CN116249887A - 检测环境空气中气溶胶颗粒的方法及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明在第一方面涉及用于借助于光声气体传感器来检测环境空气中的气溶胶颗粒的方法，其中，分析体积存在于可调制发射器的束路径中，使得发射器可以使用可调制辐射来刺激分析体积中的气溶胶颗粒以形成借助于传感器可检测到的声压波。借助于可调制发射器，用调制的辐射辐照分析体积以生成声压波。借助于传感器来测量生成的声压波，并且基于测量结果来检测环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度。所述气溶胶颗粒特别优选是生物气溶胶，优选花粉、孢子、细菌和病毒。在另外的方面，本发明优选涉及适用于实施该方法的光声气体传感器。

Description

检测环境空气中气溶胶颗粒的方法及传感器
说明
在第一方面，本发明涉及用于借助于光声气体传感器来检测环境空气中的气溶胶颗粒的方法，其中，分析体积存在于可调制发射器的束路径中，使得发射器可以使用可调制辐射来激发分析体积中的气溶胶颗粒以形成由传感器可检测到的声压波。使用可调制发射器，用调制辐射来辐照分析体积以生成声压波。通过传感器测量生成的声压波，从而基于测量结果来确定环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度。特别优选地，气溶胶颗粒是生物气溶胶，优选花粉、孢子、细菌或病毒。在另外的方面，本发明涉及适用于实施所述方法的光声气体传感器。
背景和现有技术
本发明涉及环境空气中气溶胶颗粒的检测领域，尤其是生物气溶胶诸如细菌、孢子或病毒。
传染病是全世界最常见的死亡原因之一。肺炎、腹泻病、AIDS、结核病和疟疾占死亡的大多数。
由于对药物(抗生素，抗病毒剂)具有耐药性的病原体的增加，传染病的治疗变得越来越困难。耐药性日益发展的主要原因是抗生素使用不当和预防感染的必要卫生措施的不一致应用。
另外，2020年爆发的Covid 19大流行引人注目地表明，既没有疗法也没有疫苗保护的新出现的传染病可能会威胁人类社会的重要基础。
气源性传染病在传染病中具有特殊风险。气源性传染病是通过吸入含有病原体的悬浮颗粒经由气道(气源性)传播的传染病。例如，气源性传染病包括结核病、花粉、麻疹、水痘、流感或Covid 19。
在全球范围内，仅每年就有超过1000万人感染结核病，其中平均有150万人死亡(世界卫生组织WHO，《2019年全球结核病报告(Global tuberculosis report 2019)》)。仅在2020年3月至7月的几个月中，Covid 19就已被证明感染了全球超过1500万人，记录了超过600,000人的死亡(来源：WHO)。
气源性传染病的难以控制及其高度传染性与其扩散密切相关。气源性传染病的传播不需要人与人之间的直接接触，但是可以经由在环境空气中扩散的气溶胶间接发生。
空气中的颗粒在初始雾化后可以在空气中停留一段时间，并且因此潜在地使更多数量的易感个体暴露于感染的风险。根据环境因素(例如，室外气象条件，室内压差等)，空气中的颗粒可以很容易地在数米内运输，并且也可以在室内停留数小时(Fernstrom A.etal 2013)。
因此，直接测定环境空气中的病原体负荷可以成为预防或遏制气源性传染病的重要支柱。例如，基于对病原体负荷的测量，可以在私人或公共建筑内建立早期预警系统，并且有效防止感染链。
检测空气中细菌或病毒颗粒的已知技术通常非常耗时，或者需要复杂的仪器或样品操作(抗体结合、电化学反应)。
传统的方法使用环境空气收集装置。其中，使用合适的底物固定病毒或细菌。病原体的分子生物学鉴定可以例如借助于聚合酶链式反应来实施(除其他外，参见Schafer etal 1999for the detection of airborne tubercle bacilli.)。
Tobias et al 2005提出使用质谱法来检测气源性结核细菌。Senguptaa,A2007使用表面增强型拉曼光谱法来检测生物气溶胶。为此，开发了通过使用微型泵将生物气溶胶注射到银颗粒的纳米胶体悬浮液中来检测和表征空气中的花粉和细菌的仪器。将生物颗粒与银胶体混合，以将金属颗粒沉积在生物分析物的表面，并然后测量它们的光谱。来自Kyu-Tae Park et al 2015，已知一种基于电空气动力学沉积和场效应晶体管的检测方法。
另外，还有一些用于检测气溶胶中的生物颗粒的基于荧光的方法。这里，单色光(连续或脉冲)通常用于研究空气中通过仪器的单颗粒的荧光特性。对于生物分子的检测，可以利用这样的事实，一些生物分子的自发荧光，即固有荧光，可以指示生物材料的存在，而大多数非生物气溶胶的强度较低。然而，不同生物颗粒的光谱发射的相似性导致特异性降低(Huffmann et al.2020)。
因此，根据已知的技术，需要进行改进，这特别地降低了仪器或样品操作的复杂性，并且还可靠地允许检测尤其是环境空气中的病毒或细菌。
光声光谱法(PAS)是用于检测非常精细浓度气体的成熟技术，并且具有多种应用。一个实例是CO2的检测，它在研究和气候控制技术中发挥着作用。例如，也可以用这种方法测量空气中废气的浓度。与军事应用也相关的，在军事应用中可以检测到最小浓度的有毒气体。
光声光谱法使用调制强度的红外辐射，其具有在气体中待检测的分子的吸收光谱之内的频率。如果这种分子存在于束路径中，调制吸收发生，导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。加热和冷却过程导致气体的膨胀和收缩，在调制频率处引起声波。然后可以通过声音检测器诸如传声器或流量传感器来测量这些。
使用PAS特异性地检测气溶胶中的病毒或细菌在很大程度上尚未得到研究。
