CN109313119B - 用于检测和/或表征流体携带的颗粒的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于检测和/或表征流体携带的颗粒(9)的测量装置，该测量装置包括用于沿流体流动路径产生流体流的装置(1，10)；激光器(2)，所述激光器(2)被定位成用于发射在第一偏振方向上偏振的激光脉冲到流体流动路径的测量体积中，每个脉冲具有脉冲持续时间；用于将在第二偏振方向上偏振的激光脉冲引导到测量体积中的装置(3)，其中第二偏振方向与第一偏振方向不同；第一光谱仪，所述第一光谱仪用于捕获由测量体积中的单个流体携带的颗粒(9)发射的荧光，并在至少一个确定波长处以每脉冲持续时间至少三个样本的采样率测量被捕获的荧光的强度，其中用于引导的装置(3)被配置成每次由激光器(2)发射且在第一方向上偏振的激光脉冲已经穿过了测量体积，用于引导的装置(3)引导在第二偏振方向上偏振的激光脉冲到测量体积中，介于由激光器发射的脉冲穿过测量体积的时刻和由用于引导的装置(3)引导的脉冲穿过测量体积的时刻之间的时间延迟长于脉冲持续时间，并且短于流体在测量体积中的行进时间。使用本发明的测量装置的检测和/或表征流体携带的颗粒(9)的测量方法。

Description

用于检测和/或表征流体携带的颗粒的装置和方法
技术领域
本发明涉及使用流体携带的颗粒的被激光诱导的荧光来检测和/或表征流体携带的颗粒的方法和装置。本发明特别涉及使用流体携带的颗粒的被时间分辨激光诱导的荧光的方法和装置，用于确定例如在连续流体流中的单个颗粒的寿命、寿命各向异性以及荧光光谱(可选的)。
背景技术
本发明涉及预防和/或保护装置的领域，所述预防和/或保护装置用于检测和/或表征流体携带的颗粒，所述颗粒例如但不限于空气携带的颗粒和水携带的颗粒，所述空气携带的颗粒例如空气污染、空气生物和化学杂质和/或空气携带的过敏原，所述水携带的颗粒例如水污染、水生物和化学杂质等等。大气中不同类型气溶胶浓度的增加，例如空气携带的花粉数量的增加，越来越成为一个重要的公共健康问题。此外，最近出现了生物恐怖主义等新的威胁，这些威胁使用空气携带的生物和化学病原体如炭疽或芥子气作为大规模破坏的武器。因此，市场上非常需要可靠、无需人员操作且成本有效的、快速且具有高辨别力的流体携带颗粒的探测器，例如气溶胶探测器。特别地，需要允许实时检测特定流体环境中存在的颗粒的探测器，例如在大气中、水道中、饮用水分配系统中等。
专利US 5,270,548和US 5,315,122例如描述了用于表征颗粒的设备和方法，这些设备和方法在具体手段中，使用颗粒在被提交给激光之后的时间分辨荧光。这些装置和方法的缺点是可以获得的关于单个颗粒的性质和特性的信息是有限的。在大多数情况下，它仅允许在具有几十纳秒量级的慢荧光衰减的通常属于含有烃的非生物颗粒的颗粒和具有几纳秒或更少量级的短荧光衰减的通常被认为是生物颗粒的颗粒之间进行区分。仅仅给出荧光衰减，人们可能仍然发现会在这种生物和非生物分类中给出错误反应的大量的分子成分。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种装置和方法，其允许对流体携带的单个颗粒进行可靠且成本有效的检测和/或表征，具有荧光响应的更详细的测量，且因而更好地识别单个颗粒的化学成分，以及因此较低的错误计数率。
该目的和其他优点通过根据相应的独立权利要求的装置和方法实现。
该目的和其他优点尤其通过用于检测和/或表征流体携带的颗粒的测量装置来实现，所述测量装置包括用于沿流体流动路径产生流体流的装置，用于将在第一偏振方向上偏振的激光脉冲发射到流体流动路径的测量体积中的激光器，每个脉冲具有脉冲持续时间，用于将在第二偏振方向上偏振的激光脉冲引导到测量体积中的装置，其中所述第二偏振方向不同于所述第一偏振方向，第一光谱仪用于捕获由所述测量体积中的单个流体携带的颗粒发射的荧光，并在至少一个确定的波长处以每个所述脉冲持续时间至少三个样本的采样速率测量所述捕获荧光的强度，其中用于引导的装置被配置成，每次由激光器发射且在第一方向上偏振的激光脉冲已经穿过测量体积，用于引导的装置将在第二偏振方向上偏振的激光脉冲引导到测量体积中，介于由激光器发射的脉冲穿过测量体积的时刻和被用于引导的装置引导的脉冲穿过测量体积的时刻之间的时间延迟长于脉冲持续时间并且短于流体在测量体积中的行进时间。
第二偏振方向例如垂直于第一偏振方向。
在实施例中，用于产生流体流的装置是用于产生具有远离喷嘴的流动路径的层流空气的喷嘴。在其他实施例中，用于产生流体流的装置包括透明管，透明管用于产生具有沿着管的流动路径的液体流。
