CN106662519B

CN106662519B - 用于检测颗粒的装置、系统和方法

Info

Publication number: CN106662519B
Application number: CN201580044164.7A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·克林特·克莱顿; 霍华德·杰罗姆·沃尔斯; 兰达尔·J·纽森; 保罗·G·赫兹
Original assignee: Research Triangle Institute
Current assignee: Research Triangle Institute
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: KR20170046706A; WO2016028996A1; DK3183555T3; CN106662519A; EP3183555B1; JP6643584B2; EP3183555A4; JP2017529526A; KR102391170B1; US10481070B2; EP3183555A1; WO2016028997A1; US20170268980A1; US20190257737A1; US10345216B2; CA2957725C; CA2957725A1

Abstract

一颗粒检测器包括一壳体、一光源、以及一光电材料。该壳体包括一样本入口和一样本出口、以及包括一检测腔。该光源将照射光沿一纵轴直射该检测腔内一样本流体中的颗粒。该光电材料包围该检测腔的至少部分，接收自该颗粒且沿一组多条与该纵轴具有相对角度的测量光光路传播的测量光。该颗粒检测器可用于测量散射光和/或荧光发射光。流体样本可包括气溶胶、生物气溶胶、以及液体。

Description

用于检测颗粒的装置、系统和方法

相关申请

本申请要求申请号为62/039,512的美国临时专利“用于检测颗粒的装置、系统和方法”（申请日2014年8月20日），以及申请号为62/039,519的美国临时专利“用于流体控制和样本检测控制的系统、装置和方法”（申请日2014年8月20日）的优先权，其内容在本申请中被整体引用。

技术领域

本发明涉及气溶胶或流体中颗粒的光学检测，包括光散射和自发荧光的检测。

背景技术

通过检测流体介质的分散颗粒和胶质以测量浓度或其他属性能有效实现多种用途，例如医疗诊断、科学研究、空气质量检测和威胁检测。示例包括测量流体中的悬浮颗粒浓度，例如血液中的蛋白质、以及建筑室内环境和室外环境的空气颗粒。

一个记载的应用是测量气溶胶中空气颗粒（或颗粒物，PM）的浓度和其他属性。因大气中气溶胶浓度的重要性和其对健康的影响，美国环境保护署（US EPA）发布了粗颗粒物质（介于10μιη 至 2.5 μιη之间，可吸入颗粒）和细颗粒物质（粒径小于2.5 μιη，细颗粒物）的暴露标准。对制造业而言，气溶胶浓度对工人健康和避免制造过程中污染具有同样的重要性。

一类特别引人注意的气溶胶是生物气溶胶。生物气溶胶包括生物颗粒，例如真菌孢子、细菌孢子、细菌、病毒，和生物衍生颗粒（皮肤细胞、皮屑等）。一些生物气溶胶可引发慢性和/或急性健康问题，例如某些黑霉菌株或炭疽杆菌（炭疽致病菌）。生物气溶胶浓度对医院环境安全、食品清洁生产、制药和医药设备制造和空气质量而言十分重要。空气传播疾病是公众尤为关心的话题。气雾化生物制剂可被恐怖分子利用以伤害平民和军队。

气溶胶浓度和生物气溶胶浓度的测量（检测）通常通过光学技术实现。现已可通过多种光散射测法实现气溶胶（例如分散于大气中粒径小于10 μιη的固体或液体颗粒）的浓度测量。参见海因兹，《气溶胶科技》，纽约约翰威利国际出版公司（1982）；莱蒂马基和维勒克，《测量方法》，气溶胶测量，维勒克和巴龙，纽约范诺斯特兰莱因霍尔德出版公司，112-129（1993）。最准确的方法是利用单一颗粒计数器，其将一气溶胶流对准一检测腔，检测腔中可测量长波长（大于650nm）散射光。精密光学元件用于收集散射光（同时排出源光）并将散射光聚焦到一光子检测器。该光子检测器由可耐光电效应（光子转化为电子）的硅或光电阴极材料（例如砷化铟镓）制成。这些材料集成在探测器内，以提供高倍数光子信号，例如光电倍增管（PMTs）和雪崩光电二极管（APDs）。上述探测器的主动探测区域小（小于25mm²）且仅限于几何平面。另外，上述探测器的成本在100美金以上，高灵敏度的光电倍增管的价格甚至超过1000美金。

紫外光（UV）和蓝光激发的自发荧光（或内源荧光）在生物气溶胶检测方面成熟应用。参见海尔斯通等，《利用气动尺寸和内源荧光颗粒的同步测量以实时监测生物气溶胶的仪器设计》，气溶胶科学杂志，28（3）：471-482（1997）；胡，《生物气溶胶检测的前景》，分析化学学报，475（1）：125-148（2002）；阿格拉诺夫斯基等，《以UVAPS对细菌气溶胶实时监测：性能评价》，气溶胶科学杂志，34（3）：301-317（2003）；爱慕，《采用内源荧光识别和鉴定细菌方法的研究进展》，荧光杂质，17（5）：455-459（2007）；胡等，《采用实时光学方法检测清洁室内低浓度细菌气溶胶的存在的可行性》，空气微生物，27（2）：163-172（2011）。利用微生物自发荧光的开发被普遍认为是一种最具性价比的检测潜在生物威胁的途径。生物气溶胶检测器通常联合利用光散射（测量一般气溶胶的浓度和属性）和自发荧光（检测发射光子）。基于自发荧光的生物气溶胶检测器依赖于生物颗粒内荧光分子的荧光性。对于清洁的生物颗粒而言，其荧光性主要归因于生化因素，例如色氨酸和络氨酸（氨基酸类）、辅酶（NADH）、和核黄素。NADH和核黄素吸收和释放的波长大于氨基酸类吸收和释放的波长。参见杰斯等，《先进的触发器发展》，林肯试验室杂志，17（1）：29-62（2007）；希尔等，《生物气溶胶的荧光性：包括细菌的原发性荧光和吸收分子的数学模型》，光学快报，21（19）：22285-22313（2013）。利用例如发光二极管（LEDs，激发波长λ_exc>360 nm）或激光器（λ_exc>400 nm）的长波激发源可降低这类仪器的成本。

传统的生物气溶胶颗粒检测器依赖于三个主要组件：（1）适当波长波的激发源，以激发定向荧光团或荧光团集；（2）激发侧和发射侧上的精密光学元件（透镜和反射镜），以将该源对准狭窄的空气流并增强生物颗粒发射光子的收集；以及（3）一个高增益检测器，例如一个PMT或APD。可见波长或长波长的自由散射光被用以计算颗粒数量和尺寸。生物分子的自发荧光性被用于检测微生物。通常生物气溶胶检测器利用一荧光性有效容量大约为1×10^-4cm³计的小检测腔，，提供每一个极小生物气溶胶颗粒的检测窗口。通常流速下，一生物气溶胶颗粒存在于平均值为1-10μs的激发容量中。参见海尔斯顿等（1997）。由此，每一个生物气溶胶颗粒所发射和散射的光实际上被独立的采集，并且信号微弱。参见格林伍德等，《用于检测和鉴定生物战剂的光学技术》，IEEE论文，97（6）：971-989（2009）。由于信号微弱，因而需要精密镜头和反光镜以采集该弱信号并将其对准高增益检测器（例如PMT或APD）。

利用多种市购仪器可实现气溶胶和生物气溶胶浓度及浓度变化的测量，例如用于气溶胶的激光气溶胶分光计（TSI公司，肖维尤，明尼达苏，美国）、用于生物气溶胶的紫外线空气动力学粒径谱仪（TSI公司）、用于生物气溶胶的带宽集成生物传感器（WIBS-4）（滴液测量技术，班德尔，科罗拉多，美国）、以及瞬时生物分析仪和收集器（FLIR系统有限公司，威尔逊维尔，俄勒冈州，美国）。然而，这些仪器价值超过10,000美金是的大量使用时成本过高。进一步的，气溶胶/生物气溶胶传感器形成的足够致密的传感器网络（即，中央网络中互通的多倍仪器）耗资巨大。传感器网络的高成本同时意味着响应系统的利用尚存挑战。例如，在医院或其他建筑中多处布局气溶胶传感器，并将传感器连入建筑的控制系统中，以保持环境的安全并对生物气溶胶浓度的改变响应，如通过改变气流或根据指示维护过滤器和空气处理器。

