CN109196330B - 用于对生物和非生物粒子进行检测和分类的实时光学方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于基于粒子大小和偏振弹性散射来实时地对个体气载生物和微生物粒子进行检测和分类的方法、设备和系统。自体荧光含量也可以与粒子大小和偏振弹性散射一起使用以供进一步正交分类。利用偏振弹性散射，可以使用根据粒子形态、折射指数、内部不对称结构和分子光学活性所产生的线退偏振度或圆退偏振度来对个体气载粒子进行分类。可选地，可以使用圆强度差散射(CIDS)或线强度差散射(LIDS)来区分各个粒子。

Description

用于对生物和非生物粒子进行检测和分类的实时光学方法和 系统
技术领域
本发明一般涉及气溶胶分析器，更具体地涉及用于对气载生物和非生物粒子的实时检测和分类的光学分析器。
背景技术
在过去的15年中，在用于提供对气载生物和非生物粒子的实时检测和分类的方法和系统这两者的开发方面取得了重大进展。这些方法和系统中的大多数是基于利用粒径测量和激光诱导荧光(LIF)这两者来将生物粒子与非生物粒子区分开的光学方法。这些方法包括使用对于激发生物粒子中常见的内源荧光团特定的各个波长的照射方法。基于LIF的方法还包括以不同波长工作的多个激发源以改进分类。其它方法包括与用于测量单个粒子的自体荧光和矿物成分这两者的LIF检测相结合的激光击穿光谱法、以及单个粒子的拉曼光谱法和傅立叶变换红外光谱法。
存在对于以下各领域中的改进环境生物监控的日益增长的需求，如战场和国土防御、室内和室外空气质量监测、气载医院感染控制、生物制药和其它制造操作、污水厂、动物生产厂房以及其它操作的污染控制监测等，其中连续的实时监测有助于提供对微生物、病毒和其它类型的生物粒子的有害暴露的早期预警和预防。关于防御应用，最致命的生物攻击形式来自雾化剂。迄今为止，利用粒径测量和激光诱导荧光这两者的光学方法已经应用于战场和国土防御。该方法已被证明是有效的早期预警功能，特别地用于监视室内生物攻击的建筑物保护应用。在较小程度上，使用基于LIF的检测的实时气载微生物监测已被应用于生物制药制造和其它洁净室操作的污染控制监测。尽管这些基于LIF的生物粒子计数器方法已经显示为有用的早期预警系统，但是这些方法并非没有限制，并且存在显著的改进空间。
基于LIF的生物粒子检测存在三个主要限制。首先是它们检测单个营养型或孢子型生物的能力。当前领域的基于LIF的生物粒子检测器局限于检测营养细胞和孢子聚集粒子、或者每气溶胶粒子包含大量营养细胞或孢子的粒子。对于生物防御和其它应用这两者，需要并且有必要检测单个营养细胞和孢子，以提供充分的保护或有效的污染控制监测。对于基于LIF的方法，除非使用具有相当大的光功率的激光源，否则通过荧光激发所发射的光量不足以在粒子大小为0.5～1.5微米直径的大小时可靠且准确地将生物粒子与非生物粒子分类开。这对于诸如350～450nm波长范围等的较长激发波长尤其如此，但大多数情况下也适用于诸如250～300nm波长范围等的较短波长。
其次，这些基于LIF的生物粒子检测的将生物粒子与非生物粒子区分开并且对诸如以下的生物粒子类型进行分类的能力是非常有限的，例如：细菌孢子、霉菌孢子、营养细菌、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、以及包含细菌、病毒或真菌的污染物粒子。在对生物与非生物的区分的最低限度需求下，基于LIF的粒子检测方法的使用对于无机粒子与不发荧光的人造粒子的区分是有用的，但是对于掺杂有荧光团的(诸如包含荧光增白剂的纸粒子或织物粒子、以及具有固有荧光的常见粒子(诸如人体皮肤细胞碎片和动物皮屑等)等的)粒子面临着严重的限制。基于LIF的多波长激发方法的使用相对于单源方法具有一些改进分类，但是这些方法对于广泛应用不具有成本效益。
第三，当前的基于LIF的方法在其检测感兴趣的生物粒子浓度水平的能力方面受到限制，特别是在要求仅检测每升空气中的少量粒子的一小部分的应用方面受限。对于基于LIF的生物粒子检测方法，及时地检测低水平并将其与常见气溶胶背景区分开的能力变得非常具有挑战性。当前系统局限于每分钟1～3升的空气采样流速。这相当于慢响应时间和长采样时间，以检测并警告低浓度的生物粒子的存在。使用气溶胶浓缩器来补偿这一点在其应用方面是受限的，这是因为区分的问题随着采样流速和背景气溶胶浓度的增加而严重。
发明内容
本发明的优选实施例考虑了用于基于偏振弹性散射来实时地对个体气载生物和非生物粒子进行检测和分类的方法、设备和系统。粒子大小和/或自体荧光成分也可以与偏振弹性散射一起使用以进行进一步正交分类。利用偏振弹性散射，可以使用根据粒子形态、折射指数、内部不对称结构和分子光学活性所产生的线退偏振度或圆退偏振度来对个体气载粒子进行分类。另外，圆强度差散射(CIDS)和线强度差散射(LIDS)提供了用于区分个体粒子的手段。CIDS主要基于粒子的固有分子光学活性和内部不对称结构，诸如来自生物粒子中常见的手性高分子复合体和聚集体等的固有分子光学活性和内部不对称结构。LIDS基于粒子的形状或形态、折射指数、固有光学活性以及内部不对称结构。
在使用线退偏振检测的情况下，可以通过以下关系来确定从粒子散射的光的标准化退偏振：
δN＝[IV]/[IH+IV]
其中，δN表示标准化退偏振，IH表示水平偏振光的散射强度并且与照射束的偏振状态相同，以及IV表示竖直偏振光的散射强度。在另一配置中，可以使用正交线偏振的两个入射束来照射个体粒子，并且使用散射的水平偏振光来测量退偏振度。在该配置中，在两个空间上分离的正交线偏振入射束期间所收集到的水平偏振光的散射强度的比率可以用于对个体粒子进行分类，并由以下关系给出：
δ＝IHV/IHH
其中，δ表示退偏振，IHH表示水平偏振光和水平偏振入射束的散射强度，以及IHV表示水平偏振光和竖直偏振入射束的散射强度。
在使用圆退偏振检测的情况下，可以通过以下关系来确定从粒子散射的光的标准化退偏振：
δ+C＝[I⊥]/[I||+I⊥]
δ-C＝[I||]/[I||+I⊥]
