸变化时根据数个实施方案的变量值。表3描述当所传播的光的波长变化时根据数个实施方案的变量值。

表1：

表2：

表3：

图2描述根据示例实施方案的使用图1的纳米粒子监控器件100用于测量空气中的粒子的方法。在操作200中，将含有多种粒子的空气收集在粒子检测器的收集器中。在操作210中，使用光源使光穿过所收集的空气传输。在操作220中，在第一光接收元件处接收完全穿过所收集的空气的入射光。透射光的至少一部分在它接触所收集的空气中的多种粒子之后被反向散射。在操作230中，在第二光接收元件处接收反向散射光。在示例实施方案中，可以使用透镜增加反向散射光的强度，并且可以通过光纤捕获反向散射光，反向散射光通过所述光纤传输至第二光接收元件。

在操作240中，基于在第一和第二光接收元件处接收的入射光和反向散射光的量，测定所收集的空气中粒子的多种特征。这些特征可以包括所收集的空气中的多种粒子的尺寸以及粒子的浓度。基于在第二光接收元件处接收的反向散射光的量计算多种粒子的尺寸，并且基于透射光的衰减因子或透射率确定粒子的浓度或体积分数。这些计算根据上面参考公式1和2描述的瑞利散射模型进行。在一个实施方案中，通过配置为从第一和第二光接收元件接收输入的处理器或其他计算器件进行计算。处理器或计算器件进一步配置为使用来自第一和第二光接收元件的输入以测定反向散射光的量和透射光的衰减因子，以及基于该信息并且基于上面描述的公式1和2计算粒子的尺寸和浓度。

如上所述，监控器件的小型化产生了对于这种器件的增强的需求和应用。如上所述，关于图1，光引导距离必须足够长以能够充分测量归因于由所收集的空气中的粒子的散射的透射光衰减。所检测的粒子越小，所需的光引导距离越长。下面描述的是监控器件的示例实施方案，其最大化光引导距离同时最小化监控器件的整体尺寸。光引导距离的最大化通过使用反射镜将入射光在器件内循环而实现。图3描述根据这种示例实施方案的纳米粒子监控器件300。

器件300包括光源310，其配置为使入射光370穿过在收集器390中收集的一定体积的空气传输。在一个实施方案中，光源310是输出具有660nm、589nm、468nm、440nm或405nm的波长的光的半导体激光器。在备选的实施方案中，光源310可以在备选的波长产生光并且光源310可以产生可以保持其方向性的任意类型的光。在一个可能的实施方案中，可以使用能够发射可见光的激光器。例如，激光器可以是钇铝石榴石(YAG)激光器、氦-氖(He-Ne)激光器、氩离子激光器或本领域技术人员已知的任意其他半导体激光器。

可以将空气经由本领域技术人员已知的任意方法或器件如泵或风扇移入或移出收集器。例如，根据第一实施方案，泵或风扇可以位于第一光接收元件130附近并且可以配置为将空气移入和移出该器件。根据这种实施方案，当进行测量时可以停止泵或风扇，以在测量的过程中保持收集器120内粒子的恒定数目。在备选的实施方案中，在不停止泵或风扇的情况下进行粒子的测量，以允许实时监控。

收集器390中的空气可以包含多种粒子。当入射光370穿过收集器390中的所收集的空气传输时，一些光380当它接触多种粒子时被反向散射。收集器390提供足够的光引导距离以能够测量归因于所收集的空气中多种粒子的散射的透射光衰减。反射镜320通过沿监控器件内的光引导路径反射入射光370而增加光引导距离。反射镜320沿光引导路径将入射光370反射至位于光引导路径的末端处的光接收元件330。在一个实施方案中，反射镜320还可以将反向散射光380沿光引导路径反射回光接收元件340。在一个实施方案中，具有80cm³的体积的监控器件通过使用数个反射镜向内引导入射光路可以提供约3米的光引导距离。这种实施方案允许具有纳米量级的直径的粒子的检测。备选的实施方案可以采用更多的或更少的反射镜以按需要增加光引导距离。