US 7710566 B2 PAS提出了使用PAS用于检测灰尘颗粒。没有描述病毒或细菌的检测。此外，设备复杂性也很高。
Lack et al.2007是关于气溶胶光声光谱法的研究文章。目的是使用光声光谱法来研究关于全球变暖的气溶胶吸收特性。没有公开使用PAS检测病毒或细菌。
WO 2015/020611 A1提出了用于检测气溶胶颗粒的装置和方法。流体经由入口进入测量腔室，并且该腔室通过辐射源辐照。该装置包括MEMS共振器，其旨在经由优选两种模式(光声模式和体声波(BAW)模式)基于气溶胶颗粒的吸收特性来检测气溶胶颗粒。在光声模式下，将光声效应或热声效用于检测气溶胶颗粒。MEMS共振器检测由气溶胶颗粒的光吸收引起的声压波。气溶胶是灰尘或烟尘颗粒。尚未公开使用光声光谱法来检测生物气溶胶，诸如病毒、细菌或花粉。
DE 41 30 639 A1涉及用于光声检测石墨和烟尘颗粒的装置。经由气泵，气溶胶进入共振光声腔，其由可调制半导体二极管激光器辐照。优选地，不是第一共振模式而是下一个更高模式的共振频率用于调制以避免低频干扰。DE 41 30 639 A1旨在提供具有高检测限制的紧凑且移动的烟尘检测系统。DE 41 30 639 A1中也没有公开生物气溶胶，尤其是花粉、孢子、细菌或病毒的检测。US 9 964 470 B2公开了控制房间空气质量的方法和系统。该方法使用空气内容物(containment)传感器，这是多点空气监测系统的一部分。借助于改进对真实室内空气内容物水平的近似值，可以更精确地调整必要的通风和空气供应。空气内容物传感器没有详细描述。
US 9 964 470 B2列出了各种测量方法，提到了光声测量原理连同许多其他测量方法(电化学，光学等)。据说待监测的空气内容物包括各种颗粒，还提到了生物气溶胶诸如病毒、细菌等。US 9 964 470 B2不包括关于使用光声测量原理检测生物气溶胶诸如真菌、病毒或细菌的任何直接教导。相反，关于现有技术，本领域技术人员会假定电化学方法例如用于检测真菌、病毒或细菌，它们在可能的测量方法列表中也被提到。本领域技术人员在US9 964 470B2中找不到关于光声测量原理可以用于检测生物气溶胶的任何指示。
因此，根据现有技术，需要改进的或替代的方法或装置来检测环境空气中的气溶胶颗粒。
本发明的目的
本发明的目的是提供一种用于检测环境空气中气溶胶颗粒的方法以及合适的装置，而没有现有技术的缺点。特别地，本发明的一个目的是提供改进的方法，该方法可以可靠、快速、廉价地测量气溶胶颗粒，尤其是生物气溶胶，而无复杂的样品操作或仪器。
发明内容
该目的由独立权利要求的特征解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。
在一个方面，本发明涉及一种用于检测环境空气中气溶胶颗粒的方法，包括以下步骤
a.提供光声气体传感器，所述光声气体传感器包括
-可调制发射器，尤其是MEMS发射器
-与所述环境空气流体连通的分析体积
-用于检测声压波的传感器，尤其是MEMS传感器
其中，所述分析体积存在于所述发射器的束路径中，使得所述发射器可以使用可调制辐射来激发在所述分析体积中的气溶胶颗粒以形成通过所述传感器可检测到的声压波，
b.用调制频率调制的辐射来辐照所述分析体积以生成声压波
c.借助于所述传感器测量生成的声压波
d.基于测量结果来确定所述环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度其中，所述气溶胶颗粒优选为生物气溶胶。
根据本发明的方法的特征在于以下的事实，气溶胶颗粒的存在和/或浓度可以借助于极其紧凑和稳固的光声气体传感器，优选基于MEMS技术来可靠地检测。与现有技术中的许多方法相比，有利的是不需要为此目的进行复杂的样品操作。相反，通过将发射的辐射的波长调谐为气溶胶颗粒的吸收性态，可以可靠地检测气溶胶颗粒的存在和/或浓度，特别是关于生物诸如病毒或细菌的结构。
因此，该方法的特征在于通过光声效应简单且快速地检测空气中的气溶胶颗粒。使用基于MEMS的紧凑型传感器的低成本实施可以得到及其极其宽范围的可能的应用。
例如，该方法可以用于公共场所、公共交通，也可以用于私人环境或通风系统，以可靠地监测环境空气中关于气溶胶颗粒，特别是病毒或细菌的存在和/或浓度。如果超过先前限定的阈值，可以发出警告和/或采取措施来防止潜在危险的气溶胶颗粒的扩散。
该方法对医疗机构特别重要，例如作为医疗候诊室或医院各个区域的早期预警系统。因此，该方法的简单性和低成本实施的可能性尤其允许广泛覆盖用于监测环境空气中关于致病颗粒的扩散。
在该方法的特别优选的实施方式中，气溶胶颗粒是生物气溶胶，优选花粉、孢子、细菌和病毒。该方法还可以用于检测烟尘颗粒或灰尘颗粒。然而，该方法具有特别的重要性，因为发明人认识到PAS也可以用于特异性地检测复杂的生物诸如细菌、病毒、花粉或甚至孢子的结构。
用于分析气体的光声光谱仪的基本特征和必要部件是本领域技术人员已知的。可调制发射器生成电磁辐射，尤其是在红外波长范围内，并且优选地以这样的方式布置和配置，该方式使得由发射器发射的辐射基本上或至少部分地入射到测量腔中待分析的气体上。
如果调制辐照发生在对应于存在于气体混合物中气体组分的分子的吸收光谱的红外波长，则发生调制吸收，这导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。根据光声效应，加热和冷却过程导致气体组分的膨胀和收缩，从而可以激发气体组分以形成具有基本调制频率的声压波。这些可以通过声音检测器来测量。声波的功率优选与吸收气体组分的浓度成正比。
令人惊讶的是，与气体成分相比，发现光声效应可以类似地扩展到复合物和宏观的生物结构，并且因此适用于生物气溶胶的检测。