其中，δ+C表示在使用右旋偏振光作为照射源的情况下的圆退偏振，δ-C表示在使用左旋偏振光作为照射源的情况下的圆退偏振，I⊥表示垂直偏振光的散射强度，以及I||表示平行偏振光的散射强度。利用这种方法，单个圆偏振源可以用于照射，或者右旋圆偏振和左旋圆偏振的两个入射束可以用于照射各个粒子并垂直地散射，并且平行偏振光用于测量退偏振度。在双束配置中，在两个空间上分离的左旋圆偏振入射束和右旋圆偏振入射束期间所收集到的垂直偏振光和平行偏振光的散射强度的比率可以用于对个体粒子进行分类。
在使用CIDS检测的情况下，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的差散射对生物大分子的圆二色性产生贡献。在粒子或大分子复合体的直径超过激发波长的l/20的情况下，差散射对圆二色性的贡献变得重要。在使用手性粒子的吸收带以外的激发波长的情况下，仅差散射对圆二色性产生贡献。手性散射粒子将产生差散射信号，其中信号的符号和幅度这两者都与其手性散射元之间的相对取向和距离直接相关。该信号能够以定量的方式获得，并且可以用于将生物粒子与非生物粒子区分开并将一种生物型粒子与另一种生物型粒子分类开。作为示例，对于蛋白质中的诸如DNA分子或α-螺旋链等的螺旋结构，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的差散射对螺旋的螺距和半径以及激发源的波长敏感。采用散射角θ的圆强度差散射(CIDS)可以通过以下关系来确定：
[IL(θ)-IR(θ)]/[IL(θ)+IR(θ)]，
其中，IL(θ)是在入射束为左旋圆偏振的情况下以角度θ散射的光，以及IR(θ)是在入射束为右旋圆偏振的情况下以角度θ散射的光。CIDS对大小、形状或折射指数不敏感，但是对存在于所有气载细菌、真菌、病毒和蛋白质聚集粒子中的生物大分子的手性敏感。
在使用LIDS检测的情况下，竖直偏振光和水平偏振光的差散射对粒子的形状、折射指数和手性成分敏感，或者更具体地，对内部不对称结构和分子光学活性敏感。采用散射角θ的线强度差散射(LIDS)可以通过以下关系来确定：
[ΙΗ(θ)-ΙV(θ)]/[ΙΗ(θ)+ΙV(θ)]，
其中，IH(θ)是在入射束为水平偏振的情况下以角度θ散射的光，以及ΙV(θ)是在入射束为竖直偏振的情况下以角度θ散射的光。LIDS对大小、形状和折射指数敏感，并且还对存在于所有气载细菌、真菌、病毒和蛋白质聚集粒子中的生物大分子的手性敏感。
在使用线退偏振检测的情况下，本发明的一个优选实施例包括用于对单个粒子进行检测和分类的方法，包括：利用线偏振光束来照射粒子，其中，随着粒子穿过照射区域，线偏振光束的偏振在从单个源产生两个竖直间隔开的束的情况下从水平向竖直交替。采用水平偏振滤光器的单个检测器由此捕获单个粒子上的偏振散射信号和退偏振散射信号。可以通过利用水平偏振源测量弹性散射强度来确定粒子的大小。然后可以将某个粒子大小范围的退偏振度与各种生物型和非生物型气溶胶的特征库进行比较。利用这种方法，在源激发的选择是一种可以激发生物粒子中常见的期望内源荧光团的选择的情况下，可以添加正交荧光检测通道。
在使用圆退偏振检测的情况下，本发明的一个优选实施例包括用于对单个粒子进行检测和分类的方法，包括：利用圆偏振光束来照射粒子，其中，随着粒子穿过照射区域，圆偏振光束的偏振在从单个源产生两个竖直间隔开的束的情况下从右旋向左旋交替。具有两个检测器的偏振分束器捕获单个粒子上的平行偏振散射信号和垂直偏振散射信号。可以通过对两个偏振散射信号的强度进行求和来确定粒子的大小。然后可以将某个粒子大小范围的退偏振度与各种生物型和非生物型气溶胶的特征库进行比较。利用这种方法，在源激发的选择是一种可以激发生物粒子中常见的期望内源荧光团的选择的情况下，可以添加正交荧光检测通道。
在使用CIDS检测的情况下，本发明的一个优选实施例包括用于对单个粒子进行检测和分类的方法，包括：利用圆偏振光束来照射粒子，其中，随着粒子穿过照射区域，圆偏振光束的偏振在从单个源产生两个竖直间隔开的束的情况下从左旋向右旋(或者从右旋向左旋)交替，由此捕获单个粒子上的圆强度差散射信号。可以通过测量弹性散射强度来确定粒子的大小。使用左旋圆散射信号和右旋源散射信号的强度来确定每个气溶胶事件的CIDS值。然后可以将CIDS值与各种生物型和非生物型气溶胶的特征库进行比较。同样利用这种方法，在源激发的选择是一种可以激发生物粒子中常见的期望内源荧光团的选择的情况下，可以添加正交荧光检测通道。
在使用LIDS检测的情况下，本发明的一个优选实施例包括用于对单个粒子进行检测和分类的方法，包括：利用线偏振光束来照射粒子，其中，随着粒子穿过照射区域，线偏振光束的偏振在从单个源产生两个竖直间隔开的束的情况下从水平向垂直交替，由此捕获单个粒子上的线强度差散射信号。可以通过测量弹性散射强度来确定粒子的大小。使用竖直偏振散射信号和水平偏振散射信号的强度来确定每个气溶胶事件的LIDS值。然后可以将LIDS值与各种生物型和非生物型气溶胶的特征库进行比较。同样利用这种方法，在源激发的选择是一种可以激发生物粒子中常见的期望内源荧光团的选择的情况下，可以添加正交荧光检测通道。
以上发明内容描述了本发明的优选形式，并且不以任何方式被解释为将要求保护的发明限制为这些优选形式。
附图说明
图1是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的双重偏振束源以及具有水平偏振滤光器的单个检测器。
图1A是示出具有两个照射点或照射区的优选光学观察区域的放大示意表示。
图2是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括单个水平偏振束源以及两个检测器，这两个检测器中的一个检测器具有水平偏振滤光器，而另一检测器具有竖直偏振滤光器。
图3是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的双重偏振束源、以及具有水平偏振滤光器和正交荧光检测通道的单个检测器。
图4是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的偏振束源、偏振分束器、以及用于检测平行偏振散射和垂直偏振散射的两个检测器。
图5是示出包括如下的圆退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该圆退偏振检测配置包括左旋和右旋的双重圆偏振束源、偏振分束器、以及用于检测平行偏振散射和垂直偏振散射的两个检测器。