用于引导的装置例如是无源光学系统，用于引导的装置被配置成用于在激光器发射的激光脉冲已经穿过测量体积后收集所述激光脉冲并将所述激光脉冲再次朝向测量体积重定向，并且被配置成用于在重定向脉冲再次到达测量体积之前将脉冲的光的偏振从第一偏振方向旋转到第二偏振方向。
用于引导的装置例如是无源光学元件，包括位于测量体积另一侧与激光器相对的第一光学反射镜，第一光学反射镜用于在激光器发射的激光脉冲穿过测量体积后反射这些脉冲，第二光学反射镜，第二光学反射镜用于反射由第一光学反射镜反射的激光脉冲并将激光脉冲引导到测量体积中，光波片，光波片用于将脉冲激光的偏振方向旋转90°，光波片位于激光脉冲的路径上，或者在测量体积和第一光学反射镜之间，或者在第一光学反射镜和第二光学反射镜之间，或者在第二光学反射镜和测量体积之间。
在实施例中，第一光谱仪被配置为在三个不同的波长处测量收集的具有仅一个给定的(优选在第一方向上的)偏振的荧光的强度。
第一光谱仪例如被配置为以大于或等于500MSPS(兆样本每秒)的采样频率对采集的荧光进行采样，例如以大于或等于1GSPS(千兆样本每秒)的采样频率。
在实施例中，测量装置还包括第二光谱仪，第二光谱仪用于捕获在测量体积中由单个流体携带的颗粒发射的且仅具有一个给定的(优选在第一方向上的)偏振的荧光，并且用于在宽的频率范围内确定所捕获的荧光的光谱。
因此，本发明的测量装置允许为每一单个颗粒获得在具有不同光偏振且通过短延迟在时间上分离的两个激光脉冲上的光谱分辨和时间分辨荧光响应。这是通过流体和光路几何的特定组合实现的。本发明的测量装置还通过超快速的探测器和采集电子设备得到改进。
所述目的和其他优点还尤其通过用于检测和/或表征流体携带的颗粒的测量方法来实现，所述方法包括以下步骤：沿流体流动路径产生流体流动，发射在第一偏振方向偏振的激光脉冲到流体流动路径的测量体积中，该脉冲具有脉冲持续时间，收集由测量体积中的单个流体携带的颗粒被在第一偏振方向上偏振的激光脉冲撞击时发射的荧光，并在至少一个确定的波长处以每荧光衰减持续时间至少三个样本的采样率测量用线性偏振器过滤的所述收集的荧光的强度，引导在第二偏振方向上偏振的激光脉冲到测量体积中，其中第二偏振方向与第一偏振方向不同，使得介于在第一偏振方向上偏振的激光脉冲穿过测量体积的时刻与在第二偏振方向上偏振的激光脉冲穿过测量体积的时刻之间的时间延迟长于脉冲持续时间且短于流体在测量体积中的行进时间，捕获荧光，所述荧光是测量体积中单个流体携带的颗粒被在第二偏振方向上偏振的激光脉冲撞击时发射的并且被线性偏振器过滤，并在所述至少一个确定的波长处，以每荧光衰减持续时间至少三个样本的采样速率测量所捕获的、被线性偏振器过滤的荧光的强度。
第二偏振方向例如垂直于第一偏振方向。
通过线性偏振器对荧光发射进行滤波以保留所述发射的仅一个给定的偏振，优选地在第一方向上，以允许进一步表征荧光团的性质，如稍后所述。
流体例如是空气，另一种气体或气体混合物，或液体。
在实施例中，引导步骤包括在第一偏振方向上偏振的激光脉冲穿过测量体积之后将激光脉冲收集并将激光脉冲再次朝向测量体积重定向，并且在脉冲再次到达测量体积之前，将在第一方向上偏振的激光脉冲的光的偏振从第一偏振方向旋转到第二偏振方向。
在实施例中，引导步骤包括在第一偏振方向上偏振的激光脉冲穿过测量体积之后利用第一光学反射镜对激光脉冲进行反射，利用第二光学反射镜反射由第一光学反射镜反射的激光脉冲并将激光脉冲引导到所述测量体积中，利用位于激光脉冲路径上的光波片将脉冲激光的偏振方向旋转90°，所述光波片或者在测量体积和第一光学反射镜之间，或者在第一光学反射镜和第二光学反射镜之间，或者在第二光学反射镜和测量体积之间。
在实施例中，第一光谱仪被配置为在三个不同的波长处测量捕获荧光的强度，用于仅一个给定的偏振，优选地在第一方向上。
在实施例中，第一光谱仪被配置用于以大于或等于500MSPS(每秒兆样本)的采样频率对捕获的荧光进行采样，例如以大于或等于1GSPS(每秒千兆采样)的采样频率采样。
在实施例中，捕获和测量的步骤还包括在宽频率范围内确定荧光的光谱，用于仅一个给定的偏振，优选地在第一方向上。
根据优选实施例，为了简化设计的实施，将来自颗粒的荧光耦合到光纤(优选单根光纤)中以将光传输到光谱仪是有用的。这允许光收集元件和光测量元件的良好的机械分离。为了这样做，即为了将从单个颗粒发射的荧光收集到光纤中，可以添加优选由透明玻璃制成的元件，该透明玻璃以通过全内反射的内反射的作用将从其较大直径侧耦合的所有光被引导至其较小直径的方式被成形。在多个几何形状中，优选三种不同的几何形状：
-与光学透镜共轭的具有无限后焦距的反射物镜，
-与抛物面反射器共轭的具有无限后焦距的反射物镜，以及
-与光纤锥共轭的具有无限后焦距的反射物镜。
因此，本发明的方法提供了以时间分辨和光谱分辨的方式测量荧光响应的可靠且有效的方法。
附图说明
通过阅读附图所示的以下描述，本发明将被更好地理解，其中：