在优选的实施方式中，气溶胶颗粒的选择性激发和检测是通过将发射的辐射的一个或多个波长调谐为气溶胶颗粒，特别优选生物气溶胶诸如花粉、孢子、细菌或病毒的吸收性态来完成的。
为此，优选记录关于气溶胶颗粒的波长依赖性光声吸收性态的参考数据，以优化波长依赖性激发。
有利地，生物气溶胶诸如花粉、孢子、细菌和病毒为此目的表现出特征性的光声指纹(fingerprint)。因此，对于所研究的生物结构，发生波长依赖性的不同的光声共振。
这示出，对于生物气溶胶诸如细菌，病毒或花粉的近红外范围内的波长，通常可以在一个或多个波长下记录特征光声信号。
然而，也可以在UV范围内选择性地激发生物结构的某些组分。花粉覆盖物中的类胡萝卜素在可见光的蓝色范围(波长高于500nm)内吸收。蛋白质、生物大分子和核酸具有的发色团通常在低于300nm(UV范围)的波长下吸收。因此，病毒包膜中的蛋白质在UV范围内吸收。水和有机结构也特别能吸收低能量的红外光。
然而，测试系列示出，由于高水含量，将大于170nm的波长优选用于研究气溶胶，尤其生物气溶胶。
在该方法的特别优选实施方式中，气溶胶颗粒是生物气溶胶，优选花粉、孢子、细菌或病毒，并且发射器的一个或多个波长优选地选择范围在170nm和10μm之间，优选在200nm和1000nm之间的选择性激发。
优选的激发波长在上述范围内，尽管也可以优选中间范围，诸如200nm至300nm、300nm至400nm、400nm至500nm、600nm至700nm、700nm至800nm、800nm至900nm、900nm至1000nm、1000nm至1500nm、1500nm至2000nm、2500nm至3000nm、3000nm至4000nm、4000nm至5000nm，或甚至5000nm至10 000nm。本领域技术人员将认识到，前述参数范围也可以组合以获得其他优选范围，诸如200nm至1500nm、500nm至900nm或300nm至2000nm。
对于特定生物颗粒例如病毒、花粉和/或细菌的一个或多个波长的选择可以优选地借助于如上所述的测试系列来确定。
用两个、三个、四个、五个或更多个不同波长，尤其范围在170nm和10μm之间，优选200nm和1000nm之间的波长来激发可以获得特别好的结果。在这里，可以优选的是，具有两个、三个、四个、五个或更多个不同波长的选择性激发发生在两个、三个、四个、五个或更多个不同的时间，并且环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度是基于在两个、三个、四个、五个或更多个不同的波长处测量的声压波来确定的。
根据本发明，发现由于生物结构的复杂组成，例如关于它们的蛋白质组成，可以为不同的生物结构分配高度细节化的光声指纹。
尽管生物气溶胶颗粒，诸如病毒、细菌或花粉，原则上可能包括类似的蛋白质，使得光声吸收发生在相似的波长范围内，但蛋白质的不同比例导致在不同波长处特别不同的PAS信号。有关PAS信号的波长依赖性位置以及它们各自振幅的信息因此可以特别精确地确定特定气溶胶颗粒的存在或浓度，类似于光谱指纹。
术语PAS信号或光声信号优选意指传感器经由分析体积中生成的声压波，尤其具有基本上对应于激发发射器的调制频率的频率的声压波的测量结果。
在优选的实施方式中，参考数据是使用校准测量获得的，其中在环境空气中检测的气溶胶颗粒的浓度是已知和受控制的。为此，例如可以将光声气体传感器置于校准腔室中，其中在实验室条件下存在限定浓度的气溶胶颗粒。
为了获得参考数据，光声信号的波长依赖性检测优选在限定的波长范围内，例如170nm到10μm，优选170nm至1000nm来实施。基于检测到的光声信号峰，为选择性激发限定一个或多个波长以及相应的光声信号的阈值，这指示在环境空气中的气溶胶颗粒的浓度的增加。
有利地，所提出的方法可以检测在环境空气中的多个甚至复合物气溶胶颗粒。
就本发明的目的而言，术语气溶胶通常是指悬浮在气态介质中足够长以被观察和测量的液体或固体颗粒(或微粒)的聚集。这些颗粒也称为气溶胶颗粒或悬浮颗粒。气溶胶颗粒的大小范围通常为约0.001μm至约100μm(参见Kulkarni et al.,AerosolMeasurement,3rd ed.,John Wiley&Sons,Inc.,2011)。
术语环境空气通常是指气体(或气态流体，或气相流体)。气体可能包含或者可能不包含飞沫或蒸气，并且可能包含或者可能不包含气溶胶颗粒。因此，气溶胶也可以被认为包含颗粒和夹带或携带颗粒的气体。
如本文所用，术语生物气溶胶通常是指在其中悬浮或携带一个或多个生物颗粒的气溶胶。术语生物颗粒通常是指生物材料或者生物材料与携带生物材料的非生物颗粒的组合。也就是说，生物材料本身可以是自由悬浮在气溶胶中的颗粒，或者它可以被携带在非生物颗粒上，使得生物材料和非生物颗粒一起悬浮在气溶胶中。
生物材料可以通过任何机制诸如包载、包埋、粘附、吸附、吸引、亲和等被携带在非生物颗粒上。生物材料的实例包括但不限于孢子(例如真菌孢子、细菌孢子等)、真菌、霉菌、细菌、病毒、生物细胞或细胞内组分、生物衍生颗粒(例如皮肤细胞、碎屑等)等。