现有的气溶胶暴露检测器从气溶胶中采集数据，在规定的采样周期（整合期）内实时采样气溶胶。这种装置利用惯性冲击器测量空气动力学粒径，利用颗粒采集过滤器收集和分析，以及利用浑度计测量颗粒浓度以得到实时光散射数据。专利“气溶胶暴露检测器”（国际公布号WO 2013/063426，申请日2012年10月26日）公开了上述装置，此处引用其全文。浊度计同样可用于测量颗粒浓度，如溶液中的细胞。

目前亟需气溶胶、生物气溶胶、流体中颗粒的测量装置和方法以得到相关颗粒浓度和其他属性的数据。同样亟需这类装置，其结构简单，使用的精密部件少、价格低。同样亟需这类装置，其成本低，制造、操作、维护便利。

摘要

为解决全部或部分上述问题、和/或其他本领域普通技术人员可明显得知的问题，本申请在下述实施例中公开了方法、工艺、系统、器械、仪器和/或装置。

根据一种实施方式，一颗粒检测器包括：包括一壳体，其包括一样本入口和一样本出口、以及一腔体长度方向沿纵轴设置的检测腔，其中该壳体中形成自该样本入口、经该检测腔、至该样本出口的一样本流体的一流体路径，；一光源，被配置用以使照射光沿纵轴方向直射该检测腔中样本流体流的颗粒；以及一光电材料，在该检测腔的至少一个部分上包围该检测腔，其中该光电材料被配置用于接收沿与纵轴有相对角度的一组多条测量光光路传播的颗粒测量光。

根据另一实施方式，一种测量一样本流体中颗粒的方法包括：使该样本流体流经一检测腔；将一照射光沿纵轴向穿过该检测腔直射该样本流体中颗粒，其中该颗粒发射测量光以响应照射；以及通过光电材料接收沿与纵轴有相对角度的一组多条测量光光路传播的颗粒测量光，该光电材料在该检测腔长度的至少一个部分上包围该检测腔。

在一些实施方式中，该样本流体是气溶胶。

在一些实施方式中，该样本流体是液体流体。

通过下述附图和说明书的解释，本领域普通技术人员可以或将显而易见得到其他装置、器械、系统、方法、特征和效果。上述附加系统、方法、特征和效果均包括在发明内容、说明书和权利要求的保护范围内。

发明内容

本申请所述的“气溶胶”一般指悬浮于一足以被观察和测量的气态介质中的液体或固体颗粒（微粒，或微粒物质）的集合。气溶胶颗粒的典型尺寸为约0.001μιη至约100μιη。参见库尔卡尼等，《气溶胶测量》（第三版），约翰威利国际出版公司（2011），第821页。所述“气态流体”普遍指一气体（或气态流体，或气象流体）。一气体包括或不包括液滴或蒸汽，并且包括或不包括气溶胶颗粒。一气体包括但不限于大气。由此，一气溶胶可被认为包括颗粒和一产生或携带该颗粒的气体。

本申请所述的“生物气溶胶”一般指其中悬浮或携带一种或多种生物颗粒的气溶胶。所述的“生物颗粒”普遍指生物质材料，或一生物质材料和一携带有该生物质材料的非生物颗粒的集合。即，一生物质材料其本身可以是自由悬浮在一气溶胶中的颗粒，或是依附于一非生物质颗粒上从而该生物质材料和该非生物质颗粒共同悬浮在该气溶胶中。该生物质颗粒可通过截留、埋置、粘合、吸附、吸引力、亲和力等机理依附于该非生物质颗粒上。该生物质材料包括但不限于孢子（例如真菌孢子、细菌孢子等）、真菌、霉菌、细菌、病毒、生物细胞、细胞内的组成、生物衍生颗粒（皮肤细胞、皮屑等）等。

出于简洁，除另有说明或上下文另有启示，本文所述“气溶胶”一般包括所述“生物气溶胶”并且所述“颗粒”普遍包括所述“生物颗粒”。

除另有说明或上下文另有启示，本文所述“流体”包括所述“液体”和所述“气体”。本申请的装置和方法可检测液体中悬浮或斜带的颗粒以及气溶胶中悬浮或斜带的颗粒。

本申请所述的“光”普遍指电磁辐射，光子的量化。如本申请所述，光传播的波长可以自紫外光（UV）至红外光（IR）。在本申请中，所述“光”、“光子”和“辐射”可交替使用。

本申请中，如果一材料可有效（产生最小的光传输损失）通过所需波长或波长范围内的光束，则其为“光透明的”。

图1是一些实施方式的颗粒检测器100的一种透视示意图。通常，该颗粒检测器100用于形成（例如包括或包含）一可流经有带粒样本流体（即气溶胶或液体）的检测腔104（或样本容积），形成具有一种或多种选定波长照射光（或源光）的一束或多束光束108，将该光束108对准该检测腔104以使检测腔104中的颗粒112与入射在该颗粒112上的照射光产生反应，并收集（接收）颗粒响应该照射而发射的测量光（或发射光）。该颗粒检测器100用于在一大检测区域内（即一大光子收集区域）收集测量光，该检测光沿一组多条光路传播，如附图1中的射线所部分描述。由此，该检测器100可包括一壳体120或其他结构以形成一个流体穿过的检测腔104、一个或多个用以形成照射光的一道或多道光束108的光源124、以及一个或多个用以接收沿多条不同光路116传播的检测光的光检测器128。当样本流体流经过该颗粒检测器100时，该颗粒检测器可获得实时颗粒数据。

在本说明书中，“照射”光指由该光源124产生的光、并被用于照射该检测腔104中的颗粒，以区别于测量光和背景光（即非解析光，其仅形成背景信号干扰，例如环境光线）。在本说明书中，“测量”光指颗以响应该照射而发射的光。测量光可以是颗粒散射（反射）的光或颗粒发射的荧光性光。该颗粒检测器100可被用于测量散射光和/或荧光发射的光。该颗粒检测器100可被用于同步或顺序测量散射光和荧光发射光。

关于散射光，该颗粒检测器100可尤其被用于测量自由散射光。照射光入射到颗粒时可以在与照射光相同的波长从该颗粒被自由的散射，其与颗粒尺寸、形状、以及不同的颗粒反射率和样本流体反射率有关。散射的形式可以是瑞利散射、米氏散射、或几何散射，取决于颗粒尺寸与照射光波长的比例。关于荧光发射光，照射光可被用做一激发光，其诱发一颗粒（尤其是生物颗粒）荧光分子中的自发荧光。即合适波长或波长范围的照射光可被一含有荧光分子的颗粒吸收，由此诱发颗粒的荧光，即，在一不同（典型的更长的）波长或波长范围的发射光。

通常，附图2和附图3中进一步所示，测量光可以自一照射颗粒并沿任意一个相对纵轴132的方向传播。为明确表述，该纵轴132以z轴表征，且该截面平面垂直于该纵轴132以x-y平面表征。附图2是颗粒检测器100的一种剖视示意图（x-y平面），剖分于纵轴上任意一点（z轴）。一照射颗粒136可以位于该纵轴132上任意一点。如图2所示，测量光传播的多数或全部光路116相对纵轴132具有径向分量。附图3是颗粒检测器在x-z平面上的一种示意图。该平面视图可以是任意一个x-z平面上的视图，可以理解，将该颗粒检测器100沿纵轴132向y-z平面旋转90°后得到的是相同的视图。x-y平面由垂直虚线340表示，x-y平面是当颗粒被照射时或被照射后极短时间内瞬时所在平面。如图3所示，测量光传播的光路或方向相对x-y平面340包括纯径向光路342、前倾角光路344、和后倾角光路346。在本说明书中，一纯径向路径342完全位于x-y平面内，一前倾角光路344相对x-y平面340具有正夹角（即，具有均指向下游方向的一径向分量和一轴向分量），且一后倾角光路346相对平面x-y具有负夹角β（即，具有均指向上游方向的一径向分量和一轴向分量）。进一步的，该光检测器128能够捕获来自照射颗粒136的且沿多个纯径向光路342、前倾角光路344和后倾角光路346传播的光子。