图1是用于检测和/或表征空气携带的颗粒的本发明装置的实施例的示意图；
图2是图1的装置的示意图，适应于检测和/或表征液体携带的颗粒；
图3是用于检测和/或表征空气携带的颗粒的本发明装置的另一个实施例的示意图。
图4是图3的装置的示意图，适应于检测和/或表征液体携带的颗粒；
图5是用于检测和/或表征空气携带的颗粒的本发明装置的又一个实施例的示意图；
图6是图5的装置的示意图，适应于检测和/或表征液体携带的颗粒；
图7a和7b示意性地示出了光物质相互作用的基本物理原理；
图8a和8b示意性地示出了两种一般情况，其中荧光分子具有比与激光脉冲的两次相互作用之间的时间分别地更短和更长的典型寿命；
图9a至9d表示四种一般情况，其中荧光分子具有比与激光脉冲的两次相互作用之间的时间更短和更长的典型寿命，并且荧光各向异性是强的和弱的；
图10a和10b表现了典型的光谱分辨激光诱导荧光和一些常见内源荧光团的吸收。
图11a至11c表现了用于收集从单个颗粒发射到光纤中的荧光的不同装置几何形状。
具体实施例
在实施例中，并且参考图1，本发明的装置被配置为用于检测和/或表征包含在空气流中或任何其他气态载体流中的空气携带颗粒。
参考图1，该装置包括喷嘴1，用于沿着远离喷嘴1的流动路径产生层流空气，其中空气的层流可能包含单个的气溶胶或空气携带的颗粒9。流动路径的方向例如是垂直的。装置还包括光源，例如激光器2，例如是263nm,266nm,337nm,355nm或400nm脉冲UV激光器，光源被定位成用于朝向空气流发射偏振激光脉冲。激光的波长被选择为允许最有效的吸收、量子产生和吸收截面以及荧光发射。因此，波长可以是从深UV到红外，并且不限于上面作为例子提到的数值。由激光器2发射的激光脉冲穿过的空气流的体积限定了测量体积，空气携带的颗粒9在该测量体积中可以与激光相互作用。由激光器2发射的激光沿第一偏振方向偏振，例如在垂直方向上偏振。
根据图1所示的实施例，本发明的装置包括光学系统3，该光学系统3包括无源元件，用于在激光脉冲穿过测量体积之后反射激光脉冲，并将激光脉冲朝向再次进入测量体积重定向。在所示实施例中，光学系统3包括第一光学反射镜31以及第二光学反射镜32，第一光学反射镜31在测量体积的另一侧上与激光器2相对地定位，第二光学反射镜32用于将由第一光学反射镜31反射的激光脉冲朝向测量体积重定向。因此，第一次穿过测量体积的由激光器2发射的激光脉冲通过第一光学反射镜31和通过第二光学反射镜32被反射，第二光学反射镜32将脉冲重定向到测量体积中。因此，每个激光脉冲穿过测量体积两次，在每次穿过之间有时间延迟，该时间延迟由激光脉冲在这两次穿过之间行进的光路长度确定。根据本发明，光学系统3还包括例如半波片30的装置，用于在激光脉冲第二次穿过测量体积之前旋转激光偏振，例如旋转90度。根据本发明，激光的偏振因此从第一方向被旋转到不同于第一方向的第二方向。波片30定位在激光脉冲的路径上，例如在测量体积和第一光学反射镜31之间，在第一光学反射镜31和第二光学反射镜32之间，或者在第二光学反射镜32和测量体积之间。
在变型实施例中，光学系统包括波导或其他无源或有源光学元件，用于将由激光器发射的激光脉冲再次朝向测量体积重定向，和/或用于在激光的行进路径中引入确定的时间延迟，和/或用于旋转激光的偏振。
在变型实施例中，光学系统包括一个激光器，在第一次穿过测量体积之前，用于该激光器的光学路径被分成具有不同光学长度的两个或更多路径。然而，在这样的实施例中，每个激光脉冲被分成多个子脉冲，每个子脉冲仅包含激光器输出脉冲的一部分能量。对荧光响应的有效激发来说，这可能是导致信噪比降低的限制因素。
或者，本发明的装置可包括两个激光器，将具有不同偏振方向的激光脉冲发射到相同的测量体积。然而，这种解决方案需要两个激光器的非常精确的同步，以在第一激光器的激光脉冲的发射和第二激光器的激光脉冲的发射之间实现精确且可准确再现的时间延迟，这是使用目前价格合理的激光器可能无法实现的。
根据本发明，该装置还包括第一光谱仪4，用于提供关于荧光在至少一个波长处的时间分辨信息，所述荧光是测量体积中的颗粒9被激光脉冲撞击时发射的。第一光谱仪4例如包括线性偏振器42以滤除不需要的光偏振，并且优选地仅保留在第一方向上偏振的光，例如垂直偏振光，多个分色镜43，例如三个分色镜43，用于将荧光分离成多个光谱限度，例如分离成三个光谱限度，和多个光探测器44，例如三个光探测器44，每个光探测器44捕获由多个分色镜43中的一个分色镜反射的多个光谱限度中一个光谱限度的荧光。优选地，每个光谱限度以被确定的感兴趣的波长为中心，该波长对应于例如由特定类型的内源荧光团或标记有颗粒9的标识的荧光发射的荧光的波长。为了清楚起见，在本说明书中假设，通过本发明的方法和装置测量的颗粒可以是对被吸收的激光具有一些荧光反应的天然的或人造的生物和非生物颗粒。