图6是示出包括如下的圆强度差散射检测配置的光学检测器的示意表示，其中该圆强度差散射检测配置具有左旋和右旋的双重圆偏振束源以及单个检测器。
图7是示出包括如下的线强度差散射检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线强度差散射检测配置具有竖直和水平的双重偏振束源以及单个检测器。
图8是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括单个水平偏振束源、以及具有竖直偏振滤光器和正交荧光检测通道的单个检测器。
图9示出图1中所描绘的光学分析器的单个粒子的检测事件。
图10和图11示出线退偏振响应，其中通过将从水平偏振滤光信号和水平偏振激发源收集到的散射强度除以从水平偏振滤光信号和竖直偏振激发源收集到的散射强度来确定退偏振度。
图12示出使用与图10和图11中相同的比率测量的附加线退偏振响应、以及在不同环境中对用于将感兴趣粒子与常见粒子分类开的退偏振比分布的使用。作为示例提供了三种不同的环境：室内建筑、地铁站台、以及城市背景。
图13示出使用与图10和图11中相同的比率测量的附加线退偏振响应、以及3D散射分析方法。
具体实施方式
现将参考图1～图13来描述本发明的优选形式。所附权利要求不限于这些优选形式，并且除非另有明确说明，否则这里所使用的术语和/或短语不被赋予除其普通含义之外的含义。除非另有指示，否则相同的附图标记用于指示相同的组件和/或特征。
本发明的优选形式涉及用于以实时方式对生物和非生物粒子进行检测和分类的增强的方法、设备和系统。各种检测方案利用涉及光与单个气溶胶粒子的相互作用的一种物理现象(即，偏振弹性散射)。可以使用涉及光与单个气溶胶粒子的相互作用的第二种物理现象(即，荧光)。除了这些光学现象(即，偏振弹性散射和荧光)之外，优选地基本上同步地确定粒子的大小。
本发明的优选形式能够对具有10微米或更小(例如，0.5～1.5微米)的空气动力学直径的单个气载粒子进行检测和分类。
这里描述了具有气溶胶感测配置的8个光学检测器，其中这些气溶胶感测配置是线偏振和圆偏振激发方法的变形。使用偏振弹性散射检测的粒径测量适用于除了图8以外的所有感测配置。在所有配置中，优选通过真空源(未示出)以0.01～100升/分钟的速度将气溶胶吸入光学观察区域，并且利用一个或多个光束以一次一个的方式照射粒子。
图1～图4和图8提供了对优选光学检测器的各个实施例进行概述的框图，其中在这些实施例中，可以使用一个或多个激发源来对个体粒子进行线退偏振测量。图5提供了对优选光学检测器的实施例进行概述的框图，其中在该实施例中，可以使用一个或多个激发源来对个体粒子进行圆退偏振测量。图6提供了对优选光学检测器的实施例进行概述的框图，其中在该实施例中，可以使用一个或多个激发源来对个体粒子进行圆强度差散射测量或CIDS测量。图7提供了对优选光学检测器的实施例进行概述的框图，其中在该实施例中，可以使用一个或多个激发源来对个体粒子进行线强度差散射测量或LIDS测量。
在各优选光学检测器中，当仅测量粒子大小和偏振弹性散射时，可以使用宽范围的波长(例如，200～1500nm)来进行激发。当测量粒子大小、偏振弹性散射和荧光时，激发波长需要在感兴趣的内源荧光团的吸收带内，例如在250～300nm以及350～450nm内。根据感测配置，激发源可以是边发射激光二极管、竖直腔面发射激光二极管、发光二极管或其它激光源。另外，一个或多个源可被配置为使用双折射光学器件来产生空间分离(例如，竖直分离)的双重圆偏振或线偏振束，以通过两个或更多个波长并且在激发粒子时以各波长的两个偏振状态来照射单个粒子。
对于超过1升/分钟的流速，可以使用激光线生成光学器件来生成约5～约300微米的激光线厚度、以及至少是入口(气溶胶孔)的直径的两倍(2x)的景深和激光线宽度。对于超过20升/分钟的流速，圆形入口的使用可能变得受限制，并且可以优选矩形入口。在用于容纳超过20升/分钟的采样流的矩形入口的情况下，激光线生成方法优选利用被调节为至少照射整个矩形喷嘴区的景深和激光线宽度。以上激光线生成方法是为了确保对空气采样区域的完全照射，以实现所采样的气溶胶粒子的近100％照射。期望激光线厚度在光学设计可允许的情况下较小，以在感兴趣大小范围内在不照射多于一个的气溶胶粒子的情况下确保最高可能的气溶胶计数率，以使粒子重合度最小化。
在采样期间要求压降很小以及/或者在操作期间要求低可听噪声的应用中，可以在没有气溶胶入口喷嘴的情况下操作本发明中所述的配置。在这些配置中，使用激光线照射几何结构和收集光学器件来询问预定的采样体积区域，从而通过使用轴流风扇作为真空源来提供具有低压降和低可听噪声的个体粒子检测用的手段。
可以采用各种光收集几何结构，其中对于正测量的不同物理现象应用不同的参数。对于粒径测量，通过使用偏振弹性散射检测，存在可以采用的多种方法，并且本领域技术人员熟悉使用抛物面收集器的近前向散射收集、侧向散射收集、后向散射收集和广角收集。对于偏振弹性检测，该处理对角向收集角度敏感，因此，优选主要包括侧向散射收集的气溶胶感测配置。对于荧光检测，优选收集与光束方向正交的荧光，以使杂散光对荧光信号的影响最小化。
图1是示出包括如下的线退偏振检测配置的光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的双重偏振束源以及具有水平偏振滤光器的单个检测器。利用真空源(未示出)将来自光学检测器周围的空气中的气溶胶通过如图1A所示的气溶胶喷嘴、或者无喷嘴的入口端口吸入传感器单元140中，并将气溶胶引入光学观察区域145中。可以使用任何适合的真空源。在采用气溶胶喷嘴的情况下，对于低于20升/分钟的流速，气溶胶喷嘴优选为圆形，并且可以将鞘流付诸于包含气溶胶富集的应用中，使得收集光学器件的结垢速率加速。对于高于20升/分钟的流速，优选采用喷嘴。该喷嘴优选为矩形，其中喷嘴入口的长边沿着光束路径，并且短边与光束正交。