参见附图1，形成该检测腔104的该壳体120或其他结构沿纵轴132环绕或包括一腔室或内部。该腔室或内部包括或至少包括该检测腔104。该壳体120（或一形成检测腔104的部件）以纵轴132对称，同时该纵轴132是该壳体120（或形成该检测腔104的壳体部件）的中心轴。在一些实施方式中，如图1所示，该壳体120（或形成该检测腔104的壳体部件）呈圆柱形，在其他实施方式中，可以是球形或多边形。该壳体120以及检测腔104的长度方向被设置为沿纵轴132方向。长形几何结构的一个示例是，该检测腔104 的沿纵轴132的长度远大于其在截面平面上的尺寸。在本说明书中，所述的“截面平面尺寸”指最大尺寸，其表征该检测腔在纵轴132垂直平面上的截面（流通截面）上的尺寸（即，圆截面的直径、椭圆截面的长轴、或多边形截面的一个边长或两个对角的距离）。该壳体120包括一样本入口152和一样本出口154，其设置以形成自该样本入口152、流经该检测腔104、至该样本出口154的一样本流体路径。该样本入口152和该样本出口154典型的与该颗粒检测器100的外部环境贯通。该检测腔104的轴向长度为接收样本流体的第一端部与释放样本流体的第二端部之间的距离，第一端部与第二端部轴相对称。根据该壳体120的设置，该检测腔104的该第一端部大致对应（或设于近端）该样本入口152，该检测腔104的第二端部大致对应（或设于近端）该样本出口154。

该光源124可以是任意一种可形成选择的波长的照射光的光源。通常选择波长是一单一波长，在该光源124在选择波长附近的一窄波带发射光子时，选择波长是主要的波长或峰值波长（或中心波长）。选择不同的照射波长可实现不同形式的测量，例如散射光或荧光光。光源124包括但不仅限于发光二极管（LEDs）、激光器、激光二极管（LDs）、和灯，用于发射主要在峰值或中心波长的光。该光源124发射的照射光的功率以瓦特计（例如，0.5-10W），虽然更为通常的是不对该光源124的输出功率进行限定。该光源124可被配置为连续波（CW）和/或脉冲工作状态。该光源124可相对该检测腔104设置，从而照射光的该光束108与纵轴132同轴或接近同轴。该光源124可通过任意一种可是的方式安装在壳体120或其他结构上。该光源124被安装在该检测腔104的第一端部上或第一尾部附近，从而照射光与流经该检测腔的样本流体流大致平行且同向。根据采用的光源124的种类，该光束108可以是连续的或非相干（分开）的。相对于由常规聚焦激光光束形成的线或点，在检测腔104内的最大截面及最大容量处，该光束108形成一大致圆柱形的颗粒照射区域。该光束108的截面形状可以是圆形的或椭圆形的。相对较大的光束108容量可提高该颗粒检测器100的灵敏度并减少检测局限（LOD）。在一些实施方式中，该光束108的截面尺寸（例如，直径或长轴长）为0.4mm-4cm（4000mm）。在一些实施方式中，该光束108的截面面积为该检测腔104截面面积的1%-80%。

该光源124用于发射照射光，其照射波长根据所需的测量类型而选择。在一些实施方式中，照射波长为250-1500nm。在更多的实施方式中，照射波长可是在紫外范围、可将光范围、或红外范围。为测量散射光，该光源124的选择基于低成本、发射的照射波长无自发荧光诱发等因素。为测量荧光发射，该光源124的选择基于激发特定生物颗粒所需要的照射波长。在一些实施方式中，长照射波长用于检测散射辐射，短照射波长用于检测荧光分子的激发。例如，可见光长波长如紫外光（例如，405nm）至红外光（例如，900nm）用于检测散射辐射，优选的是红光（例如，650nm）至接近红外波长。在其他的实施方式中，紫外光（UV）至蓝光波长（例如，365-450nm）用于检测激发的荧光分子。下表显示一些生物性荧光分子、辅酶（NADH）和核黄素的基态-激发态属性，试验代理为2%的天来宝-Syloid，是采用2%天来宝CBSX荧光分子（BASF，美国新泽西州弗洛勒姆帕克）标记的Syloid二氧化硅粉末（W.R.格雷斯公司，美国马里兰哥伦比亚）。

表格

在一些实施方式中，该颗粒检测器100包括如图1所示的一光挡158（光学“束流收集器”）。该光挡158与该光源124光学对准，且相对该光源124设置于改检测腔104的相对一侧。通常，该光挡158可以是任意一种适用的形式，实现有效吸收光且避免光反射回该检测腔104中。本领域普通技术人员可以想到的其他可行的光挡方案。例如，该光挡158可以包括一不透明（“光黑”）、抗反射的盘体或腔体，或至少盘体或腔体至少面对该检测腔104的表面（或涂覆表面）是不透明或抗反射的。该光挡158可以是本领域普通技术人员可想到的适用于光的锁定的形状或结构。如果需要，该光挡158可以包括一散热器或其他移除该光挡158热量的方式。

在一些实施方式中，根据需要或须要，该颗粒检测器100包括一装置（一个或多个组件），用于防止漫射光撞击该光检测器128。通常，漫射光不具分析价值，因而该光检测器128不希望测量这种光。一种漫射光是照射光没有首先照射到颗粒产生散射光或荧光、而直接撞击该光检测器128。即使该检测腔104中没有颗粒存在，漫射光也会提高该光检测器128的输出信号，因而提高了背景（或基础）信号，且降低了该颗粒检测器100的信噪比（S/N），并可能卷绕该测量数据。优选的是，将该背景信号控制在该光检测器128响应曲线敏感部分。试验表明，通过降低该光检测器128的响应基电压在1伏（V）至几毫伏（mV）可以将气溶胶的LOD有效地从1,000s#cm³降低至100 s#cm³。

附图4示意性的展示了一盘体462（或墙体、挡板等）形式的且具有一孔464的一个装置。通常，该盘体462设置在该光源124的光学“下游”，即，位于该光源124和该光检测器128的光学位置之间。该盘体462，或至少该盘体462的表面（或涂覆表面）面向该光检测器128，是不透明的或不反射的从而吸收照射光或其他漫射光。由此该盘体462作为一光子损失表面，阻止漫射光到达该光检测器128的可能。同时，该孔464允许光（和样本流体）沿近纵轴132方向穿过该盘体462，由此可保证该光作用于颗粒并较可能是具有预期波长的照射光。该盘体462相对该光源124和该光检测器128轴向设置，且该孔464的尺寸根据所需的该盘体462的最优光子阻挡性能选择。该孔464一般在纵轴132上位于中心。在一些实施方式中，该孔464具有较大孔径，从而不会成为气体传导屏障、形成局部湍流、或明显改变流经该检测腔104内样本流体流的动力学。如果需要可使用多个盘体462。进一步的，该盘体462可包括多个孔464。在其他实施方式中，当照射光的光束108是充分相干和/不相干时，可不包括该盘体462或类似装置。

在一些实施方式中，该壳体120、或至少形成该检测腔104的壳体120部分，由低反射率材料制成，或至少该壳体120的内表面（或一应用于其上的涂层）由低反射率（或不透光、或抗反射）材料制成。以利于阻止漫射光达到该光检测器128。

在一些实施方式中，根据需要或须要，该颗粒检测器100可包括光束光学整形元件。该光束光学整形元件可包括一个或多个组件（例如，透镜）。在本说明书中，所述“光束光学整形元件”指修正光束路径且无波长过滤的光学组件。图5示意性的展示了一个光束光学整形元件570。作为一个示例，该光束光学整形元件570可以是或包括一用于准直照射光光束的准直器（准直透镜）。图4中所示的该光束光学整形元件570可与该盘体462或其他漫射光阻挡装置择一使用，或作为该盘体462或其他漫射光阻挡装置附加结构。该光束光学整形元件570相对该光源124的轴向设置位置根据所需的最优光束整形性能选择。在其他实施方式中，光束光学整形元件570可以是集成件或是该光源124的配件。在一些实施方式中，当光源124生成的照射光的光束108是充分相干和/不相干时，可不包括独立且区别于该光源124的准直器。在其他实施方式中，作为准直器的补充或择一使用，该光束光学整形元件570可以是或包括一光束扩展器，其用于增加该光源124发射的光束108的直径。

根据图1，该光检测器128用于在一大检测区域（即，一个大的光子收集区域）内收集沿一组多条光路116传播的测量光，包括上述相对纵轴132具有角度的测量光路径。为此，该光检测器128包括一个大面积的有源光电材料。本领域普通技术人员可知，该光检测器128还包括一个或多个作用于该有源光电材料的阳极和阴极。该光检测器128、或至少是光电材料，沿腔长方向至少部分环绕该检测腔104。如实施例所示，该光检测器128、或至少是光电材料由柔性材料制成（一层或多层柔性材料），使其或共形包覆该壳体120（或该壳体120形成该检测腔104的部分）的外表面，或共形形成该壳体120的内表面。优选的，该光电材料相对较薄以使其更为柔软（即，毫米或更小的计量单位）。该光电材料可以由任意一种材料（或由两种或多种材料复合）组成，以在该颗粒检测器100所预期的测量光波长范围内表现出有效的光电活性和足够的敏感度。例如，该光电材料可以是薄膜无机、有机、或有机/无机复合半导体，一个非限制性的示例是硅。该光电材料至少具有一种电气特性（电流、电压、或电阻），在作用有光后产生相应变化。