生物气溶胶可以包括致病性或非致病性、活的或死的细菌和真菌、病毒、高分子量过敏原、细菌内毒素、真菌毒素、肽聚糖、β(1-3)葡聚糖、花粉、植物纤维等。暴露于生物气溶胶与许多疾病诸如传染病和呼吸系统疾病有关。其他疾病和病症与暴露于生物气溶胶有关，诸如癌症，(Bioaerosol Health Effects and Exposure Assessment:Progress andProspects,J.Douwes,P.Thorne,N.Pearce,and D.Heederik,Institute for RiskAssessment Sciences,Division of Environmental and Occupational Health,UtrechtUniversity,The Netherlands；Centre for Public Health Research,MasseyUniversity Wellington Campus,Wellington,New Zealand；University of IowaCollege of Public Health,Department of Occupational and Environmental Health,IA,USA)。
生物微生物或颗粒可以以不同的方式到达环境空气：例如，作为没有大量伴随物质的孤立颗粒；粘附在固体颗粒上，例如皮肤鳞屑、植物部分、土壤颗粒，或甚至飞沫。
飞沫传播尤其代表气源性传染病的传播的重要感染途径。在呼气、言语、呕吐、打喷嚏和咳嗽期间，唾液和呼吸道的其他液体分泌物诸如鼻腔分泌物和痰，通过雾化以飞沫的形式释放到环境中。
术语生物气溶胶旨在涵盖所有上述漂浮机制。即术语生物气溶胶应特别理解为单个生物颗粒，诸如自由漂浮的真菌孢子、粘附在其他颗粒上并随之漂浮的细菌和酵母(皮肤鳞片、灰尘、植物的部分、头发、羽毛、衣服纤维)或存在细菌或病毒的飞沫。
在本发明的优选实施方式中，待检测的气溶胶颗粒是病毒。
如本文所用的术语“病毒”优选是指只能在生物的活细胞中复制并且可以包括病毒体以及病毒颗粒的小感染原。优选地，病毒可以具有20-330nm的直径。
病毒家族的非限制性实例是腺病毒科(Adenoviridae)、沙粒病毒科(Arenaviridae)、布尼亚病毒科(Bunyaviridae)、杯状病毒科(caliciviridae)、圆环病毒科(circoviridae)、冠状病毒科(coronaviridae)、丁型肝炎病毒属(deltavirus)、长尾噬菌体科(Siphoviridae)、纤丝病毒科(filoviridae)、黄病毒科(flaviviridae)、肝去氧核糖核酸病毒科(hepadnaviridae)、肝炎病毒科(hepeviridae)、疱疹病毒科(herpesviridae)、正粘病毒科(orthomyxoviridae)、副粘病毒科(paramyxoviridae)、微RNA病毒科(picomaviridae)、痘病毒科(poxyviridae)(痘病毒)、呼肠孤病毒科(reoviridae)、逆转录病毒科(retroviridae)和弹状病毒科(rhabdoviridae)。
特别优选的是通过空气传播的病毒，并且这些病毒会导致人类、动物和植物的各种疾病，诸如水痘(chickenpox)(由水痘(varicella)-带状疱疹病毒，VZV)、普通感冒(由冠状病毒)、肺部疾病，尤其是由SARS-CoV-2病毒引起的COVID 19、在人类和动物中的流感(流感病毒)、麻疹(麻疹病毒)、风疹牛瘟(由麻疹病毒引起)或牛的呼吸系统疾病(由牛呼吸道合胞病毒BRSV引起)，或者甚至是从土壤中雾化的植物病毒。
在本发明的优选实施方式中，待检测气溶胶颗粒是细菌。所提出的方法可以检测到的细菌的大小、形状或类型差异很大。例如，细菌可以具有的直径为约0.1和700μm之间，优选约0.6和1.0μm之间。
细菌以各种外部形式存在：球形，称为球菌(微球菌(Micrococcus))，圆柱形，称为杆状(芽孢杆菌(Bacillus)，埃希菌属(Escherichia))，端部或多或少是圆形的，螺旋形(螺旋体(Spirillae)，螺旋体属(Spirochaetes))，具有柄状(柄杆菌属(Caulobacter))，具有附肢(生丝微菌属(Hyphomicrobium))，形成多细胞毛状体(显核菌属(Caryophanon)，颤藻属(Oscillatoria))，形成称为菌丝的长、分支细丝，其分支并形成称为菌丝体的丝状块(链霉菌属(Streptomycetes))，以及具有几个不规则排列的细胞的结构(宽球藻属(Pleurocapsa))。细菌也可以以聚集体存在：球体链(链球菌属(Streptococcus))、球形细胞的平面排列(碟状菌属(Merismopedia))、球体的规则三维排列(八叠球菌属(Sarcina))、杆链(链杆菌属(Streptobacillus))、封闭在管中的杆链(纤毛菌属(Leptothrix))。
特别优选的是细菌，它们经由气道传播，并导致人类、动物和植物的各种疾病，诸如结核病(由结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis))、白喉(白喉棒状杆菌(Corynebacterium diphtheriae))、猩红热、脑膜炎(由链球菌(streptococci))或肺炎(由肺炎球菌(pneumococci)，链球菌的亚种)。
在本发明的优选实施方式中，待检测的气溶胶颗粒是真菌或真菌孢子。由真菌引发的传染病也称为真菌病或真菌疾病。这些包括浅表真菌病，例如皮肤或粘膜的真菌病，以及系统性真菌病，其中真菌病原体通常经由肺进入血流。
借助于所提出的方法，可以有利地检测经由环境空气传播的真菌或真菌孢子，诸如霉菌孢子。特别地，由于预先存在的疾病(包括HIV，糖尿病)或由于使用免疫抑制药物(在自身免疫性疾病的情况下)，真菌感染对免疫系统减弱的人构成高风险。因此，连续监测真菌或真菌孢子的存在或浓度可以用于医疗领域，例如在医院，以预防继发性疾病。
在本发明的优选实施方式中，待检测气溶胶颗粒是花粉。花粉主要是在种子植物的雄蕊中形成的粉状物质，并且由花粉粒组成。花粉粒在大小、形状和表面结构上非常多样化，并且在许多情况下，可以基于这些特征分为物种或至少属。大多数花粉粒的大小在10和100微米之间。