如下面进一步解释的，第一光谱仪4的光探测器44是快速探测器，能够以足够高的采样率对所接收的光进行采样，用于在荧光衰减时间过程中获得光强度的若干测量点，荧光衰减时间在所有情况下都比流体携带的颗粒9穿过测量体积的时间要短很多。
在所示的示例中，第一光谱仪4将所接收的荧光分成三个光谱限度。然而，光谱限度的数量以及光谱限度的带宽和光谱限度的中心波长可以根据待检测和/或表征的流体携带的颗粒9的性质而变化。优选地，第一光谱仪4可以被配置成用于测量在其他波长处的荧光，或者被具有以其他波长为中心的光谱限度的别的第一光谱仪替代，用于检测和/或表征不同的颗粒9。第一光谱仪4例如是可配置的，在于分色镜43的数量和类型被修改。
第一光谱仪4优选地包括第一光学透镜组40，用于收集由测量体积中的颗粒9发射的荧光并且用于将荧光引导到分色镜43。
在实施例中，第一光谱仪4包括低通滤波器41，低通滤波器41位于例如透镜组40和线性偏振器42之间，用于从激光器2的散射光中过滤由测量体积中的颗粒9发射的荧光。
本发明的装置优选地还包括信号分析器，信号分析器在图中未示出，用于接收来自第一光谱仪4的输出信号并使用该输出信号用于向用户提供信息，例如，在下面进一步说明的，用于被激光脉冲撞击的颗粒9的在不同波长处的时间分辨荧光信息、颗粒9的速度的指示等。在实施例中，本发明的装置包括光探测器，例如光电二极管6，用于在由激光器2发射的激光脉冲第二次穿过测量体积之后检测这些激光脉冲。光电二极管6的输出信号例如被传输到信号分析器，信号分析器从而可以获知激光脉冲的发射和/或发射脉冲的强度和/或持续时间。在实施例中，信号分析器产生用于控制激光器2的控制信号，特别是是否发射一个或多个激光脉冲。
上面描述了本发明的装置，用于检测和/或表征在由喷嘴1形成的例如空气流的气流中存在气溶胶颗粒9。在实施例中，通过图2中的示例示出，本发明的装置被配置成用于检测和/或表征存在于流体(即在气体或液体)中的流体携带的颗粒，而流体优选地对于激光是透明的。如通过图示但非限制性示例在图2中示出的本发明的装置例如被配置成用于检测和/或表征水体携带的颗粒。相应地，本发明的装置包括流体引导装置，例如线性管10，流体11沿着流体引导装置(例如在流体引导装置内)流动，所述流体可能带有颗粒9。激光器2发射的偏振激光的脉冲与流体11的相交限定了测量体积，在测量体积中单个流体携带的颗粒9可以与激光脉冲相互作用。本发明装置的其他元件及其功能与之前描述的且在图1中示出的与检测和/或表征空气携带的颗粒相关的元件相同，唯一的区别是沿着流体流动路径产生流体流的装置。
除非另有说明，相同的附图标记在多个附图中表示相同的元件。
代替地并且参考图3，本发明的装置包括第二光谱仪5，第二光谱仪5包括透镜组50，用于收集在测量体积中被激光脉冲撞击的流体携带的颗粒9(例如空气携带的颗粒)发射的荧光；第二光谱仪5还包括低通滤波器51，用于从激光器2的散射光中过滤由在测量体积中的颗粒9发射的荧光；第二光谱仪5还包括线性偏振器52，用于优选地仅在第一方向上(例如垂直方向上)保留一个光偏振；第二光谱仪5还包括衍射光栅53，以将所收集的荧光分散成光谱，并将该光谱在阵列光探测器54上成像，用于在整个光谱上对被分散的荧光进行采样。
本发明的装置优选地还包括信号分析器，信号分析器在图中未示出，用于接收来自第二光谱仪5的输出信号并使用该输出信号向用户提供信息，诸如例如用于被激光脉冲撞击的颗粒9的光谱分辨荧光信息。在实施例中，本发明的装置包括光探测器，例如光电二极管6，用于在由激光器2发射的激光的脉冲第二次穿过测量体积之后检测这些脉冲。光电二极管6的输出信号例如被传输到信号分析器，信号分析器可因此获知激光脉冲的发射和/或所发射的脉冲的强度和/或持续时间。在实施例中，信号分析器产生用于控制激光器2的控制信号，特别是是否发射一个或多个激光脉冲。
图4示出了图3的装置的示例，该装置被配置成用于检测和/或表征存在于流体中的，即在气体或液体中的，流体携带的颗粒，即用线性管10代替图3实施例的喷嘴1。
在实施例中，并且参考图5，本发明的装置包括两个光谱仪4和5。第一光谱仪4提供关于由在测量体积中被激光脉冲撞击的单个颗粒9发射的荧光的时间分辨信息，并且第二光谱仪5提供关于该荧光的光谱分辨信息。第二光谱仪5例如包括：第二光学透镜组50，用于收集由测量体积中的单个颗粒9发射的荧光；低通滤波器51，用于从激光器2的散射光过滤由测量体积中的颗粒9发射的荧光；线性偏振器52，用于优选地仅在第一方向上(例如垂直方向上)保留一个光偏振；衍射光栅53，以将所收集的荧光发散成光谱；以及例如阵列光探测器54的光探测器，用于在整个光谱上采样。