在一些实施方式中，该光电材料是一光伏（PV）材料，当其表面作用有光子时同时形成电流反馈和电压反馈。在弱光条件下，电流反馈和电压反馈均可被观察到，且均与撞击该PV材料表面的光子总量成比例。基于低水平入射光（≤0.1Suns；或颗粒或荧光发射的自由散射一致的入射光子总量）的增加与引起的OCV的增加之间的对数关系，PV材料的开路电压（OCV）显示了低水平颗粒浓度变化（即，少于100#/cm³）的可测反馈。在其他情况下，当高颗粒浓度时，PV材料反馈电流的测量更为有效。

在优选实施方式中，该光电材料至少一侧由一柔性基底（例如，一聚合物层或膜，如聚酰亚胺）支撑。在一些实施方式中，为使该光电材料与操作环境隔离，该光电材料完全包裹（或嵌入）在该基底内，或夹在该基层和一附加的封装层或膜之间。任意覆盖在该光电材料的光子收集边的层或膜都应是光透明的。在一些实施方式中，该光子收集侧上可覆盖一透明电极。在一些实施方式中，该光子收集边上可覆盖如前面所述的光过滤材料层或膜。

该光电材料完全或基本上完全环绕该检测腔104以形成一绕纵轴132跨度为360°或接近360°的检测区域。该光电材料可连续环绕该检测腔104。可选的，该光电材料包括多个相互独立的光电材料的离散单元或单体，其共同环绕该检测腔104。

附图6是应用于该颗粒检测器100的柔性光检测器628的一种示意图。该光检测器628包括一个设置在一个柔性基层680上的柔性光电材料678。在此实例中，该光电材料678包括一组多个光电材料、或光电单元或单体682。各光电单元682之间相互独立，但也可以紧密组合在一起以获得最大化的有效检测区域面积。在本示例中，该光电单元682排成一列，在其他实施方式中，可以被列成两列。该光检测器628最初为平面带，随后有控制的环绕该检测腔104。例如，该光检测器628可以如前述的共形安装在该壳体120上。因此，当壳体是圆柱形或球形时，该光检测器628可以圆柱筒、带、环的形式环绕该检测腔104。该光检测器628很大程度上通过该光电单元682的该活性材料获得一个显著的表面积（L×D）。一个非限制性示例，L在一到几十毫米，D在几十到几百毫米。当壳体为圆柱形或球形时，齿轮L和D相应的调整为该光检测器628的圆柱高和底面直径。本领域普通技术人员可知，该光检测器628可包括多个载流组件（连线、导线、触点、以及未示出的相似组件）。一个非限制性示例，该光检测器628可基于一个市场可购的PV模块（例如MP3-37型号，PowerFilm公司，美国爱荷华州埃姆斯市）。

在上述实施方式中，该光电材料678在该检测腔104周围形成大量的检测点，则该检测腔104中可检测和测量射入其中的测量光的光子。这些检测点可相对中心轴（贯穿图6的尺寸D）位于不同的角度位置上，和/或可相对纵轴（贯穿图6的尺寸L）位于不同的轴向位置上。如图2和3所示，该光电材料678向自照射颗粒沿多个不同光路传播的测量光形成一个传播目标。通过上述设置，该光检测器628可输出一个强度相对较高的测量电检测器信号，即使单个颗粒产生的光测量信号相对微弱。

参考图1，在一些实施方式中，该颗粒检测器100进一步包括一个或多个光学滤波器186，其被按照光学位置关系被设置在该光检测器128的光电材料的光子收集侧和该纵轴132之间。即，设置后任何射向该光电材料的测量光必须首先经过该光学滤波器186。在一些实施方式中，该光学滤波器被设置在该光电材料上，即，直接设置在该光电材料上或通过覆盖或包覆该光电材料的层或膜以完成安装。该光学滤波器186用于阻止一个或多个波长范围，因此，可能是低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。该光学滤波器186可以是两个或多个光学滤波器的组合，以获得所需的通过/阻止特性。该光学滤波器186可以是固态（例如玻璃或聚合物）或凝胶（例如聚合物）材料，且很薄和/或足够柔软以共形地覆盖该光电材料。一个非限制性示例，市场可购的凝胶滤波器（罗斯科试验有限公司，美国康涅狄格州斯坦福）。

图2的截面图展示了光电材料和光学滤波器相对于壳体的一些可能的布局方式。在设置有光电材料和光学滤波器的检测腔104的区域内，该颗粒检测器100包括至少三个环绕该检测腔的层：一第一层（内层）202、一环绕该第一层202的第二层（中层）206、以及一环绕该第二层206的第三层（外层）210。在一个实施方式中，该第一层202是该光学滤波器，该第二层206是该壳体（即，该壳体的一个壁），且该第三层210是该光电材料。因此在本实施方式中，该光学滤波器共形地设置在该壳体的内表面，且该光电材料共形地设置在该壳体的外表面。在其他实施方式中，该第一层202是光学滤波器，该第二层206是该光电材料），且该第三层210是该壳体。因此在本实施方式中，该光电材料共形地设置在该壳体的内表面，且该光学滤波器共形地设置在该光电材料上，因而该光电材料夹设在该壳体和该光学滤波器之间。在另一个实施方式中，该第一层202是壳体，该第二层206是光学滤波器，且该第三层210是该光电材料。因此在本实施方式中，该光学滤波器共形地设置在该壳体的外表面，且该光电材料共形地设置在该光学滤波器上，因此该光学滤波器夹设在该光电材料和该壳体之间。如果该光电材料位于该壳体的外部（或至少延伸有该光电材料的部分）是光透明的。如有需要，该层202、206和210可通过任意一种合适的方法实现相互安装，如粘结、机械紧固等。在没有光学滤波器的实施方式中，该光电材料可共形地设置在该壳体的内表面或外表面。

该光学滤波器用于根据适用场合阻止选择的波长或波长范围（不被需要的光子）。例如，当测量荧光性时，该光学滤波器用于通过荧光性测量光的波长，同时阻止用以激发该荧光分子的照射光的波长。其他示例中，当测量散射性时，该光学滤波器用于通过照射光波长（和由此散射测量光的波长），同时阻止其他波长，例如，漫射环境光。

参考图1，在一些实施方式中，该颗粒检测器100进一步包括一数据采集装置190，其可与该光检测器128信号通信。该数据采集装置190用于测量该光电材料的反馈（例如，电压反馈、电流反馈、和/或电阻反馈），例如该光电材料输出的电检测器信号。该数据采集装置190用于将模拟检测器信号转换为数字检测器信号，并记录和存储该检测信号。该数据采集装置190用于使在检测腔104中由照射光检测出的一个或多个颗粒属性的反馈测量产生关联，例如颗粒粒径、浓度、识别特征（例如特定类型的生物颗粒）等。该数据采集装置190可用于执行任意所需或所须的采集后的信号调整或处理，例如放大、校准、反褶积、格式化以传输到另一装置等。该数据采集装置190用于生成相关检测颗粒的一个或多个属性的数据，并将该数据通过有线或无线网络传输至另一装置（例如一个电脑装置），或通过合适的工作网络传输至一个或多个装置。该数据采集装置190可拆卸的耦合在该光检测器124上，例如利用该光电材料的电引线可拆卸的连接。该数据采集装置190进一步可耦合在另一装置上以下载数据至另一装置并分析。本领域普通技术人员可知，利用硬件（或固件）、软件或硬件和软件，该数据采集装置190可实现多种功能。该数据采集装置190包括一个或多个处理器、存储器、以及其他硬件。一个非限制性示例，该数据采集装置190包括一个市场可购16比特数据记录装置（例如USB-1698FS-Plus型号，测量计算基团，美国马萨诸塞州诺顿）。