激发源100优选为连续源或者以20MHz或更高频率进行调制，并且可以是边发射激光二极管、竖直腔面发射激光二极管、发光二极管或一些其它激光器。激发源100的波长可以在200～1500nm的范围内。使用非球面透镜110来使从源100发射的光准直。根据源，可能需要在源100和非球面透镜110之间、或者在透镜110之后但在气溶胶单元140之前进行空间滤光。然后将准直光引入束成形光学器件125中。束成形光学器件125可以是单个透镜或透镜组，其被设计为在气溶胶喷嘴区域处创建厚度优选为约5～约300微米、且景深和束宽度优选为比入口的直径大两倍(2x)的光片。在一个实施例中，束成形光学器件125可以是被设计为产生以上几何结构的球面透镜和柱面透镜。在另一实施例中，仅柱面透镜被用于束成形光学器件125。在又一实施例中，束成形光学器件125包括礼帽束成形光学器件，其将高斯束的能量分配成礼帽轮廓。一个示例是平凸透镜，其具有位于其平面表面上的衍射图案。另一个示例是使用单个非球面透镜来将高斯束转换为礼帽轮廓。在另一实施例中，束成形光学器件125可以是单个Powell透镜或者与Powell透镜耦合的球面透镜。在使用矩形喷嘴的情况下，束成形光学器件125可以包括与以上针对圆形喷嘴所列举的组件相同的组件，但是由于在这些情况下景深将长于激光器线宽度，因此优选追求满足景深要求的光学设计。在这些情况下，景深长度可以大于激光线宽度的十倍(10X)。为了实现对期望大小范围内的采样粒子的近100％照射，束成形光学器件125所创建的光片的宽度和深度应当至少超过矩形喷嘴的尺寸。
来自束成形光学器件125的光被引入线偏振器120中，其消光比优选在100:1～107:1的范围内。诸如边发射激光二极管和竖直腔面发射激光二极管等的特定源具有约100:1的固有偏振比，并且根据对于特定应用的偏振测量的准确度要求，可以省略线偏振器120。在线偏振之后，然后将准直光引入四分之一波延迟器130，以在将束引入至双折射晶体135之前对该束进行圆偏振。可使用的双折射晶体的示例包括钒酸钇、硼酸钡、方解石和金红石。将圆偏振光引入双折射晶体135产生了强度相等、并在空间中分离(例如，竖直分离)一定距离的竖直偏振束和水平偏振束，所述分离距离取决于晶体长度。在各种配置中，优选250微米～1000微米的分离。
然后将光束引入如图1A所示的光学观察区域145中。由于空间分离的束进入光学感测区带140，因此光学观察区域145包括空间分离的两个照射点或照射区，其中如图1A所示，各束具有一个照射点或照射区。在100纳秒～10微妙的气溶胶迁移时间中，在区域145的空间分离的两个照射区中以一次一个的方式利用对应束来照射粒子，其中气溶胶迁移时间取决于喷嘴尺寸和是否使用喷嘴、样本流速、以及激光线厚度。使用光阱150收集沿前向方向离开该区域的光。优选地，如图1A所示，水平偏振束所照射的照射区位于竖直偏振束所照射的照射区的下方。
在图1所示的优选实施例中，如图1所示，作为偏振弹性散射所发射的光被收集在气溶胶单元140的一侧并且与光束正交。对于粒径测量和偏振弹性散射分析，收集光学器件170优选地用于收集弹性散射光。根据所采用的光电检测器210的灵敏度，可以使用各种类型的收集光学器件和角向收集范围。对于诸如光电倍增管、硅光电倍增器或雪崩光电二极管等具有大有源面积的最灵敏的光电检测器，在某些情况下可以省略收集光学器件170。对于需要收集光学器件170的配置，可以使用非球面收集器透镜、抛物面收集器或柱面透镜。角向收集范围可以通过非球面或柱面透镜的大小或抛物面收集器的几何结构来控制。本领域技术人员知道使用非球面透镜或抛物面收集器作为收集光学器件170的许多方法。使用哪种收集光学器件170取决于所采用的光电检测器210的灵敏度和应用。对于所采样的气溶胶浓度被认为较高的应用，优选使用易于清洁并具有来自采样气溶胶的低结垢速率的收集光学器件170。在这种情况下，可以省略收集光学器件170，或者可以代替抛物面收集器而使用非球面透镜作为收集光学器件170。
对于线退偏振检测和粒径测量，与激光源正交散射的光首先通过水平偏振滤光器207，然后被引入收集光学器件170并随后被引入光检测器210。光检测器210可以是硅光电二极管、砷化镓光电二极管、雪崩光电二极管、硅光电倍增器、光电倍增管、或这些类型的检测器的阵列。检测器的类型将根据所使用的收集光学器件170、每个气溶胶事件预期的散射光量、检测器的动态范围、以及检测器的截止频率或响应时间而变化。然后将从光检测器210产生的信号引入放大器电路220，由此首先将100纳秒～10微秒的电流脉冲转换为模拟电压、然后使用模数(A/D)转换器230转换为数字信号。然后将信号从230引入信号处理器240以供分析。如信号处理领域的技术人员将容易理解的，信号处理器240可以是微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或微计算机。
如前所述，对于图1中所示的配置，单个气溶胶事件被引入如图1A所示在光学观察区域145中相隔预定距离的两个照射区。第一照射区域优选由具有5～300微米的激光线厚度的水平偏振束照射。第二照射区域优选由相隔约250～1000微米的优选距离的、厚度(即，5～300微米的激光线厚度)和激光强度相等的竖直偏振束照射。随着粒子穿过这些束，产生并处理两个100纳秒～10微秒的电流脉冲。
各通道的放大器电路220可被配置为执行模拟信号处理功能。各通道的放大器电路220所用的模拟输入带宽可被配置为捕获最快的预期电流脉冲。脉冲时间主要是气溶胶粒子通过光学观察区域145的迁移时间的函数，并且预期在100纳秒～10微秒的范围内。附加的模拟信号处理功能包括：在来自检测通道的模拟电压水平超过预编程水平的情况下触发脉冲检测器电路，针对各检测事件整合并保持光检测器脉冲，针对各检测通道产生脉冲高度水平，针对各检测通道使用一个或多个放大器级来捕获空气动力学直径大小在亚微米～25微米或更大的范围内的粒子的整个信号范围，并针对两个检测事件中的各检测事件产生模数转换信号。
对于粒径测量和线退偏振检测这两者，信号处理器240优选被配置为从单个粒子穿过水平偏振束和竖直偏振束时发生的两个检测事件接收数字信号。对于粒径测量，优选使用第一检测事件来对粒子进行粒径测量，并且对光学观察区域145中的第一照射点或照射区以及第二照射点或照射区中所发生的各气溶胶事件进行脉冲高度分析。对于线退偏振检测，使用针对各气溶胶事件的每次检测的幅度来进行退偏振测量。可以通过执行以下计算其中之一来计算各气溶胶事件的退偏振度：
δN＝[IV]/[IH+IV]或δ＝IHV/IHH