花粉通常包含过敏性蛋白质，这是在温带气候中过敏性疾病诸如花粉症或哮喘的主要原因(Marsh，1975)。作为气溶胶颗粒，花粉可以数小时或数天在空气中扩散几公里。因此，借助于所提出的方法对环境空气中花粉浓度的常规监测可以建立早期预警系统，其能够保护潜在的濒危人群免受过敏性的过度反应。
发明人已经认识到，生物气溶胶(包括细菌、病毒、孢子或花粉)可以使用包括可调制发射器和声压检测器的光声气体传感器来可靠地检测。
可调制发射器优选指发射电磁辐射的装置。
这种辐射优选具有的波长范围在红外(IR)范围内，尤其约700纳米(nm)和10μm之间，在紫外范围内，尤其170nm和380nm之间，或者在可见光范围内(VIS)，尤其380nm和700nm之间。
特别地，选择光谱以对应于光声光谱的优选应用领域。
特别地，优选的是，待分光和/或检测的气溶胶颗粒的激发振荡对应于优选的光谱范围，该范围取决于气溶胶的成分，特别是在生物气溶胶的情况下。
花粉覆盖物中的类胡萝卜素主要在可见的蓝色范围(波长高于500nm)内吸收。蛋白质、生物大分子和核酸通常具有仅在波长低于300nm(UV范围)处吸收的发色团。病毒包膜中的蛋白质通常也会在UV范围内吸收。存在于细菌和病毒中的有机分子也特别吸收低能红外光(尤其是近红外光)。
在优选实施方式中，发射器是红外线发射器。特别优选的红外辐射波长范围为700nm至10μm，优选700nm至3μm或还700nm至1μm。
为了生成红外辐射，优选以加热元件的形式提供热能。(微)加热元件是特别优选的。微加热元件优选理解为，尺寸为微米(μm)级的加热元件。在这里，加热元件包括导电材料的可加热层，其当电流流过它时会产生焦耳热。产生的热优选取决于元件的欧姆电阻和电流的平方或施加电压的平方和反向欧姆电阻(inverse ohmic resistance)，这取决于是使用电流还是电压源。红外辐射的热源对PAS具有有利的特性，诸如宽带发射，通过宽带发射，只需一个光源就可以激发种类繁多的气体原子或分子。同时，热IR发射器特别地便宜，易于制造且耐用。
在平衡状态下，产生的热等于由于热传导、对流和热辐射(同义词：热辐射，红外辐射)引起的热损失，该热辐射在电流流过的可加热层的外边界表面发射。如本领域技术人员所知，产生的热量除了其他之外引起热辐射，尤其通过颗粒的热运动，其导致例如电荷载流子的加速和/或振荡的偶极矩。因此，红外辐射可以由载流的可加热层特异性地生成。可加热层优选由金属，例如钨或铂制成。通过施加合适的电压并产生电流、焦耳热，并且因此最终生成红外辐射。
经加热的物体的辐射光谱可以优选地通过普朗克辐射定律(Planck'sradiationlaw)来近似地描述，由此实际可加热层与黑体的差异，例如发射率或与物体热平衡的实际偏差，对于本领域技术人员是已知的。尽管存在这些偏差，但根据普朗克辐射定律，生成的光谱及其强度基本上由温度和辐射面积限定。
术语诸如基本上、大约、约等优选描述公差范围小于±20％，优选小于±10％，甚至更优选小于±5％，和尤其小于±1％。基本上、大约、约等的指示也始终公开并包括所提到的确切值。
因此，本领域技术人员可以通过精确地设计(微)加热元件来实现具有优选强度分布的优选光谱。为此，除了加热元件的材料和几何设计外，可用的电能以及加热元件的热损失幅度除了热辐射以外是优选决定性的。例如，这些热损失的幅度由以下确定：例如由加热元件与相邻材料和/或流体之间的热导率以及它们的加热能力以及一个或多个边界表面的大小。
以加热元件为形式的IR发射器特别具有成本效益和稳固性，同时发射的光谱宽度允许在PSA中检测大量气溶胶颗粒。借助于优选可调谐带通滤波器，如果需要，可以从宽发射光谱中选择较窄的光谱。
红外发射器的红外辐射也可以优选地由发射所需红外光谱范围内的发光二极管(LED)和/或激光器生成。
在优选实施方式中，发射器是VIS和/或UV发射器。特别优选的UV辐射的波长范围为170nm至380nm，同时380nm至700nm之间的优选波长范围可以由VIS发射器(在可见范围内的可见光发射器)覆盖。
特别优选地，发射的发光二极管(LED)和/或激光器可以用于VIS或UV发射器。
如今，LED可用于广泛的波长，成本低，设计紧凑。激光器优选地具有窄的发射光谱，使得优选地只有与该光谱完全匹配的气溶胶颗粒(优选生物气溶胶)的吸收线可以被激发并因此被检测。
发射器的发射优选呈光束形式，其以直线的形式以优选的方向定向。术语光束优选是指沿发射器的优选光束方向的辐射聚焦部分，其中尤其是沿该方向最强的区域来限定光束。强度优选定义为面积功率密度，并且优选具有的单位为每平方米瓦特，或缩写为W/m2。
额外的部件，诸如透镜，可以集成到发射器中或外部附接，以提供光束聚焦或准直。本领域技术人员知道如何通过设计发射器以及通过使用额外的部件来塑造辐射源的发射轮廓，以这样的方式获得期望的光束轮廓以及期望的光束方向结果。优选地，可调制发射器可以在没有额外透镜下起作用，或者可以是包括辐射源和用于准直光束的至少一个透镜的系统。
发射器是可调制的，这意指发射辐射的强度，优选光束的强度可以以可控制的方式随时间变化。调制应当优选引起强度的时间变化，作为可测量的变量。这意味着，例如，在测量时期内测得的最弱强度和同一时期内测得的最强强度之间的强度差异，大于通常用于测量或确定辐射光谱中强度的仪器的灵敏度。优选地，差值显著是最强和最弱之间的可调强度的2倍大，更优选4、6或8倍大。特别优选地，将调制光束的强度调制为一个或多个预定波长，使用该波长来选择性地激发气溶胶颗粒，优选生物气溶胶诸如细菌、病毒、孢子或花粉。
优选地，在例如热红外发射器或LED的情况下，可以通过改变电流源进行直接进行调制。这也特别容易且成本低廉。