图7是其他实施方式的颗粒检测器100的截面示意图。该光源124包括一组独立光源（光源单体）124A、124B、124C、和124D。仅如图所示的光源124A、124B、124C、和124D数量为4个，也可以大于或少于4个。在一些实施方式中，该光源124A、124B、124C、和124D以纵轴132为中心紧密集合排列。在一些实施方式中，一个或多个光源124A、124B、124C、和124D发射相同波长的照射光，这利于促进信号的检测和/或提高该检测腔104内颗粒照射区域的整体尺寸。在一些实施方式中，至少一个光源124A、124B、124C、和124D发射与其他光源124A、124B、124C、和124D波长不同的照射光。例如，一个或多个光源124A、124B、124C、和124D发射具有用于测量散射辐射的第一波长的照射波，与此同时一个或多个其他光源124A、124B、124C、和124D发射具有用于测量散射辐射且不同于第一波长的第二波长的照射光。在其他实例中，一个或多个光源124A、124B、124C、和124D发射具有用于测量第一种颗粒的荧光辐射的第一波长的照射光，与此同时，一个或多个其他光源124A、124B、124C、和124D发射用于测量第二种颗粒的荧光辐射的且不同于第一波长的第二波长的照射光。后者的设置方式更有利于检测样本流体中的一种或多种颗粒。在另一实施方式中，一个或多个光源124A、124B、124C、和124D发射用于测量散射辐射的第一波长（或一种或多种不同的第一波长）的照射光，与此同时，一个或多个其他光源124A、124B、124C、和124D发射具有用于测量荧光辐射、且不同于第一波长的第二波长（或一种或多种不同的第二波长）的照射光。

在一些实施方式中，须要两种或多种不同辐射波长时，根据任意需要的脉冲序列，多个光源124A、124B、124C、和124D顺序工作。例如，该颗粒检测器100一次或多次交替运行两个不同光源124A、124B、124C、和124D，以交替测量散射辐射和荧光辐射。另一种示例，该颗粒检测器100一次或多次循环运行两个或多个光源124A、124B、124C、和124D，以在两种或多种不同波长下测量散射辐射和/或在两种或多种不同波长下测量荧光辐射。

如图7所示，在一些实施方式中，该光检测器128包括一组独立光检测器（或光检测器单元）128A、128B、128C、128D。每一个光检测器128A、128B、128C、128D包括一光电材料、和其他配件，该光电材料如图6所示的包括一组光电单元。仅如图所示的光检测器128A、128B、128C、128D的数量是4个，也可以大于或小于4个。光检测器128A、128B、128C、128D的数量可以等于、少于或大于光源124A、124B、124C、124D的数量。一个或多个光检测器128A、128B、128C、128D光学对准相应的光学滤波器186A、186B、186C、186D。

采用两个或多个光检测器128A、128B、128C、128D可增加该光检测器128的主动检测区域，并增加该主动检测区域可见范围内的前倾角光路344和后倾角光路346（图6）的数量和角度范围。又或者，采用两个或多个光检测器128A、128B、128C、128D可增加检测信号强度。在一些实施方式中，两个或多个光检测器128A、128B、128C、128D相互串联以提高电压反馈，和/或光检测器128A、128B、128C、128D相互并联以提高电流反馈。

又或者，两个或多个光检测器128A、128B、128C、128D可形成两个或多个不同的波长（或波长范围）收集能力和/或形成两个或多个不同的检测器输出信号。在本实施方式中，两个或多个光检测器128A、128B、128C、128D之间可以是电独立的，从而相互独立运行。例如，这样相同的颗粒检测器100可以同时用于散射光和荧光的分析，和/或两个或多个不同辐射波长的散射光分析，和/或两个或多个不同辐射（激发）波长、或两个或多个不同测量波长（或波长范围）的荧光分析。从而在一些实施方式中，至少一个该光检测器128A、128B、128C、128D可感应区别于其他光检测器128A、128B、128C、128D的波长（或波长范围）。或者，至少一个光检测器128A、128B、128C、128D与一个光学滤波器186A、186B、186C光学对准以将一个波长（或波长范围）穿过该光检测器，这个波长（或波长范围）不同于其他光检测器128A、128B、128C、128D接收到的波长。一个优选，用于接收散射辐射的光检测器包括一个用于阻止其他荧光辐射波长的光学滤波器，与此同时，另用于接收荧光辐射光检测器包括一个用于阻止照射光（以及散射辐射）波长的光学滤波器。如示例所述，光检测器128A用于收集光源124A照射到的颗粒所散射或发射的测量光，光检测器128B用于收集光源124B照射到的颗粒所散射或发射的测量光，光检测器128C用于收集光源124C照射到的颗粒所散射或发射的测量光，以及光检测器128D用于收集光源124D照射到的颗粒所散射或发射的测量光。

一般而言，颗粒属性、照射光属性、以及相对于波长的光检测器反馈信号都会影响颗粒检测器100的LOD和敏感度。检测的颗粒类型、敏感度、以及LOD的调整（优化）可通过选择合适的光学过滤器、波长、照射光的强度和准度、以及其他光检测器的相关属性实现。

图8是一些实施例中的颗粒检测器800的另一种示意图。该颗粒检测器800包括一个用于形成流体穿过的检测腔804的壳体820、一个或多个光源824、以及一个或多个光检测器828。如示例，该壳体820以及该检测腔804一般细长并沿纵轴延伸。该颗粒检测器800还包括一个光挡858以及一个或多个如前述的光学滤波器886，以及一个或多个如图1-7所述的其他部分。在一些实施方式中，该光检测器828和光学滤波器886包括如前述的柔性材料。在这一实施方式中，该光源824包括一个散热器894，其通过散热片或其他利用环境空气增加散热表面的方法。壳体820包括一样本入口852和一样本出口854，从而该壳体820确定了一样本流路径，其自该样本入口852、经该检测腔804、至该样本出口854。在本实施方式中，通过该壳体820的设置，从而该样本入口852、该样本出口854、或该样本入口852和该样本出口854（如图所示）与纵轴呈角度设置（例如图示中的90°）。这样的设置可使进入该检测腔804并到达该光检测器828的环境光量最小化。

同样如图8所示，该颗粒检测器800包括一流体驱动装置896（例如，泵、风扇、风机等）用于将驱使流体经过该样本流路径。一般而言，该流体驱动装置896与该检测腔804连接。为此，该流体驱动装置896设置于该检测腔804的下游。该流体驱动装置896设置于该样本出口854的下游，并设置于该壳体820的外部（如图所示）、或设置于内部。一般而言，该流体驱动装置896的设置应确保不在该检测腔804中形成紊流。该流体驱动装置896用于驱使该样本流体以层流且平滑、无脉冲的形式经过该检测腔804。层流态的保持可将内部颗粒损失最小化，并提高得到的数据的敏感度和准确度。在一些实施方式中，该流体驱动装置896用于驱使该样本流经过该检测腔804，流速以每分钟流升计算。在一些实施方式中，用户可调节该流体驱动装置896的流速。可以理解该流体驱动装置896不是必须使用的。环境流体流条件可能足以运行该颗粒检测器800，从而无需使用流体驱动装置896。

同样如图8所示，该颗粒检测器800具有一个或多个壳体部件和/或该颗粒检测器800组件的模块化集成，当需要清洁、维护或更换时，其可移离其他壳体部件或组件（例如，光源824、光挡858、流体驱动装置）。光源824可根据需要的不同照射波长进行替换。当需要不同的光检测器828和光学滤波器886或二者结合时，光检测器828和光学滤波器886、或安装有该光检测器828和光学滤波器886的该壳体部件可进行替换。进一步，模块化从而使用者可以类似于图7所示的方式添加不同的壳体部件系列以装配颗粒检测器800。多个壳体部件可以包括相同或不同的预装在该壳体部件上的一个或多个光检测器828和一个或多个光学滤波器886的联合体。

在一些实施方式中，使用者得到的该颗粒检测器800可能是一盒被完全或部分拆解的颗粒检测器800。例如，盒内可能包括一组不同的光源824、光检测器828、和/或光学滤波器886。又或者，盒内可能包括一组不同的形成检测腔804的壳体部件。该壳体部件可能包括不同的预装在该壳体部件上的一个或多个光检测器828和一个或多个光学滤波器886的联合体，由此使用者可根据需要配置颗粒检测器800的分析功能。

图9是一些实施方式的颗粒检测器900的另一种示意图。该颗粒检测器900可包括用于形成一个流体流经的检测腔904的壳体920、一个或多个光源924、以及一个或多个光检测器928。该颗粒检测器900还可包括一个光挡958和一个或多个如前所述的光学滤波器（图中未示出），以及一个或多个如图1-8所述的其他部分。在一些实施方式中，该光检测器928和光学滤波器可包括如前述的柔性材料。壳体920包括一样本入口952和一样本出口954，从而该壳体920确定了一样本流路径，其自该样本入口952、经该检测腔904、至该样本出口954。该光源924、样本入口952、样本出口954、和光挡958可被设置用于使照射光和样本流沿一纵轴932线性传输。该颗粒检测器900可与如前述图8所示的该颗粒检测器800相似配置。然而，该颗粒检测器900包括一个或多个部分，其中检测腔904截面（界面区域）尺寸沿纵轴932变化。在本实施方式中，上述是通过将该壳体920以及检测腔904设置为球形或包括一球形部分922实现的。在这种情况下，该纵轴932可成为该球形部分922的对称轴。