光接收元件330接收沿完整的光引导路径成功地穿过收集器390中的空气的入射光370。如上所述，光接收元件340接收反向散射光380。光纤350可以捕获反向散射光380并且提供光路，反向散射光380通过所述光路传输至光接收元件340。在一个实施方案中，光接收元件330和340包括雪崩光电二极管或电荷耦合器件。纳米粒子监控器件300还包括配置为在光接收元件340接收反向散射光之前增加反向散射光380的强度的透镜360。

当光370传输穿过所收集的空气时，一些光当它接触所收集的空气中的粒子时被反向散射(即，反向散射光370)。光370的一部分(即，入射光370a)将成功地穿过所收集的空气到达光接收元件330。使用在光接收元件330和340处接收的入射光370a和反向散射光380的量以基于从反向散射光380的量测定的动态光散射曲线测定所收集的空气内的多种粒子的尺寸，并且基于入射光370a的衰减因子测定多种粒子的浓度。使用参考公式1和2的如上所述的瑞利散射模型进行这种计算。

图4描述根据示例实施方案使用图3的粒子检测器300测量空气中的粒子的方法。在操作400中，将含有多种粒子的空气收集在粒子检测器300的收集器中。在操作410中，使用光源使光穿过所收集的空气传输。在操作420中使用多个反射镜将光沿光引导路径反射。

在操作430中，在第一光接收元件处接收沿光引导路径通过并且完全穿过所收集的空气的入射光。透射光的至少一部分在它接触所收集的空气中的多种粒子之后被反向散射。在操作440中，在第二光接收元件处接收反向散射光。在示例实施方案中，可以使用透镜增加反向散射光的强度，并且可以通过光纤捕获反向散射光，反向散射光通过所述光纤传输至第二光接收元件。

在操作450中，基于在第一和第二光接收元件处接收的入射光和反向散射光的量测定所收集的空气中粒子的多种特征。这些特征可以包括所收集的空气中的多种粒子的尺寸以及粒子的浓度。基于在第二光接收元件处接收的反向散射光的量计算多种粒子的尺寸，并且基于透射光的衰减因子测定粒子的浓度。这些计算根据上面描述的瑞利散射模型参考公式1和2进行。

本文中可能已经使用了一种或多种流程图。流程图的使用不表示是对所进行的操作的次序的限制。本文所描述的主题有时描述不同组成部分，这些不同组成部分包含在不同的其他组成部分内或与不同的其他组成部分相连。应明白这样描述的体系结构仅是示例，并且实际上可以实施获得相同功能的很多其他体系结构。在概念意义上，获得相同的功能的组成部分的任何安排被有效地“结合”以使得获得所需功能。因此，在本文中结合以获得特定功能的任意两个组成部分可以被视为彼此“结合”以使得获得所需功能，而与体系结构或中间组成部分无关。同样，如此结合的任何两个组成部分也可以被视作彼此“可操作连接(operably connected)”，或“可操作地连接(operably coupled)”，以获得所需的功能，并且能够如此结合的任意两个组成部分也可以被视为彼此“可以可操作连接”，以获得所需的功能。可以可操作连接的具体实例包括但是不限于物理匹配的和/或物理相互作用的组成部分和/或可无线相互作用和/或无线相互作用的组成部分和/或逻辑相互作用的和/或可逻辑相互作用的组成部件。

关于本文所公开的基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适合于上下文和/或应用由复数变换至单数和/或由单数变换至复数。为了清楚起见在本文可能清楚地给出多种单数/复数变换。

本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是所附权利要求中(例如，所附权利要求的主体)使用的术语，一般意欲作为“开放性”术语(例如，应该将术语“包括(including)”解释为“包括但不限于”，应该将术语“具有”解释为“至少具有”，应该将术语“包括(includes)”解释为“包括但不仅限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下，不存在这样的意图。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词例如“一个”或“一种”时，也不应将这种短语的使用解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将任何包含这样引入的权利要求列举项的特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的发明(例如，应将“一个”和/或“一种”典型地解释为意指“至少一个”或“一种或多种”)；这对于用以引入权利要求列举项的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员也将理解应将这种列举项典型地解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”典型地意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。此外，在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。本领域技术人员将进一步理解实际上任何表现两个或更多个可替换术语的分离性单词和/或短语，不论在说明书、权利要求书还是附图中，都应当被理解为意图包括术语的一个、术语的任何一个或全部两个术语的可能性。例如，应将短语“A或B”理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