然后优选利用各气溶胶事件的粒子大小来对线退偏振值进行分箱(bin)。使用各气溶胶粒子的粒子大小和线退偏振值数据，优选地可以根据应用进行与来自已知气溶胶的先前测量的气溶胶类型的库的比较，其中该已知气溶胶包括细菌孢子、营养细胞、病毒、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、真菌粒子、花粉粒子、人造生物粒子、以及诸如盐粒子、水滴、灰尘粒子、有机碳粒子和其它相关非生物粒子等的非生物气溶胶。利用库和未知粒子数据，可以生成偏振弹性散射图，作为允许对生物和非生物粒子进行检测和分类的粒子大小的函数。
图9示出上述的线退偏振配置所用的单个粒子的检测事件。在该配置中，单个粒子穿过两个束，首先是水平偏振束，然后是竖直偏振束。随着粒子穿过各束，该粒子发射偏振弹性散射光，从而针对各气溶胶粒子事件产生两个信号。图9示出单个气溶胶事件和单个检测器所用的数据。该数据表示针对3微米空气动力学直径的球芽孢杆菌孢子聚集体的线退偏振响应。使用ECBC喷墨式气溶胶发生器来产生粒子。可以通过执行以上计算其中之一来计算退偏振度。
图10和图11示出线退偏振响应，其中通过将从水平偏振滤光信号和水平偏振激发源收集到的散射强度除以从水平偏振滤光信号和竖直偏振激发源收集到的散射强度来确定退偏振度。该数据示出具有以下通道范围的6个粒子大小通道：0.5～0.7微米、0.7～1微米、1～2微米、2～5微米、5～7微米、以及>7微米。对于各粒子大小范围使用10个偏振比增量，从而利用包含可编程退偏振比增量的信号处理器给出总共60个通道。检测气溶胶粒子事件，然后根据粒子大小和线退偏振度将这些气溶胶粒子事件分箱到60个通道的一个通道中。为了说明对粒子类型进行分类的能力，作为示例提供了聚苯乙烯微球的三种不同大小(0.7、1.0和3.0微米直径)以及2.5微米直径的球芽孢杆菌孢子聚集体。从图中可以看出，粒子类型可以基于其大小和退偏振度进行分类，其中与芽孢杆菌孢子聚集体(0.2～0.5)相比，聚苯乙烯微球给出较慢的退偏振响应(0～0.2)。
图12示出使用与图10和图11中相同的比率测量的附加线退偏振响应、以及在不同环境中对用于将感兴趣粒子与常见粒子分类开的退偏振比分布的使用。作为示例提供了三种不同的环境：室内建筑、地铁站台、以及城市背景。3D散射图表示给定粒子大小范围的3个退偏振比。3D散射图中的各球体表示10升空气样本，并且是使用具有100升/分钟采样速率或6秒气溶胶数据的传感器来收集的。3D散射图中还应用了四种生物类别类型。这四种生物类别类型是干法散播的球芽孢杆菌孢子(孢子模拟物)、干法散播的卵清蛋白(毒素模拟物)、草生欧文氏菌(营养模拟物)、以及MS2病毒(病毒模拟物)。通过在限定的粒子大小范围选择三个退偏振增量来获得3个轴的坐标。将针对10升采样速率所选择的3个退偏振增量各自的粒子计数除以限定粒子大小范围的3个退偏振增量各自的总粒子计数的总和。然后将各退偏振增量的比率用作3D散射图的三个坐标其中之一。在图12中，将四种生物威胁类别类型标记为a～d，分别表示干孢子类、干毒素类、病毒类和营养类。图12提供了针对各背景环境的2个粒子大小范围(1～2微米和2～5微米)的3D散射图。表示背景环境的空气样本标记为e～g，分别表示室内建筑、地铁站台和城市背景。从图中可以看出，该实施例中所应用的线退偏振方法提供了用于将所有四种散播生物威胁类型与相关操作环境区分开的非常有用的方法。该方法提供了针对生物威胁的快速近实时预警能力以及对生物威胁类型进行分类的能力，从而为最终用户提供了用于应用减少设施或地铁系统中的气溶胶传播的应对措施、并且更快速地应用预防措施的附加选项。
图13示出使用与图10和图11中相同的比率测量的附加线退偏振响应、以及3D散射分析方法。该数据说明了湿法散播或喷洒的球芽孢杆菌孢子样本，其中几乎整个的雾化样本都包括个体孢子。标记为h的图表提供了雾化样本的粒子大小分布。使用TSI 3321空气动力学粒径测量仪来测量气溶胶分布，并且该分布示出空气动力学中值直径0.819微米且几何标准偏差为1.20、或单分散群体。如图12中那样，将四种生物威胁类别类型标记为a～d，分别表示干孢子类、干毒素类、病毒类和营养类。喷洒的芽孢杆菌孢子样本在散射图中标记为i。该示例说明了退偏振方法对单个芽孢杆菌孢子进行检测和分类的有效性，其中对单个芽孢杆菌孢子进行检测和分类对于当前可用的基于LIF的生物气溶胶检测器来说是非常困难的。
图2是示出包括如下的线退偏振检测配置的优选光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括单个水平偏振束源以及两个检测器，这两个检测器中的一个检测器具有水平偏振滤光器，而另一检测器具有竖直偏振滤光器。利用真空源(未示出)将气溶胶通过如图1A所示的气溶胶喷嘴、或者无喷嘴的入口端口吸入传感器单元140中，并以如图1所述类似的方式将气溶胶引入光学观察区域145中。与图1中所利用的配置相比，该配置的照射方案和检测方案有所不同。激发源100优选为连续源或者以20MHz或更高频率进行调制，并且可以是边发射激光二极管、竖直腔面发射激光二极管、发光二极管或一些其它激光器。激发源100的波长可以在200～1500nm的范围内。使用非球面透镜110来使从源100发射的光准直。根据源，可能需要在源100和非球面透镜110之间、或者在透镜110之后但在气溶胶单元140之前进行空间滤光。然后如图1所述将准直光引入至束成形光学器件125，随后引入至水平偏振滤光器120。
在图2所示的实施例中，作为偏振弹性散射所发射的光被收集在气溶胶单元140的两侧并且与光束正交。对于粒径测量和偏振弹性散射分析，可以应用与针对图1中示出的实施例所述相同的收集光学器件和检测器组件。在该实施例中，使散射的水平偏振光通过水平偏振滤光器205、然后通过收集光学器件170来收集该散射的水平偏振光。使散射的竖直偏振光通过竖直偏振滤光器207、然后通过收集光学器件170来收集该散射的竖直偏振光。在该实施例中，来自使用水平偏振激发的竖直偏振光和水平偏振光的散射幅度被用于测量线退偏振。由于光学观察区域145具有单个照射区或照射点，因此除使用与竖直偏振光和水平偏振光的散射幅度相对应的、同时发生的两个光散射脉冲来进行退偏振测量外，与针对图1中示出的实施例所述相同的检测器和电子器件适用于该配置。