同样在这个实施方式中所示，在圆形或多边形截面上，该壳体920可包括沿纵轴132方向延伸自该球形部分922的一轴向入口部分914和一轴向出口部分918。如图所示，该光源924和该样本入口952可设置在该入口部分914上，以及该样本出口954和该光挡958可设置在该出口部分918上。该光检测器928以与纵轴932具有9度或其他值的水平角包围该检测腔904。附加的光检测器（图中未示出）可完全或部分包围该检测腔904以形成附加主动检测区域。

图10是一些实施方式的颗粒检测器1000的另一种示意图。该颗粒检测器1000可包括用于形成一个流体流经的检测腔1004的壳体1020、一个或多个光源1024、以及一个或多个光检测器1028A、1028B、和1028C。该颗粒检测器900还可包括一个光挡958和一个或多个如前所述的光学滤波器（图中未示出），以及一个或多个如图1-9所述的其他部分。在一些实施方式中，该光检测器1028A、1028B、1028C和光学滤波器可包括如前述的柔性材料。该壳体1020和该检测腔1004的截面可以是圆形或多边形的。壳体1020包括一样本入口1052和一样本出口1054，从而该壳体1020确定了一样本流路径，其自该样本入口1052、经该检测腔1004、至该样本出口1054。该光源1024、样本入口1052、样本出口1054、和光挡1058可被设置用于使照射光和样本流沿一纵轴1032线性传输，纵轴1032是该检测腔1004和一个或多个颗粒检测器1000的其他部件的对称轴。该颗粒检测器1000可与如前述图8或9所示的该颗粒检测器800相似配置。然而，该颗粒检测器1000包括一个或多个部分，其中检测腔1004截面（界面区域）的一个或多个部分的尺寸沿纵轴1032变化。例如，上述可通过使壳体1020包括一个或多个过渡或锥形部件实现，其截面形状递增或递减。这些过渡或锥形部件具有，例如，截头圆锥形或棱锥形结构。在本实施方式中，该壳体1020包括一递增过渡段1022（即，沿流体流动和照射光传播方向截面变大），其与一具有恒定截面的部分1026相邻设置，且该部分1026与一递减过渡段1030相邻设置。

在另一实施方式中，该过渡段1022可用一递减过渡段以替代递增过渡段，因而在流体流动方向上其截面变小，由此该流体流向指向该部分1026上一较小的截面一侧。更通常的，决定是否包括截面过渡段，以及该过渡段在流体流动方向上是扩张的还是收拢的，可基于流体颗粒的众多相关因素、颗粒距离和颗粒检测器等。

同样在该实施方式中，沿纵轴1032方向，该壳体1020可包括一延伸自该递增过渡段1022的轴向入口部分1014、一延伸自该递减过渡段1030的轴向出口部分1018。如图所示，该光源1024和该样本入口1052可设置在该入口部分1014，以及该样本出口1054和该光挡1058可设置在该出口部分1018。一个或多个光检测器1028A可在恒定截面部分1026上以与纵轴1032呈90°的取向包围该检测腔1004。又或者，一个或多个光检测器1028B和/或1028C相应的，包围该递增过渡段1022和/或递减过渡段1030。

图11是一些实施方式的颗粒检测器1100的另一种示意图。此示图是由该颗粒检测器1100的一壳体1120形成的一检测腔1104的示意图。在本实施方式中，该壳体1120包括一组平璧部分，且该部分的检测腔1104的截面是多边形的。图11示例的仅是一个线性截面，其他可能的截面还有几何多边形（例如，六边形、多边形等）。一个或多个光检测器1128A、1128B、1128C、和1128D设置在相应的平璧部分。在其他实施方式中，可利用少量的对光探测器形成几何多边形。如11中，例如，仅利用了一对对光探测器（1128A、1128B、1128C、和1128D）。

本申请进一步包括其他实施方式，提供了大量的一个或多个如前述且如图1-11所示的示例特征的组合。进一步的，其他实施方式可包括一个或多个公开在美国临时专利“用于流体控制和抽样检测控制的装置、系统和方法”（申请号为62/039,519、申请日为2014年8月20）中的特征结构，上述被全文援引至本申请。

本申请所述的颗粒检测器可实现一个或多个技术效果。该颗粒检测器，尤其包括如前所述的该光检测器，可提供一个简单、低成本的解决方案以测量颗粒浓度，并经试验证明是十分敏感的，无需利用精密光束光学整形元件（例如，透镜和反射镜）就可实现在测量光光路上大的光子收集量。即，该光检测器可使该检测腔中的纵轴和光电材料之间的测量光光路上无需设置光束光学整形元件。这部分是由于该光检测器具有一个大的有效光电材料，且其共形地围绕该检测腔，由此该光检测器可接收几乎全部方向的测量光。进一步的，由于该光检测器的有效检测区域较大且共形地围绕该检测腔，因而相较于现有装置，该检测腔具有一个极大的容量，可在样本流体经过该光检测器的通过时间段或更长的时间段（例如，以升每分钟流速的几秒或十几秒计，如5L/min）内收集极大部分和数量的散射辐射或荧光辐射光子。使得本技术方案的光检测器区别于现有技术的颗粒检测器，现有技术的颗粒检测器仅可在1-10微秒（µ8）的通过时间段里捕获仅仅很小部分的光子。值得注意的是，虽然流速x通过时间=常数；照射源、光电材料、和测量电子的特性可得到一个该颗粒检测器的敏感度最佳的流速。相较于现有的信号颗粒计数器具有小的检测腔和多个光束光学整形元件，本技术方案的配置和检测方法同样极大的放宽了对该光源相对该检测腔和该颗粒检测器的其他组件对齐的准度和精度的要求。相较于现有的信号颗粒计数器技术，本技术方案的光检测器还可检测具有一定容积的样本流体（#/cm₃）中全部的颗粒浓度和浓度变化。本技术方案可简化光学元件的要求且无需将样本流体对准一单独的颗粒流路径。以及，检测腔的简单结构（例如，圆柱形）简化了颗粒检测器的装配和维护，减少颗粒在内表面的沉积，利于清洁。

实施例1-一般气溶胶检测

在本示例中，一颗粒检测器近似按照如图8所示的结构制造。该壳体是一直径为1.62英寸（41.1mm）的光透明管。该光检测器选用1.5英寸×4.5英寸的柔性光伏检测器（太阳能膜的MP3-37）。柔性光伏检测器包覆该光透明管。光源选用650nm波长的红色激光二极管，其向下照射该管的中心，管中有以5升每分钟流速且与该光同轴的空气流。一光挡设于该管相对的一端。一检测系统设置用于评价该颗粒检测器。该系统主要由直径为1¹/₂英寸的黑色聚氯乙烯（PVC）管道组成。该光伏检测器的输出电压通过一个16比特数据存储器（USB-1698FS-Plus测量计算）1样本每秒实时测量。

该颗粒检测器与混合有浓度可控且充分混合的气溶胶的腔室连接。一空气动力学粒径谱仪（APS；TSI股份有限公司）设置在该颗粒检测器之后（下游）。该APS向该颗粒检测器提供经过其中的空气流（5L/min）以及流经该仪器的气溶胶的尺寸和数量信息。在两个仪器中的流经相同的样本空气流。来自该APS的气溶胶浓度信息作为标准或参考。作为APS的补充，凝聚颗粒计数器模型3022a（CPC；TSI股份有限公司）与该气溶胶混合腔室连接，但其流体路径与该颗粒检测器和APS中的不同。然而，当气溶胶腔室的混合环境较好时，所有仪器中可测量到非常接近的浓度。联合使用两种颗粒计数器，可更好地观察该颗粒检测器的表现。该APS可测量的颗粒尺寸和浓度范围自接近0.5μιη至超过5 μιη。该CPC模型3022a的尺寸范围低值为7nm，高值为接近1 μιη。单独使用时，该CPC仅提供总数信息。附加一扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS；TSI股份有限公司）可提供尺寸信息。APS和CPC均是精密的颗粒计数器。