发射器的调制也可以优选地通过外部调制实现，例如通过使用旋转斩波轮(chopper wheel)和/或电光调制器。
在优选的实施方式中，可调制发射器允许波长选择性辐射和/或波长选择性滤波器，诸如法布里–珀罗(Fabry-Perot)滤波器，其存在于可调制发射器和检测腔室之间的束路径中。
波长选择滤波器优选是可调谐的。因此，光声气体传感器可以用于检测各种气溶胶颗粒，优选生物气溶胶的存在和/或浓度，其可以在一个或多个波长下被激发以达到PAS的目的。有利地，借助于几个波长的激发也可以随着时间的推移连续发生，使得可以将激发调谐为待检测的气溶胶颗粒的波长依赖性吸收性态。
例如，波长敏感红外发射器可以是可调谐激光器和/或包括不同波长的多个激光器。
当使用可调谐滤波器时，可以尤其使用具有宽光谱的发射器，例如LED和/或就IR发射器而言的热发射器。
在优选实施方式中，可调制发射器是MEMS发射器。
MEMS技术尤其是指使用微系统技术来制造紧凑型机械电子装置的技术。可以以这种方式制造的微系统(微机电系统，简称MEMS)非常紧凑(微米范围)，同时提供卓越的功能性和更低的制造成本。
发射器本身和用于其调制的微机械结构两者都可以由MEMS技术提供。
例如，发射器强度的调制可以借助于MEMS致动器进行，MEMS致动器控制孔径结构和辐射源之间的相对运动(参见EP 3623779 A1或EP 36323780A1等)。
通过使用MEMS致动器，例如静电致动器、压电致动器、电磁致动器和/或热致动器，可以以特别快速且简单的方式实现对发射的红外辐射的强度的调制。特别地，可以实现远超过100Hz至100kHz的调制频率。这种调制频率在光声光谱法中对于提高信噪比特别有利。因此，可以将发射器的调制频率调节到更远离声音检测器诸如传声器的检测部件的固有噪声的范围。在传声器的情况下，固有噪声特别高，范围为几Hz至约100Hz。
在优选的实施方式中，分析体积表示具有一个或多个开口的开放系统，使得包括气溶胶颗粒的环境空气可以流动或扩散到分析体积中。
在优选的实施方式中，分析体积是向外封闭的或可关闭的体积(或腔室)，至少在一些区域，环境空气位于其中或可以被引入其中，例如通过一个或多个开口的形式，其也可以被设计成可以通过闭合件(closure)、阀门和/或通过供应管线的可关闭式。
分析体积因此优选是至少部分打开的。这样，可以测量包围光谱仪的气体气氛(空气)，该气体气氛至少部分进入分析体积，并且可以验证其中气溶胶颗粒的量或浓度。
有利地，在这种情况下，分析体积是明确限定的，使得可调制发射器、分析体积和声音检测器以这样的方式布置：通过发射器可调制发射的辐射可以激发分析体积中的气溶胶颗粒以形成声压波，该声压波可以借助于声压检测器来测量。
分析体积优选位于发射器的束路径中。这优选地意指光束的强度基本上或至少部分地入射到分析体积面向发射器的一侧。部分优选意指至少40％，优选至少50％、60％、70％、80％或更多。
在优选的实施方式中，发射器可以从外部引导到分析体积的优选区。如果需要通过体积的外壁进行辐射以激发内部的气溶胶颗粒，则外壁优选至少在该区中对辐射(例如IR、UV和/或VIS)基本透明。然而，发射器也可以存在于分析体积的内部。
在分析体积至少部分打开并因此优选允许与其周围环境进行永久气体交换的情况下，分析体积的填充通过与其周围环境的气体气氛的相互作用来进行。
分析体积可以优选包括样品腔室和参考腔室，它们通过连接通道连通或可连通。
在分析体积包括样品腔室和参考腔室的实施方式的情况下，可以优选将至少一个声音检测器引入至每个腔室中，以便在每个腔室中单独地测量，并因此能够排除干扰源，例如不是来源自样品腔室中吸收的辐射的外部声压波，优选在测量之后。
还可以优选的是，发射器辐照样品腔室而不是参考腔室，并且其中，在声音检测器所在的在样品腔室和参考腔室之间存在连接通道。此实施方式的特征在于特别精确的光声光谱，因为，例如，在测量和/或测量的评价期间，来自不需要的声源的声音被分解或不被包括在测量中。优选地，样品体积和参考体积可以具有基本上相同的尺寸，以便实现精确的差值测量方法。
样品体积和参考体积可以包含相同的气体。还可以优选在样品体积和参考体积中包括不同的气体，从而具有已知特性的气体存在于参考体积中，并且待分析的气体，优选环境空气存在于样品体积中。通过使用两个体积和至少一个声压检测器，可以有利地实现对误差源例如不期望的声波的改进消除，因为这些作用于两个体积并且布置在体积之间的声压检测器优选基本上只检测由气溶胶颗粒的选择性激发引起的样品体积中的声压波，其与光声光谱相关，作为样品体积和参考体积之间的差分信号。
在优选的实施方式中，光声气体传感器的特征在于，不仅传感器在MEMS技术中实施，而且整个腔(cell)，尤其包括分析体积、样品和/或参考腔室，可以以高度小型化的形式提供。优选地，气体传感器的最大尺寸小于5cm，优选地小于10mm，小于5mm或更小。
特别地，优选的，用于检测气溶胶的整个光声气体传感器是作为MEMS实施的。有利的是，这两个传感器都可以实现或直接集成到MEMS中。此外，用于形成分析体积的腔室、样品腔室和/或参考腔室可以优选地形成在多层基底中，该基底尤其指定用于制造各个部件的基材。该术语尤其面向半导体行业，其中电路由基底制造。在这种情况下，使用了半导体行业和/或MEMS制造中已知的材料和/或制造技术，由于其效率，简单性，低生产成本和适用于大批量生产而适用。
在这种情况下，可以通过完整无损的蚀刻工艺和/或物理加工技术，尤其通过去除和/或消除单个基底的区域和/或层厚度，来根据需要对基底进行加工和调整形状。多层基底尤其包括多层、优选2、3、4、5、6、7、8、9或10层或更多层的单个薄基底，其可以单独加工并且然后组装以形成气体传感器，尤其包括所述部件。