对于粒径测量，使用水平偏振散射信号来进行粒径测量，并且对竖直偏振光和水平偏振光的散射幅度进行脉冲高度分析。对于线退偏振检测，使用两个检测器的各检测事件中的幅度来进行退偏振测量。可以通过执行以下计算其中之一来计算各气溶胶事件的退偏振度：
δN＝[IV]/[IH+IV]或δ＝IHV/IHH
然后利用各气溶胶事件的粒子大小来对线退偏振值进行分箱。
使用各气溶胶粒子的粒子大小和线退偏振值数据，可以根据应用优选地与来自已知气溶胶的先前测量的气溶胶类型的库进行比较，其中该已知气溶胶包括细菌孢子、营养细胞、病毒、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、真菌粒子、花粉粒子、人造生物粒子、以及诸如盐粒子、水滴、灰尘粒子、有机碳粒子和其它相关非生物粒子等的非生物气溶胶。利用库和未知粒子数据，可以生成偏振弹性散射图，作为允许对生物和非生物粒子的检测和分类的粒子大小的函数。
图3是示出包括如下的线退偏振检测配置的优选光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的双重偏振束源、以及具有水平偏振滤光器和正交荧光检测通道的单个检测器。除附加的荧光检测通道208以及相应的收集光学器件170、光检测器210、放大器220和模数转换器230外，该配置与针对图1中示出的实施例所述的配置相同。
当测量粒子大小、偏振弹性散射和荧光时，激发波长需要在感兴趣的内源荧光团的吸收带内，例如在250～300nm以及350～450nm内。这些激发波长范围与生物粒子中常见的一种或多种内源荧光团的吸收带相对应，其中这些内源荧光团包括但不限于芳香族氨基酸、NADH、黄素、叶绿素和铁载体(sideophore)。对于荧光检测通道，与以上实施例中所述类似的检测电子器件和检测器可以与附加的荧光滤光器208一起使用，以使与期望内源荧光团的发射波长匹配的光带通过。在该实施例中，针对各粒子获得的线退偏振值以及荧光的存在与否和荧光强度都可以用于将生物粒子与非生物粒子分类开并将生物类型与另一生物类型分类开。
图4是示出包括如下的线退偏振检测配置的优选光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括竖直和水平的偏振束源、偏振分束器、以及用于检测平行偏振散射和垂直偏振散射的两个检测器。在该实施例中，代替采用水平偏振滤光器和竖直偏振滤光器的两个检测器，使用偏振分束器195来分离两个偏振，使得可以进行竖直偏振光和水平偏振光两者的散射强度测量。可以使用可选的调焦透镜200来使散射光聚焦到光检测器210上。可以应用与图2所示的实施例中概述的信号处理步骤相同的信号处理步骤。
图5是示出包括如下的圆退偏振检测配置的优选光学检测器的示意表示，其中该圆退偏振检测配置包括左旋和右旋的双重圆偏振束源、偏振分束器、以及用于检测平行偏振散射和垂直偏振散射的两个检测器。在该实施例中，除在双折射晶体135之后采用附加的四分之一波延迟器130来创建右旋和左旋的双重圆偏振束之外，使用如图1中示出的实施例所述那样的双重偏振束。
利用圆退偏振检测，通过以下关系来给出从粒子散射的光的标准化退偏振：
δ+C＝[I⊥]/[I||+I⊥]
δ-C＝[I||]/[I||+I⊥]
其中，δ+C表示在使用右旋偏振光作为照射源的情况下的圆退偏振，δ-C表示在使用左旋偏振光作为照射源的情况下的圆退偏振，I⊥表示垂直偏振光的散射强度，以及I||表示平行偏振光的散射强度。在该实施例中，可以使用左旋圆偏振激发和右旋圆偏振激发这两者来对单个粒子进行圆退偏振测量。可以使用与图4中所示实施例相同的检测器和电子器件。
该实施例的信号处理涉及：针对各气溶胶粒子测量各照射事件所用的平行偏振光和垂直偏振光的偏振散射强度，然后针对各粒子计算左旋和右旋圆退偏振比。然后利用各气溶胶事件的粒子大小来对圆退偏振值进行分箱。然后根据应用将各气溶胶粒子的粒子大小和圆退偏振值数据与来自已知气溶胶的先前测量的气溶胶类型的库进行比较，其中该已知气溶胶包括细菌孢子、营养细胞、病毒、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、真菌粒子、花粉粒子、人造生物粒子、以及诸如盐粒子、水滴、灰尘粒子、有机碳粒子和其它相关非生物粒子等的非生物气溶胶。利用库和未知粒子数据，可以生成偏振弹性散射图，作为允许对生物和非生物粒子的检测和分类的粒子大小的函数。
图6是示出包括如下的圆强度差散射检测(CIDS)配置的优选光学检测器的示意表示，其中该圆强度差散射检测配置具有左旋和右旋的双重圆偏振束源以及单个检测器。该实施例所用的激发源与图5所示的实施例中的类似。使用与图1所示的检测器方案类似的单个检测器方案来捕获偏振弹性散射信号，并且针对各气溶胶粒子使用左旋圆偏振激发和右旋圆偏振激发这两者来测量散射强度。在检测通道中不使用滤光器，因此针对各照射事件收集到未滤光的散射信号。可以使用以下等式来确定各气溶胶事件的圆强度差散射(CIDS)值：
[IL-IR]/[IL+IR]，
其中，IL是在入射束为左旋圆偏振的情况下的光散射强度，以及IR是在入射束为右旋圆偏振的情况下的光散射强度。使用从检测事件产生的电流脉冲来测量各粒子的CIDS值。然后利用各气溶胶事件的粒子大小来对CIDS值进行分箱。使用各气溶胶粒子的粒子大小和CIDS值数据，可以根据应用与来自已知气溶胶的先前测量的气溶胶类型的库进行比较，其中该已知气溶胶包括细菌孢子、营养细胞、病毒、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、真菌粒子、花粉粒子、人造生物粒子、以及诸如盐粒子、水滴、灰尘粒子、有机碳粒子和其它相关非生物粒子等的非生物气溶胶。利用库和未知粒子数据，可以生成偏振弹性散射图，作为允许对生物和非生物粒子的检测和分类的粒子大小的函数。
图7是示出包括如下的线强度差散射检测(LIDS)配置的优选光学检测器的示意表示，其中该线强度差散射检测配置具有竖直和水平的双重偏振束源以及单个检测器。除不使用四分之一波延迟器130之外，LIDS配置与CIDS配置相同。可以使用以下等式来确定各气溶胶事件的线强度差散射(LIDS)值：
[IH-IV]/[IH+IV]，