为了示例和说明的目的给出示例实施方案的以上描述。它不意图是穷举的或是在所公开的精确形式方面的限定，并且修改和变更根据以上教导是可能的，或者可以从所公开的实施方案的实施获得。意图是本发明的范围由所附的权利要求和它们的等价形式所限定。

Claims (15)

1.一种用于光学检测纳米粒子的方法，所述方法包括：

在纳米粒子收集器中收集空气；

使用光源穿过所述空气传输光；

在第一光接收元件处接收透射光的至少一部分；以及

基于所述透射光的散射性质检测所述空气内的纳米粒子的特征。

2.权利要求1所述的方法，其中所述检测所述空气内的纳米粒子的特征包括：基于从所述透射光反向散射的反向散射光的量测定一种或多种所述纳米粒子的尺寸。

3.权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括使用透镜增加所述反向散射光的强度，并且其中所述透镜安置在所述纳米粒子收集器与所述第一光接收元件之间。

4.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中所述检测所述空气内的纳米粒子的特征包括：基于所述透射光的衰减因子测定所述纳米粒子的浓度。

5.在前权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括：

在第二光接收元件处接收反向散射光；

基于所述反向散射光检测一种或多种所述纳米粒子的尺寸；并且

基于所述透射光的衰减因子检测所述纳米粒子的浓度。

6.在前权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括：通过将所述透射光反射离开两个以上反射镜使所述透射光沿所述光源与所述第一光接收元件之间的光引导路径通过。

7.一种纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器包括：

纳米粒子收集器，所述纳米粒子收集器配置为收集一定体积的包含纳米粒子的空气；

光源，所述光源配置为使光穿过所述一定体积的空气传输；

第一光接收元件，所述第一光接收元件配置为接收所述透射光的至少一部分并且检测所述透射光的散射性质；以及

处理器，所述处理器配置为基于在所述第一光接收元件处检测的所述透射光的所述散射性质检测所述一定体积的空气内的所述纳米粒子的特征。

8.权利要求7所述的纳米粒子检测器，其中所述特征的至少一个是一种或多种所述纳米粒子的尺寸，并且其中所述处理器进一步配置为基于从所述透射光反向散射的反向散射光的量测定所述的一种或多种所述纳米粒子的尺寸。

9.权利要求7或8中的任一项所述的纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器还包括配置为增加所述反向散射光的强度的透镜，其中所述透镜安置在所述纳米粒子收集器与所述第一光接收元件之间。

10.权利要求7-9中的任一项所述的纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器还包括安置在所述纳米粒子检测器与所述第一光接收元件之间的光纤，其中所述光纤配置为捕获所述反向散射光并且将所述反向散射光传输至所述第一光接收元件。

11.权利要求8-10中的任一项所述的纳米粒子检测器，其中所述一种或多种纳米粒子的尺寸根据基于所述反向散射光的动态光散射曲线测定。

12.权利要求7-11中的任一项所述的纳米粒子检测器，其中所述特征的至少一个是所述一定体积的空气内的所述纳米粒子的浓度，并且其中所述浓度基于由所述第一光接收元件所检测的所述透射光的衰减因子测定。

13.权利要求7-12中的任一项所述的纳米粒子检测器，其中所述光源是半导体激光器，并且其中所述第一光接收元件是雪崩光电二极管或电荷耦合器件。

14.权利要求7-13中的任一项所述的纳米粒子检测器，所述纳米粒子检测器还包括第二光接收元件，所述第二光接收元件配置为接收反向散射光，并且其中所述处理器进一步配置为基于所述反向散射光检测一种或多种所述纳米粒子的尺寸并且基于所述透射光的所述至少一部分的衰减因子检测所述纳米粒子的浓度。

15.权利要求7-14中的任一项所述的纳米粒子检测器，其中所述纳米粒子收集器包括配置为沿光引导路径反射所述透射光的两个以上反射镜。

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