以这种方式，例如，可以形成的样品或参考腔室具有的高度为10μm至2mm、优选50μm至1mm、特别优选100μm至500μm和/或长度或宽度为100μm至10mm、优选200μm至5mm、特别优选500μm至2mm。这同时允许紧凑的设计并形成足够的体积以进行光声检测。
优选地，可以通过结合至少两个晶片形成多层基底。通过结合多层单独预处理的基底，可以轻松制造出具有优势的复杂部件的气体传感器，并且尤其是完全集成的完整气体传感器。
由预处理基底结合的结构允许复杂结构的简单生产，这些结构只能由非常复杂的单个晶圆和/或基底生产。通过这种方式，气体传感器中的腔体或腔室可以借助于结合来提供，而不必从原材料内部精心加工出来。
可以生产易于制造的气体传感器，其具有低高度以及与其他半导体元件诸如电子电路的高度兼容性。在优选实施方式中，还可以通过适当地连接基底层来实现具有集成MEMS传感器的单体腔室。单体优选意指由以下组成：一件式、连续和/或无缝或不可分割地由非常小的部件组装。
在优选实施方式中，MEMS传感器是声压检测器，其中，声压检测器优选包括电容式或光学可读式压电、压阻和/或磁性梁和/或电容、压电、压阻和/或光学传声器。
由PAS生成的声压波优选可以以各种方式检测。声压检测器是特别合适的工具。声压检测器尤其可以是压电梁。
压电梁优选为振动结构，尤其是弯曲梁的形式，其包括压电材料，例如以致动器的形式。
可以优选的是，弯曲梁是被动式的，这优选地意指它是由声压波引起的振荡。这些反过来又通过压电材料的变形来生成电压，这是基于压电效应。(直接)压电效应优选描述由相应材料制成的固体发生弹性变形时出现的电压和/或阻抗变化。例如，可以通过适当的接触来分接电压，并通过相应的电子电路读出电压。
还可以优选的是，弯曲梁是主动式的，这尤其意指它是由于逆压电效应而引起的振荡。压电效应优选地描述施加电压和/或电场时材料的变形，因此可以尤其由材料施加力。声压波可以优选地引起振动梁的阻尼的变化，这可以被测量，例如通过振动梁的共振频率的变化来测量。
由于声压波而被动振动的梁也可以优选地被读出，例如通过电容、磁性和/或压阻方法。在这里，振动可以产生电可读的变化，例如基于通过共振磁体的磁通量变化，振动和固定电极之间的电容变化和/或压阻材料中电阻的变化。
传声器优选包括振动安装的膜，它被声压波激发振动，而声压波又可以以电子方式读出，类似于上述的梁。也可以使用悬置设计的电容式、压电式和/或压阻式测量方法。
优选地，还可以使用光学传声器，由此这些振动可以优选地通过反射被转换为光信号，例如在膜上的激光束，其例如在干涉排列中被读出。
在本发明的另一优选实施方式中，MEMS传感器是电容式传声器，包括作为电极的MEMS膜以及对电极，并且其中，MEMS膜优选在至少一个方向上的最大尺寸为100μm至1500μm，尤其200至1000μm。
由于优选的无机械部件，这些实施方式的MEMS传感器特别容易和紧凑地制造，同时非常稳固。
在另一个方面，本发明涉及光声气体传感器，用于借助于所述方法来检测环境空气中的气溶胶颗粒，该光声气体传感器包括
-可调制发射器，
-与所述环境空气流体连通的分析体积
-用于检测声压波的MEMS传感器，
其中，检测腔室存在于发射器的束路径中，使得发射器可以使用可调制辐射来激发分析体积中的气溶胶颗粒以形成借助于传感器可检测到的声压波。
本领域的普通技术人员会认识到，用于检测环境空气中气溶胶的本发明方法的优选实施方式的技术特征、定义和优点也适用于光声气体传感器，并且反之亦然。
在优选的实施方式中，光声气体传感器包括控制单元，该控制单元被配置为控制发射器以选择性地激发和检测气溶胶颗粒，其中，将发射的辐射的波长调谐为待检测的气溶胶颗粒的吸收性态。
控制单元优选是适于并且被配置为接收、处理、生成和/或传输控制信号，优选测量数据的单元。控制单元优选包括用于此目的的处理器，例如微处理器。也可以使用用于数字电子控制的其他集成电路。控制单元，尤其以控制器的形式集成在发射器中，是非常紧凑并且易于操作的。
对于输入，控制单元优选具有合适的接口，例如用于与计算机连接。也可以期望的是，数据也可以经由这个接口，诸如调制频率、用于选择性激发的一个或多个波长或其他状态信息来从控制单元传输到输入装置。
使用合适的控制单元可以极大地简化光谱仪的期望使用。例如，可以在PC上设计合适的光谱信号。期望的信号经由输入模块传输到控制单元。控制单元生成驱动信号，其确保对气溶胶颗粒的选择性激发，从而将发射的辐射的波长调谐为待检测的气溶胶颗粒的吸收性态。
优选地，波长选择性发射器和/或滤波器的控制可以基于反映待检测气溶胶颗粒的光谱指纹的参考数据。控制信号可以优选地以这样的方式设置：激发发生在一个或多个波长下，在该波长下，预期会有待检测的气溶胶颗粒的明显的PAS信号。
在优选实施方式中，光声气体传感器包括数据处理单元，该数据处理单元被配置为基于对生成的声压波的测量结果的评价来确定在环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度。
数据处理单元优选是适于并且被配置为接收、传输、存储和/或处理数据，优选测量数据的单元。数据处理单元优选包括集成电路、处理器、处理器芯片、用于处理数据的微处理器或微控制器，以及数据存储器，例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或也用于存储数据的闪存。
为了对生成的声压波的测量结果进行评价并确定环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度，计算机程序可以优选地存储在数据处理装置上，其中包括执行上述步骤的命令。
数据处理单元和控制单元可以优选地使用相同的处理器。