图6示出了本发明的装置，其类似于图5中所示的装置，但是适用于检测和/或表征存在于流体中的(即在气体或液体中的)流体携带的颗粒，而所述流体优选地对激光透明。如在图6中通过图示的方式但非限制性示例的方式示出的本发明的装置例如被配置为用于检测和/或表征水体携带的颗粒。相应地，本发明的装置包括例如线性管10的流体引导装置，流体11沿着流体引导装置(例如在流体引导装置内)流动，所述流体可能带有颗粒9。由激光器2发射的偏振激光的脉冲与流体11的相交限定了测量体积，在测量体积中单个流体携带的颗粒9可以与激光脉冲相互作用。本发明装置的其他元件及其功能与之前描述的且在图5中示出的与检测和/或表征空气携带的颗粒相关的元件相同，唯一的区别是沿着流体流动路径产生流体流的装置。除非另有说明，相同的附图标记在多个附图中表示相同的元件。
在以下段落中，针对空气携带的颗粒的检测和分析的特殊情况，描述和说明了本发明装置的运行方式和相应的用于检测和/或表征流体携带的颗粒的方法。然而，本文所述的运行方式和方法也适用于检测任何流体携带的颗粒。
根据本发明，检测和/或表征方法基于通过时间分辨技术和可选的光谱分辨技术来测量的激光诱导的荧光。
本发明的方法包括：当存在于流体流中的单个流体携带的颗粒9穿过测量体积时，使用激光器2将激光脉冲发射到所述流体携带颗粒9上，并且然后当该相同的流体携带的颗粒9仍然在测量体积中时，将在另一个方向上偏振且具有确定时间延迟的激光脉冲引导在该相同的流体携带的颗粒9上。在实施例中，例如利用如图1至6中所示的光学系统3，由激光器2发射的激光脉冲的光路以给定的延迟和改变的激光偏振被折回到测量体积上。在第一次通过或穿过期间，即在激光脉冲与流体携带的颗粒9的第一次相互作用期间，颗粒9内的分子偶极子的取向是任意和均一的。在激光脉冲的第一次通过期间，激光脉冲在测量体积中将仅与颗粒9的与激光脉冲的电场对准的分子相互作用，并且将激发这些分子。这些分子中的一些将在一段时间后发射一个光子，对于大多数生物颗粒，通常是在0.1至3ns之后。这些光子由时间分辨的第一光谱仪4检测，该第一光谱仪4测量荧光在至少一个波长处的衰减。可选地，该方法还包括使用第二光谱分辨和相对慢的第二光谱仪5，用于确定由流体携带颗粒9发射的荧光的整个荧光光谱限度。
在实施例中，在第一次撞击单个流体携带的颗粒9之后，激光脉冲将行进一定距离并在例如6至10ns的时间延迟之后再次照射相同的颗粒9，该延迟由激光脉冲在两次连续通过或穿过测量体积之间所行进的距离限定。两次撞击或两次穿过之间的时间延迟优选地短于单个颗粒9通过测量体积的行进时间，使得在第二次通过时，激光脉冲再次与相同的颗粒9相互作用。在光学系统3中，激光脉冲还将穿过例如半波片30，该半波片30将激光的电场或偏振旋转90度。在第二次穿过期间，激光脉冲的电场将再次与颗粒9的分子偶极子相互作用。在激光脉冲和颗粒的第一次相互作用期间，包含在颗粒中的多个分子的分子偶极子将与激光电场的方向对准。根据分子大小和周围环境，这种相位偶极子对准旋转将保持几皮秒到几十纳秒。与激发电子态的弛豫时间一起，该效应将在激光脉冲的第二次穿过期间导致不同的吸收效率。实际上，这种效率将同时受到已经返回基态的、准备好进行另一次电子激发的可用分子数量以及在相同的方向上对准的可用的分子偶极子的数量的影响，激光电场在第二次穿过期间因此旋转90度到初始激光偏振。与标准光谱测量或标准荧光寿命测量相比，这种对具有两个激光脉冲和两个衰变的荧光响应的组合测量提供了更详细的分子组成信息，这是因为本发明的方法和装置同时对与被激发的电子能级相关的荧光寿命衰减和分子偶极子对准敏感，所述分子偶极子对准是由于激光电场在与颗粒的两次相互作用之间旋转90度。该事实提供了直接测量和估计荧光的各向异性的可能性，荧光的各向异性揭示样品是否对激发光源的不同偏振敏感。荧光各向异性是探测分子运动的有力工具，分子运动主要受到分子重量和尺寸的影响。该事实还提供了分子旋转扩散和内部柔韧性研究的入口。所有这些事实为单个空气携带的颗粒识别带来了额外的自由度。
因此，本发明的方法允许探测颗粒中一个或多个主要荧光团的光谱性质，并最终获得对分子组成、分子大小和周围环境的更好理解。
在图7a和7b中描述了本发明方法的基本物理原理，这两幅图让人想起经典的L形荧光的各向异性测量方案。然而，与之相比具有两个主要区别：a)将线性偏振器引入探测器的光路中以仅保留由颗粒9发射的荧光的一个给定偏振，b)颗粒9与激光脉冲的相互作用分两步完成，第一步的激光在第一方向上偏振，第二步的激光在与第一方向不同的第二方向上偏振，两次相互作用之间的延迟可以是与荧光寿命在一个数量级甚至短于荧光寿命。图7a示出了例如第一次相互作用，其中激光偏振是垂直的。检测到的信号可被大体上描述如下：
Figure GDA0003153478530000121