其中，IH是在入射束为水平偏振的情况下的光散射强度，以及IV是在入射束为竖直偏振的情况下的光散射强度。使用从检测事件产生的电流脉冲来测量各粒子的LIDS值。然后利用各气溶胶事件的粒子大小来对LIDS值进行分箱。使用各气溶胶粒子的粒子大小和LIDS值数据，可以根据应用与来自已知气溶胶的先前测量的气溶胶类型的库进行比较，其中该已知气溶胶包括细菌孢子、营养细胞、病毒、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、真菌粒子、花粉粒子、人造生物粒子、以及诸如盐粒子、水滴、灰尘粒子、有机碳粒子和其它相关非生物粒子等的非生物气溶胶。利用库和未知粒子数据，可以生成偏振弹性散射图，作为允许对生物和非生物粒子的检测和分类的粒子大小的函数。
图8是示出包括如下的线退偏振检测配置的优选光学检测器的示意表示，其中该线退偏振检测配置包括单个水平偏振束源、以及具有竖直偏振滤光器207和正交荧光检测通道208的单个检测器。如图2所述，使用单个水平偏振束源来照射通过光学观察区域145的样本流中的单个粒子。在该配置中，仅检测退偏振散射事件，其退偏振度是粒子大小和形态的函数。使用荧光检测通道208，还针对各退偏振散射事件测量粒子自体荧光。当测量退偏振弹性散射和荧光时，激发波长需要在感兴趣的内源荧光团的吸收带内，例如在250～300nm以及350～450nm内。这些激发波长范围与生物粒子中常见的一种或多种内源荧光团的吸收带相对应，其中这些内源荧光团包括但不限于芳香族氨基酸、NADH、黄素、叶绿素和铁载体。对于荧光检测通道，与以上实施例中所述类似的检测电子器件和检测器可以与附加的荧光滤光器208一起使用，以使与期望内源荧光团的发射波长匹配的光带通过。在该实施例中，针对各粒子获得的退偏振弹性散射强度以及荧光的存在与否和荧光强度都可以用于将生物粒子与非生物粒子分类开并将生物类型与另一生物类型分类开。
本发明的优选实施例的前述公开内容是为了图示和说明目的而呈现的。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于以上公开内容，这里所述的实施例的许多变化和修改对于本领域普通技术人员将是明显的。本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物限定。权利要求不限于优选实施例，并且已被撰写为排除使用权利要求区别原则的这种狭义解释。
此外，在描述本发明的代表性实施例时，说明书可能已经将本发明的优选方法和/或处理呈现为特定步骤序列。然而，在方法或处理不依赖于这里阐述的特定步骤顺序的范围内，该方法或处理不应限于所述的特定步骤序列。如本领域普通技术人员将理解的，其它步骤序列也是可能的。因此，说明书中阐述的特定步骤顺序不应被解释为对权利要求的限制。另外，针对本发明的方法和/或处理的权利要求不应限于以所呈现的顺序执行它们的步骤，并且本领域技术人员可以容易地理解，序列可以变化并且仍然维持在本发明的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种用于对单个气载粒子进行检测和分类的方法，所述方法包括：
(a)将具有多个气载粒子的气载样本引导至光学检测器的光学感测区带中；
(b)利用第一偏振光束来照射所述光学感测区带中的单个气载粒子；
(c)检测因利用所述第一偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射；
(d)使用所检测到的因利用所述第一偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射来确定以下的各项：
(i)所述单个气载粒子的大小；以及
(ii)所述单个气载粒子的第一值，其中所述第一值是所述单个气载粒子的退偏振值和所述单个气载粒子的强度差弹性散射值其中之一，其中，确定所述退偏振值包括分析第二偏振光的散射幅度，所述第二偏振光与所述第一偏振光束正交偏振；以及
(e)基于所述单个气载粒子的大小和所述单个气载粒子的所述第一值来确定所述单个气载粒子的至少一个特征。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
(a)将竖直偏振散射光引导至与所述第一偏振光束正交定位的第一检测器；
(b)将水平偏振散射光引导至与所述第一偏振光束正交定位的第二检测器；
(c)基于所述退偏振值和粒子大小来对粒子进行分类，其中所述退偏振值是通过对所述水平偏振散射光和所述竖直偏振散射光进行分析而确定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：所述单个气载粒子具有不大于10微米的空气动力学直径，并且所述至少一个特征用于将所述单个气载粒子识别为特定类型的生物粒子。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
(a)利用第二偏振光束来照射所述光学感测区带中的所述单个气载粒子，其中，所述第二偏振光束与所述第一偏振光束间隔预定距离，所述第一偏振光束是水平偏振光束，以及所述第二偏振光束是竖直偏振光束；
(b)检测因利用所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射；以及
(c)在检测因利用所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射之前，使因利用所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射通过水平偏振滤光器。
5.一种对单个气载粒子进行检测和分类的方法，所述方法包括：
(a)将具有多个气载粒子的气载样本引导至光学检测器的光学感测区带中；
(b)利用第一偏振光束来照射所述光学感测区带中的单个气载粒子；
(c)检测因利用所述第一偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射；
(d)使用所检测到的因利用所述第一偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射来确定以下的各项：
(i)所述单个气载粒子的大小；以及