试验基于ISO 12103-1，A1超细粉尘试验（又称亚利桑道路尘）。如图12中所示，SMPS所测量到的测试粉尘的中值尺寸范围大致为250nm。标准超细亚利桑道路尘的粒径分布由TSI SMPS测得。一个典型的试验利用一TSI型号3433的少量粉尘分散装置将少量亚利桑道路尘分散于该气溶胶混合腔室。随后在该腔室中的充分混合的气溶胶被该颗粒检测器和其他两个市购的颗粒计数器（APS和CPC）采样。该气溶胶浓度在腔室中随时间缓慢衰减直至一清洁泵被启用后，该气溶胶被抽离该腔室同时过滤后的空气进入该测试腔室。图13A显示的是清洁后的浓度衰减。该颗粒检测器显示与其他两个市购颗粒计数器接近的浓度变化。图13B和13C显示了该颗粒检测器和其他两个市购颗粒计数器的对比。值得注意的是，根据本试验中的颗粒检测器所采用的配置，该颗粒检测器提供更多的是浓度测量，且不计算颗粒粒径。所显示的差异为该颗粒检测器的反馈与其他两个市购颗粒计数器的反馈之间缺少真正的1：1关系。可以的改进是，采用不同波长光和测量精度的校准算法。当该颗粒检测器利用650nm红色激光器时，该颗粒检测器可检测低于0.9颗粒/cm³的浓度和至少小至0.25μιη（25nm）的粒径。

实施例2-生物气溶胶检测

在本实施例中，一颗粒检测器按照与上述实施例1中相似的配置被制造。然而，该激光源采用具有准直透镜的365nm紫外LED，以及一用于支撑该LED并保持其稳定温度的铝散热片。该激发波长通过一罗斯科400nm紫外凝胶膜滤波器得到阻止。该紫外滤波器包覆该光透明管。该柔性光伏检测器随后包覆该凝胶滤波器，从而形成的检测腔中不包括来自该光伏检测器的激发辐射。

采用如实施例1中的试验步骤，利用一荧光性气溶胶作为模拟气溶胶。利用2%天来宝CBS X标记WR格雷斯Syloid粉末。该天来宝标记的最大吸收值接近385nm。该发射波长的最大值接近430nm。对照组试验使用无标记Syloid气溶胶以证明该光伏检测器的检测信号更多的是荧光性发射光子而不是散射激发能。图14是颗粒检测器对标记和无标记Syloid气溶胶的反馈。在这组试验中，杂散源辐射达到该光伏检测器，从而限制了检测水平。

第二组试验中，增加了孔并提高了LED的对准度，结果为形成如图15所示的一个低限制的检测和更高的敏感度。利用附加改进的进一步的改进可减少杂散源辐射并优化该传感腔的几何形状和该样本流速。

实施例3-生物气溶胶检测

在本实施例中，一颗粒检测器按照与上述实施例2中相似的配置被制造。然而，该颗粒检测器被重新配置，利用一405nm紫外激光器。试验采用与实施例2中相同的试验步骤，区别是该腔室中引入具有控制浓度的芽孢杆菌孢子生物气溶胶，且被两个市购颗粒计数器和该颗粒检测器采样。405nm波长是生物气溶胶激发的上线。然而，一激光器用于向该检测腔室中的生物气溶胶有效传递高强度、连续的光。405nm的紫外激光器先前已被证明用于生物气溶胶的检测。参见赛安利等，《两种荧光基实时生物气溶胶检测器的表现：生物检测 vsUVAPS》，气溶胶科学与技术，48（4）：371-378（2014）。405nm激光器即可发射自由散射（全气溶胶检测）又可激发荧光（生物气溶胶检测）。然而，本试验中，将凝胶滤波器设置在该光伏检测器之间，仅能阻止低于400nm的激发光，因而散射光和荧光发射光均被检测。第二种设置使采用650nm红色激光器从而仅测量全气溶胶浓度（无荧光激发）。这种405nm和650nm的信号区别提供荧光信号的粗略评价。优选的是，采用过滤405激发光的滤波器。或者，采用波长小于400nm但该光精确对准的紫外LED。

利用模拟炭疽杆菌、萎缩芽孢杆菌（Bg）检测该颗粒检测器。利用3射流碰撞喷雾器将已知浓度的Bg孢子注射入检测腔室中。该颗粒检测器和APS获得注射Bg孢子前的数据直至其中达到未测浓度。通过一个全玻璃撞击器获得可得抽样，4mm（AGT4）利用撞击液体以收集孢子。利用菌落计数和电镀测量活菌计数。

结合APS的颗粒粒径信息，AGI的结果用以评价随时间溶解的存活生物气溶胶的浓度。当Bg孢子注射后，在1μιη附近形成明显波峰。其他存在于本次试验中的颗粒可能是生长介质或细胞外物质。通过质量浓度展示的颗粒分布同样显示出该信号孢子的紧密分布。基于上述信息，可合理提取出颗粒数据中需要的粒径阵元。由此，纪录分布显示值为0.965μιη、1.037μιη、和1.114μιη的平均阵元尺寸，其用于补偿阵元的不一致。上述三个阵元值相加以提供时间－溶解颗粒数量浓度信息。然而，阵元集合中包括一些非孢子材料，因而总孢子浓度被高估。

图16显示采用405nm和650nm来测试该颗粒检测器对Bg孢子的测量结果，参照组为APS和估算的存活生物气溶胶浓度。该颗粒检测器与APS浓度十分符合，检测了自注射至注射后衰减直至结束的Bg浓度。该颗粒检测器的测量下限为0.085＃/cm³。

一般，所述的“连接”和“与……连接”（例如，一个第一部件“连接”一个第二部件或“与一个第二部连接”）表明了两个或多个部件或元件之间的结构、功能、机械、电学、信号、光学、引力、电磁引力、离子或流体关系。由此，一个部件与另一个部件并非一定指包括、和／或实时连接或采用其他的连接部件，在二者之间。

可知在不脱离本发明的基本观念下可有大量替换的部分或细节。进一步，上述描述仅作为解释说明，而非限定范围，其范围以权利要求书为准。

附图说明

下列附图用于辅助理解本发明。附图不用做图中部件的规格比例，重点在于其所展示的本发明的发明内容。附图中，相似的附图标记在不同视图中表征相关部件。

图1是本发明一些实施例的颗粒检测器的一种透视示意图。

图2是图1所示的颗粒检测器的一种剖视示意图（x-y平面），剖分于纵轴上任意一点（z轴）。

图3是图1所示的颗粒检测器在x-z平面上的一种示意图。

图4是图1所示的颗粒检测器的一种示意图，其演示一种可能用于该颗粒检测器的漫射光阻装置。

图5是图1所示的颗粒检测器的一种示意图，其演示一种可能用于该颗粒检测器的光束整形光学元件。

图6是可能用于图1所示的颗粒检测器的一种柔性光检测器的一种示意图。

图7是其他实施方式的颗粒检测器的一种剖视示意图。

图8是其他实施方式的另一种颗粒检测器的一种示意图。

图9是其他实施方式的另一种颗粒检测器的一种示意图。

图10是其他实施方式的另一种颗粒检测器的一种示意图。

图11是其他实施方式的另一种颗粒检测器的一种剖视示意图。

图12是一组利用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）测得并利用示例1中所述的一种颗粒检测器采样的标准超细亚利桑道路尘尺寸分布图。

图13A是一组分别利用示例1中的颗粒检测器、空气动力学粒径谱仪（APS）、和上述附图12提及的CPC所采集的气溶胶混合腔室中的一些超细亚利桑道路尘的气溶胶浓度；三种仪器均捕捉到该腔室中气溶胶浓度的衰减；该颗粒检测器的反馈值等于测量电压减去基值（激光器开启但经过传感器的空气流中无颗粒）。

图13B是一组示例1的颗粒检测器的反馈与APS的颗粒计算的对比；该颗粒检测器的反馈值等于测量电压减去基值（激光器开启但经过传感器的空气流中无颗粒）。

图13C是一组示例1的颗粒检测器的反馈与CPC的颗粒计算的对比；该颗粒检测器的反馈值等于测量电压减去基值（激光器开启但经过传感器的空气流中无颗粒）。

图14是一组示例2中的颗粒检测器对模拟惰性气溶胶和生物气溶胶的标记和未标记天来宝荧光剂的Syloid气溶胶的反馈；在紫外凝胶过滤器保护下的该颗粒检测器的光伏探测器的反馈源自发射荧光、而非散射的激发光子。

图15是一组示例2的颗粒检测器对荧光标记Syloid的气溶胶（2%天来宝荧光剂）的反馈；利用APS和CPC得到总颗粒数（不计荧光性）；该颗粒检测器的反馈值等于测量电压减去基值（激光器开启但经过传感器的空气流中无颗粒）。