其中IVV是由垂直偏振激光激发的样品所发射的荧光的垂直偏振分量，I01是t＝0时的信号幅度，τ1是衰减常数。图7b示出了第二次相互作用，其中激光偏振例如是水平的。检测到的信号可被大体上描述如下：
Figure GDA0003153478530000131
其中IHV是由水平偏振激光激发的样品所发射的荧光的垂直偏振分量。
根据本发明的方法，激光与样品的相互作用可以发生如图8a和8b所示的两种可能的情况。根据图8a中所示的第一种情况，当第一次与在第一方向上(例如垂直方向)偏振的激光相互作用时，样品中的荧光团分子最初具有随机取向的跃迁矩。这些荧光团的总数用NT表示。对于具有在与激光的电场(即第一方向)相同的方向上或在接近的方向上对准的跃迁矩的分子，跃迁到激发的电子态的可能性更高。一段时间后，被激发的分子N1将发射光子或将遵循非辐射方法返回基态。同时，在激光相互作用期间，具有在正交于激光的电场(即正交于第一方向)的方向上或在接近的方向上对准的跃迁矩的分子N0，将继续自由地散发并且它们的跃迁矩的取向再次变成随机。在这种情况下，两次与激发激光脉冲的相互作用之间的延迟是足够长的，以允许分子N1返回到基态。然后对用在第二方向上的偏振的激发重复整个过程。在这种情况下，荧光的两次测量是独立的或者是不相关的。
图8b中呈现的第二种情况在与偏振激发光的两次相互作用之间存在延迟，延迟比弛豫时间或荧光寿命短，因此导致分子N1仍然大部分处于激发态并且将不与第二激光的通过相互作用并且大部分相互作用将由分子N0完成的情况。在这种情况下，颗粒们在第二次相互作用时“记住”第一次相互作用。
参考图9a至9d，由激光器发射的例如高斯激光脉冲的激发激光脉冲，由它们各自的幅值(θ1，θ2)和表征脉冲持续时间的标准偏差(σ1，σ2)表征。由激光脉冲撞击的颗粒发射的荧光信号表示具有指数衰减的激发激光脉冲的卷积，指数衰减包括测量系统响应和颗粒响应。图9a至9d表示由被激发激光脉冲撞击两次的颗粒所发射的时间分辨荧光信号的四种典型情况：在图9a中是用于两个激发脉冲的短的寿命和低的荧光各向异性，在图9b中是用于两个激发脉冲短的寿命和高的各向异性，在图9c中是用于两个激发脉冲的长的寿命和低的各向异性，以及在图9d中是用于两个激发脉冲的长的寿命和高的各向异性。
为了表征荧光信号的主要特性，下面的表达式可用于各向异性：
Figure GDA0003153478530000141
其中r0是t＝0时的各向异性的值；θ是相关时间。各向异性的这种定义是要被应用于关于图8a描述的情况。然后通过以下表达式估计各向异性的最大值：
Figure GDA0003153478530000142
对于图8b所示的第二种情况，不能给出简单直接的表达式，因为各向异性的估计将在很大程度上受到两次连续的相互作用之间的相关性的影响。为了提取衰减时间τ1，τ2，测量的信号需要用已知的激发脉冲进行去卷积。设备的系统响应优选地比衰减时间快得多。如果系统响应与衰减时间相当，则必须使用诸如没有荧光的光散射的参考信号进行去卷积，以考虑系统的完全响应。
基于这些确定的参数，样品的荧光的高级表征可以被提供。总荧光，作为波长的函数表示为：
Figure GDA0003153478530000143
样品的平均荧光寿命，作为波长的函数由下式给出：
Figure GDA0003153478530000144
对于激发激光脉冲的两个偏振的荧光寿命各向异性，作为波长的函数由下式给出：
Figure GDA0003153478530000145
根据本发明的方法，待表征的单个流体携带的颗粒9在短时间延迟内与两个连续的不同偏振的激光脉冲相互作用。使用快速采样第一光谱仪4，这允许获得用于每次相互作用的颗粒9的荧光的时间分辨表现。在每次相互作用处的荧光的强度和衰减及它们的比较允许确定用于每个荧光激发分子的寿命和荧光各向异性。如在上面所展示的，这些参数的确定允许确定存在于被激发的流体携带的颗粒中的荧光分子的性质，特别是所述荧光分子的尺寸，从而允许精确表征所述流体携带的颗粒9。
图10a示出了由第二光谱仪5提供的光谱分辨结果的示例，第二光谱仪5在大光谱上捕获激光脉冲与颗粒的两次相互作用期间发射的所有荧光。典型内源荧光团(色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原的NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、黄素基团)的三种光谱被示出。因此，由于不同的发射，该结果允许清楚地区分颗粒中的这些分子。根据应用场合，还可以调节第一光谱仪4中感兴趣的光谱限度。图10b给出了这些荧光团的典型吸收光谱。该信息可能有助于更好地选择激发波长，激发波长是激光器2的发射波长。