(ii)所述单个气载粒子的第一值，其中所述第一值是所述单个气载粒子的退偏振值和所述单个气载粒子的强度差弹性散射值其中之一；以及
(e)基于所述单个气载粒子的大小和所述单个气载粒子的所述第一值来确定所述单个气载粒子的至少一个特征；以及
(f)利用第二偏振光束来照射所述光学感测区带中的所述单个气载粒子，其中，所述第二偏振光束与所述第一偏振光束间隔预定距离，所述第一偏振光束是右旋圆偏振光束，以及所述第二偏振光束是左旋圆偏振光束，
其中，所述第一值是圆退偏振值和圆强度差散射值其中之一。
6.一种用于对单个气载粒子进行检测和分类的方法，所述方法包括：
(a)将具有多个气载粒子的气载样本引导至光学检测器的光学感测区带中；
(b)利用水平偏振光束来照射所述光学感测区带中的单个气载粒子；
(c)利用竖直偏振光束来照射所述光学感测区带中的所述单个气载粒子，其中所述竖直偏振光束在所述水平偏振光束照射所述单个气载粒子之前或之后照射所述单个气载粒子；
(d)检测因利用所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射；以及
(e)在上述(d)的检测步骤之前，使因利用所述水平偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射通过水平偏振滤光器。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
(a)在权利要求6的(d)的检测步骤之前，使因利用所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射通过水平偏振滤光器；
(b)使用所检测到的因照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射来确定以下的各项：
(i)所述单个气载粒子的大小；以及
(ii)所述单个气载粒子的线退偏振值；以及
(c)基于所述单个气载粒子的大小和所述单个气载粒子的线退偏振值来确定所述单个气载粒子的至少一个特征。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：
将弹性光散射通过所述水平偏振滤光器引导至单个光检测器。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
在权利要求6的(d)的检测步骤之前，使因利用所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射通过竖直偏振滤光器。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，
所述单个气载粒子具有不大于10微米的空气动力学直径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述单个气载粒子具有在0.5～1.5微米的范围内的空气动力学直径。
12.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
(a)使因利用所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射通过正交荧光检测通道，其中，所述正交荧光检测通道被配置在所述光学感测区带的一侧上，以及所述水平偏振滤光器被配置在所述光学感测区带的相对侧上。
13.一种用于对单个气载粒子进行检测和分类的单个气载粒子光学分析器，所述单个气载粒子光学分析器包括：
(a)光学感测区带；
(b)用于将具有多个气载粒子的气载样本引至光学检测器的所述光学感测区带中的器件；
(c)照射器件，用于利用至少一个偏振光束来照射所述光学感测区带中的单个气载粒子；
(d)光检测器，用于检测因照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射；
(e)处理器，用于使用所检测到的因照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射来确定以下的各项：
(i)所述单个气载粒子的大小；以及
(ii)所述单个气载粒子的第一值，其中所述第一值是所述单个气载粒子的退偏振值和所述单个气载粒子的强度差弹性散射值其中之一，其中，所述处理器被配置为在确定所述退偏振值时分析第二偏振光的散射幅度，所述第二偏振光与所述至少一个偏振光束正交偏振；以及
(f)所述处理器还被配置为基于所述单个气载粒子的大小和所述单个气载粒子的所述第一值来确定所述单个气载粒子的至少一个特征。
14.根据权利要求13所述的单个气载粒子光学分析器，其中，
所述单个气载粒子具有不大于10微米的空气动力学直径；以及
所述至少一个特征用于将所述单个气载粒子识别为特定类型的生物粒子。
15.根据权利要求13所述的单个气载粒子光学分析器，还包括：
(a)水平偏振滤光器，其相对于所述光学感测区带和所述光检测器布置以使得：因利用竖直偏振光束和水平偏振光束照射所述单个气载粒子而引起的弹性光散射在所述弹性光散射被所述光检测器检测到之前通过所述水平偏振滤光器，其中，所述照射器件包括激光器、四分之一波延迟器和双折射晶体，其中，所述四分之一波延迟器对所述激光器所生成的束进行圆偏振，以及所述双折射晶体产生在空间上分离预定距离的竖直偏振光束和水平偏振光束，并且所述双折射晶体相对于所述光学感测区带布置以使得：随着所述单个气载粒子通过所述光学感测区带，所述单个气载粒子被所述竖直偏振光束和所述水平偏振光束照射。
16.一种用于对单个气载粒子进行检测和分类的方法，所述方法包括：
(a)将具有多个气载粒子的气载样本引导至光学检测器的光学感测区带中；
(b)利用第一偏振光束来照射所述光学感测区带中的单个气载粒子；
(c)通过利用所述第一偏振光束照射所述单个气载粒子来确定以下的各项：
(i)粒子自体荧光；以及
(ii)所述单个气载粒子的第一值，其中所述第一值是所述单个气载粒子的退偏振值，其中，确定所述退偏振值包括分析第二偏振光的散射幅度，所述第二偏振光与所述第一偏振光束正交偏振；以及
(d)基于粒子自体荧光和所述单个气载粒子的所述第一值来确定所述单个气载粒子的至少一个特征。
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