图16是示例3的具有405nm紫外激光和650nm红光激光器的颗粒检测器对Bg孢子气溶胶的反馈。

Claims

1.一种颗粒检测器，包括：

一壳体，包括一样本入口和一样本出口、以及一腔长方向沿纵轴设置的检测腔，其中该壳体形成自该样本入口、流经该检测腔、至该样本出口的样本流体的一流体路径；

一光源，配置用以使照射光直射至流于该检测腔内的该样本流体中的颗粒；以及

至少一光电材料，沿着该检测腔长度的至少一个部分上，该光电材料共形地围绕设置在所述壳体上，并包围该检测腔，以在30°至360°范围内提供围绕所述壳体弧长的检测区域；

其中该光电材料配置用以接收沿与该纵轴具有相对角度的一组多条测量光光路传播的颗粒测量光；

所述光电材料在该颗粒检测器所预期的测量光波长范围内表现出有效的光电活性和足够的敏感度，并至少具有一种电气特性，在作用有光后产生相应变化，电气活性包括电流、电压、或电阻；

且所述颗粒检测器还包括防止漫射光撞击该颗粒检测器的装置。

2.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该检测腔的配置选项由以下组合组成：

该检测腔为大体圆柱、球形或多边形；

该检测腔的至少一部分的截面面积在纵轴方向上各不相同；

该检测腔包括一过渡段，其截面面积沿纵轴方向递增；

该检测腔包括一过渡段，其截面面积沿纵轴方向递减；

在检测腔内的该纵轴和该光电材料之间的该测量光光路上，不设光学光束整形元件；

该检测腔在该纵轴上包括一第一端部和一相对的第二端部，且该光源配置用使照射光自该第一端部直射向该第二端部；

该检测腔在该纵轴上包括一第一端部和一相对的第二端部，且该光源设于该壳体的该第一端部上；以及

上述两项或多项的组合。

3.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该壳体包括一具有或涂附有低反射率成分的内表面。

4. 根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该样本入口和该样本出口的配置选项由以下组合组成：

至少一个该样本入口和该样本出口与该纵轴成角度设置；以及

至少一个该样本入口和该样本出口与该纵轴成90°或接近90°设置。

5.根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一光挡，其设于该检测腔上与该光源相对一侧。

6.根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一光束光学整形元件，其配置用以该照射光的准直、该照射光截面的扩大、或同时用于准直和扩大。

7. 根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一设备，其配置选项由以下组合组成：

一设备，配置用以阻止杂散光撞击该光电材料；以及

一盘体，设于该光源和该光电材料之间，该盘体包括围绕纵轴的孔。

8.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光源的配置选项由以下组合组成：

该光源配置用以发射相干光束的照射光、准直光束的照射光、或同时相干和准直光束的照射光；

该光源配置用以发射光束直径为0.4mm至4000mm的照射光；

该光源配置用以发射截面面积是该检测腔截面面积的1%至80%的照射光；

该光源配置用以发射照射波长为紫外光范围、可见光范围、或红外光范围的照射光；

该光源配置用以发射照射波长为250至1500nm的照射光；

该光源配置用以发射的照射光具有有效激发一种或多种生物颗粒荧光性的照射波长范围；

以及上述两项或多项的组合。

9.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光源包括一组多个光源，其中至少一个光源配置用以发射照射波长与其他光源不同的照射光。

10.根据权利要求9的该颗粒检测器，其中至少一个该光源配置用以发射的照射光具有有效激发一种或多种生物颗粒荧光性的波长范围。

11.根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一设置于该光电材料和该纵轴之间的光学滤波器，其中该测量光穿射该光学滤波器。

12.根据权利要求11的该颗粒检测器，其中该光源配置用以发射具有一照射波长的该照射光，且该光学滤波器配置用以阻止无用光子撞击该光电材料，该无用光子的波长选项由以下组合组成：

波长在除照射波长以外的波长范围内；

波长在除可激发一种或多种生物颗粒荧光的波长以外的波长范围内；

波长在除照射波长以外的波长范围内，以及除可激发一种或多种生物颗粒荧光的波长以外的波长范围内。

13.根据权利要求11的该颗粒检测器，其中该壳体包括一外表面和一内表面，且该光电材料和该光学滤波器设置的布局选项由以下组合组成：

该光电材料共形地设置在该外表面，且该光学滤波器共形地设置在该内表面；

该光学滤波器共形地设置在该外表面，且该光电材料共形地设置在该内表面；以及

该光电材料共形地设置在该内表面，且该光学滤波器共形地设置在该光电材料上。

14.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料在与该纵轴正交的平面内以30°至360°的弧长围绕该纵轴展开。

15.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料可感知的测量光选项由以下组合组成：该颗粒的散射光；该颗粒发射的荧光；以及前述二者。

16.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料具有一圆柱形或多边形的轮廓。

17.根据权利要求16的该颗粒检测器，其中该光电材料包括一面向该检测腔的表面区域。

18.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料是柔性材料。

19.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料是一光伏材料。

20.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料包括一组多个相互接近设置的光电单元。

21.根据权利要求20的该颗粒检测器，其中多个该光电单元布局在相对该纵轴不同的角位置上、相对该纵轴不同的轴向位置上、或相对该纵轴不同的角位置和不同的轴向位置上。

22.根据权利要求1的该颗粒检测器，其中该光电材料包括一组多个光电材料。

23.根据权利要求22的该颗粒检测器，其中该多个光电材料的配置选项由以下组合组成：

该多个光电材料包括两个或多个相互串联的光电材料；

该多个光电材料包括两个或多个相互并联的光电材料；

该多个光电材料包括两个或多个相互电独立的光电材料；以及

上述两项或多项的组合。

24.根据权利要求22的该颗粒检测器，其中该多个光电材料包括一组多个电独立的光电材料，且进一步的包括一组多个设置在一个或多个该电独立的光电材料与该纵轴之间的光学滤波器，从而该测量光通过该光学滤波器，其中至少一个该光学滤波器配置用以使其通过的一测量波的一波长范围不同于其他光学滤波器通过的波长范围。

25.根据权利要求24的该颗粒检测器，其中该至少一个的光学滤波器配置用以通过该颗粒荧光发射的测量光相应的一波长范围，同时阻止该颗粒散射的测量光相应的一波长范围。

26.根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一与该样本腔室连接的流体驱动装置，其配置选项由以下组合组成：

该流体驱动装置设置于该检测腔的下游；

该流体驱动装置配置用以驱动该样本流体以层流形式经过该检测腔；

该流体驱动装置配置用以驱动该样本流体以一升每分钟计的流速经过该检测腔；以及

上述两项或多项的组合。

27.根据权利要求1的该颗粒检测器，包括一配置用以测量该光电材料的一反馈数据采集装置，该反馈的选项由以下组合组成：一电压反馈、一电流反馈、一电阻反馈、或上述两项或多项的组合。

28.根据权利要求27的该颗粒检测器，其中该数据采集装置的配置选项由以下组合组成：

该数据采集装置配置用以使一测量反馈与该检测腔中的该样本流体的一颗粒浓度相关联；

该数据采集装置配置用以生成该检测腔内该样本流体的一颗粒浓度的相关数据，并通过无线或有线网络将该数据传输至一工作网络；

该数据采集装置与该颗粒检测器可拆卸的耦合；以及

上述两项或多项的组合。

29.一种测量一样本流体中颗粒的方法，该方法包括：

使该样本流体流经一检测腔；

将一照射光沿一纵轴穿过该检测腔直射该样本流体中的颗粒，其中该颗粒响应该照射并发射测量光；以及

通过一光电材料接收自该颗粒并沿一组多条与该纵轴具有相对角度的测量光光路传播的测量光，该光电材料共形地包覆在壳体的外表面，或共形形成于所述壳体的内表面，且在该检测腔长度的至少一个部分上包围该检测腔；

所述光电材料在所预期的测量光波长范围内表现出有效的光电活性和足够的敏感度，并至少具有一种电气特性，在作用有光后产生相应变化，电气活性包括电流、电压、或电阻；

还包括设置防止漫射光撞击的装置，以滤除漫射光。

30.根据权利要求29的该方法，其中该光电材料形成一与接收到的该测量光成比例的电反馈，且进一步包括使该电反馈与该检测腔内的该样本流体的一颗粒浓度相关。

31.根据权利要求29的该方法，其中该光电材料响应接收到的测量光，该测量光在垂直与纵轴的平面上30°至360°的弧长范围内射至该光电材料上。