在实施例中，本发明的装置还包括第二激光器，第二激光器朝向流体流发射连续激光束，从而在测量体积的上游形成探测体积。光探测器通过在颗粒穿过探测体积时捕获由探测体积中的颗粒散射的激光，而探测流体携带的颗粒。可选地，由光度计提供的信息允许单个颗粒的性质的初步估计，例如通过确定它们的尺寸、形状和/或表面纹理。
图11a至11c示出了本发明的另一个优选实施例，其中所述装置包括荧光耦合装置61,62,63，以简化其实施。
更具体地，将来自颗粒9的荧光耦合到光纤64(优选单根光纤)中以将光朝向光谱仪传输是有用的。这允许了光收集和光测量元件的良好机械分离。为了这样做，即为了将从单个颗粒9发射的荧光收集到光纤64中，添加优选由透明玻璃制成的元件，透明玻璃以如下方式被成形：从较大直径侧耦合的所有光通过全内反射的作用被引导到较小直径侧。在多个几何形状中，优选三种不同的几何形状：
-与光学透镜61共轭的具有无限后焦距的反射物镜60，
-与抛物面反射器62共轭的具有无限后焦距的反射物镜60，或
-与光纤锥63共轭的具有无限后焦距的反射物镜60。
如果在感兴趣的颗粒穿过探测体积时检测到该感兴趣的颗粒，则将相应的信号被发送到例如设备的控制器，该控制器触发测量体积中的激光脉冲的发射，以更精确地表征感兴趣的颗粒，从而允许在测量体积中有目地发射激光脉冲，而不是随机地发射。

Claims (21)

1.一种用于检测和/或表征流体携带的颗粒（9）的测量装置，该测量装置包括：
用于沿流体流动路径产生流体流的装置（1,10）；
激光器（2），所述激光器（2）被定位用于发射在第一偏振方向上偏振的激光脉冲到流体流动路径的测量体积中，每个所述激光脉冲具有脉冲持续时间；
用于引导的装置（3），所述用于引导的装置（3）用于引导在第二偏振方向上偏振的激光脉冲到所述测量体积中，其中所述第二偏振方向不同于所述第一偏振方向，
第一光谱仪，用于捕获由在所述测量体积中的单个流体携带的颗粒（9）发射的荧光，并且在至少一个确定的波长处以每个所述脉冲持续时间至少三个样本的采样速率测量由所述第一光谱仪捕获的荧光的强度；
其中所述用于引导的装置（3）被配置成，每次由所述激光器（2）发射并在所述第一偏振方向上偏振的激光脉冲已经穿过所述测量体积时，所述用于引导的装置（3）引导在所述第二偏振方向上偏振的激光脉冲到所述测量体积中，介于由所述激光器（2）发射的所述激光脉冲穿过所述测量体积的时刻与由所述用于引导的装置（3）引导的所述激光脉冲穿过所述测量体积的时刻之间的时间延迟长于所述脉冲持续时间，并且短于在所述测量体积中流体的行进时间。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述第二偏振方向垂直于所述第一偏振方向。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述用于产生流体流的装置是喷嘴，用于产生具有远离喷嘴的流动路径的层流空气。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述用于产生流体流的装置包括透明管，用于产生具有沿所述透明管的流动路径的液体流。
5.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述用于引导的装置是无源光学系统，所述无源光学系统被配置成用于在由所述激光器（2）发射的激光脉冲已经穿过所述测量体积以后收集所述激光脉冲并将所述激光脉冲再次朝向所述测量体积重定向，并且用于在被重定向的激光脉冲再次到达所述测量体积之前将所述激光脉冲的光的偏振从所述第一偏振方向旋转到所述第二偏振方向。
6.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述用于引导的装置（3）是无源光学元件（30,31,32），包括：
- 第一光学反射镜（31），在所述测量体积的另一侧上与所述激光器（2）相对定位，用于在由所述激光器（2）发射的激光脉冲已经穿过所述测量体积之后反射所述激光脉冲；
- 第二光学反射镜（32），用于反射由所述第一光学反射镜（31）反射的激光脉冲并引导所述激光脉冲到所述测量体积中；
- 光波片（30），用于将所述激光脉冲的激光的偏振方向旋转90°，所述光波片（30）位于激光脉冲的路径上，或者在所述测量体积和所述第一光学反射镜（31）之间，或者在所述第一光学反射镜（31）和所述第二光学反射镜（32）之间，或者在所述第二光学反射镜（32）和所述测量体积之间。
7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述第一光谱仪（4）被配置为在三个不同的波长处测量由所述第一光谱仪捕获的荧光的强度。
8.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述第一光谱仪（4）被配置成用于以大于或等于500MSPS（兆样本每秒）的采样频率对由所述第一光谱仪捕获的荧光进行采样。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其中所述第一光谱仪（4）被配置用于以大于或等于1GSPS（千兆样本每秒）的采样频率对由所述第一光谱仪捕获的荧光进行采样。
10.根据权利要求1或2所述的测量装置，还包括：
- 第二光谱仪（5），用于捕获由所述测量体积中的单个流体携带的颗粒（9）发射的荧光，并在宽的频率范围内确定由所述第二光谱仪捕获的荧光的光谱。
11.根据权利要求1或2所述的测量装置，还包括：适于通过全内反射的作用将从较大直径侧耦合的所有光引导到较小直径侧的元件，并且所述元件具有包括在以下组中的至少一个结构，所述组包括：与光学透镜（61）共轭的具有无限后焦距的反射物镜（60）、与抛物面反射器（62）共轭的具有无限后焦距的反射物镜（60）、或与光纤锥（63）共轭的具有无限后焦距的反射物镜（60）。
12.一种用于检测和/或表征流体携带的颗粒（9）的测量方法，该测量方法包括以下步骤：
沿流体流动路径产生流体流，
将在第一偏振方向上偏振的激光脉冲发射到流体流动路径的测量体积中，所述激光脉冲具有脉冲持续时间，
收集荧光，所述荧光由在所述测量体积中的单个流体携带颗粒（9）在被所述在第一偏振方向上偏振的所述激光脉冲撞击时发射且被线性偏振器过滤，并且在至少一个确定的波长处，以每个荧光衰减持续时间至少三个样本的采样率对所收集的、使用线性偏振器过滤的荧光的强度进行测量，
将在第二偏振方向上偏振的激光脉冲引导到所述测量体积中，其中所述第二偏振方向与所述第一偏振方向不同，使得介于在所述第一偏振方向上偏振的所述激光脉冲穿过所述测量体积的时刻和在所述第二偏振方向上偏振的所述激光脉冲穿过所述测量体积的时刻之间的时间延迟长于所述脉冲持续时间并且短于流体在所述测量体积中的行进时间，
捕获荧光，所述荧光由在所述测量体积中的单个流体携带颗粒（9）在被所述在第二偏振方向上偏振的激光脉冲撞击时发射且被线性偏振器过滤，并且在所述至少一个确定的波长处，以每个所述脉冲持续时间至少三个样本的采样率对所捕获的、使用线性偏振器过滤的荧光的强度进行测量。
13.根据权利要求12所述的测量方法，其中所述第二偏振方向垂直于所述第一偏振方向。
14.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中所述流体是空气。
15.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中所述流体是液体。
16.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中，引导步骤包括：在所述第一偏振方向上偏振的所述激光脉冲穿过所述测量体积之后收集所述激光脉冲，并将所述激光脉冲再次朝向所述测量体积重定向，在所述激光脉冲再次到达所述测量体积之前，将在第一方向上偏振的所述激光脉冲的光的偏振从所述第一偏振方向旋转到所述第二偏振方向。
17.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中，引导步骤包括：
- 在第一偏振方向上偏振的所述激光脉冲穿过所述测量体积之后，利用第一光学反射镜（31）反射所述激光脉冲；
- 利用第二光学反射镜（32）反射由所述第一光学反射镜（31）反射的所述激光脉冲并将所述激光脉冲引导到所述测量体积中；
- 利用位于激光脉冲路径上的光波片（30）将脉冲激光的偏振方向旋转90°，所述光波片或者在所述测量体积和所述第一光学反射镜（31）之间的，或者在所述第一光学反射镜（31）和所述第二光学反射镜（32）之间，或者在所述第二光学反射镜（32）和所述测量体积之间。
18.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中，第一光谱仪（4）被配置为在三个不同的波长处测量由所述第一光谱仪捕获的荧光的强度。
19.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中，第一光谱仪（4）被配置成以大于或等于500MSPS（兆样本每秒）的采样频率对由所述第一光谱仪捕获的荧光进行采样。
20.根据权利要求19所述的测量方法，其中所述第一光谱仪（4）被配置成以大于或等于1GSPS（千兆样本每秒）的采样频率对由所述第一光谱仪捕获的荧光进行采样。
21.根据权利要求12或13所述的测量方法，其中捕获和测量的步骤还包括在宽的频率范围内确定所述荧光的光谱。
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