特别地，参考数据优选在数据处理单元上可用。参考数据优选是指允许待确定的环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度的所有数据。
如上所述，这种参考数据可以优选地从校准测量中获得，其中光声气体传感器被放置在具有已知浓度的待检测气溶胶颗粒的受控体积中。通过在这种受控条件下以一个或多个波长执行PAS，可以获得待检测的气溶胶颗粒的特征PAS光谱的参考值，优选使在选择性波长处的PAS信号的振幅与气溶胶颗粒的浓度相关联。
通过将测量数据与参考数据或参考值进行比较，可以有利地确定待检测的气溶胶颗粒是否在环境空气中，并且如果是，则浓度是多少。
在本发明的上下文中，存在的确定优选意指关于测量数据是否指示在分析体积中存在气溶胶颗粒的增加的概率的陈述。优选地，这是通过在环境空气中不存在或至少不存在可测量的气溶胶颗粒的条件下，与参考数据相比，在一个或多个选择波长处测量增加的PAS信号来给出的。气溶胶颗粒的浓度优选意指关于一定体积的环境空气的气溶胶颗粒的量(例如，数量或质量)的定量陈述。这可以，但不是必需包括关于浓度绝对值的陈述，但也可以是指与参考浓度相比的相对浓度。
在优选的实施方式中，光声气体传感器可以包括信号发生器，其中，数据处理装置被配置为如果在环境空气中的气溶胶颗粒的确定浓度超过预定阈值时借助于信号发生器生成警告信号。
用于输出警告信号的信号发生器可以包括扬声器或可视显示器，以在光声气体传感器处生成即时警告。但是，信号发生器也可以将警告信号作为数字或模拟电信号传递至中央数据处理单元，以便可以基于警告信号来触发另外适合保护措施。
具体实施方式
在下文中，将借助于实例和附图更详细地解释本发明，而不是限制它们。
图1是使用病毒为实例来用于检测环境空气中气溶胶颗粒的方法的优选实施方式的示意图。
电磁辐射借助于可调制发射器生成，尤其在红外、可见光或紫外波长范围内。优选布置和配置发射器使得由发射器发出的辐射基本上入射到分析体积上。如果调制的辐射发生在与位于分析体积中病毒的吸收光谱相对应的波长处，则会发生调制的吸收，从而导致加热和冷却过程，其时间尺度反映了辐射的调制频率。特别地，病毒的蛋白质包膜可以吸收电磁辐射并导致膨胀。
根据光声效应，加热和冷却过程导致病毒组分(尤其蛋白质包膜的蛋白质)或整个病毒的膨胀和收缩，导致形成基本上具有调制频率的声压波。声压波可以通过声音检测器，例如传声器来测量。声波的功率优选与分析体积中病毒的浓度成正比。
图2图示了用根据本发明的方法可以有利地检测不同大小和类型的气溶胶颗粒。
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Claims (12)

1.一种用于检测环境空气中气溶胶颗粒的方法，包括
a.提供光声气体传感器，所述光声气体传感器包括
-可调制发射器，
-与所述环境空气流体连通的分析体积
-用于检测声压波的MEMS传感器，
其中，所述分析体积存在于所述发射器的束路径中，使得所述发射器能够使用可调制辐射来激发在所述分析体积中的气溶胶颗粒以形成借助于所述传感器可检测到的声压波，
b.用调制频率调制的辐射来辐照所述分析体积以生成声压波
c.借助于所述传感器来测量生成的声压波
d.基于测量结果来确定所述环境空气中气溶胶颗粒的存在和/或浓度，
其特征在于
所述气溶胶颗粒是生物气溶胶。
2.根据前述权利要求所述的方法
其特征在于
通过将发射的辐射的波长调谐为所述气溶胶颗粒的吸收性态来进行所述气溶胶颗粒的选择性激发和检测。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述气溶胶颗粒是花粉、孢子、细菌或病毒。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述气溶胶颗粒是生物气溶胶，优选花粉、孢子、细菌或病毒，其中，用于选择性激发的所述发射器的一个或多个波长优选选自在170nm和1000nm之间的范围。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述可调制发射器允许波长选择性辐射和/或波长选择性滤波器，例如法布里–珀罗滤波器，其存在于
所述发射器和所述分析体积之间的所述束路径中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述可调制发射器是红外发射器或UV发射器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述分析体积是具有一个或多个开口的开放系统，使得包括气溶胶颗粒的环境空气能够流动或扩散到所述分析体积中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法
其特征在于
所述MEMS传感器是声压检测器，所述声压检测器优选包括电容式或光学可读式压电、压阻和/或磁性梁和/或电容、压电、压阻和/或光学传声器。
9.一种通过根据前述权利要求中任一项所述的方法检测环境空气中气溶胶颗粒的光声气体传感器，所述光声气体传感器包括
-可调制发射器，
-与所述环境空气流体连通的分析体积
-用于检测声压波的MEMS传感器，
其中，检测腔室存在于所述发射器的束路径中，使得所述发射器能够使用可调制辐射来激发所述分析体积中的气溶胶颗粒以形成借助于所述传感器可检测到的声压波。
10.根据前述权利要求所述的光声气体传感器
其特征在于
所述光声气体传感器包括
控制单元，所述控制单元被配置为控制所述发射器以选择性地激发并检测所述气溶胶颗粒，其中，将发射的辐射的波长调谐为待检测的所述气溶胶颗粒的吸收性态。
11.根据前述权利要求9或10中任一项所述的光声气体传感器
其特征在于
所述光声气体传感器包括
数据处理单元，所述数据处理单元被配置为基于对生成的声压波的测量结果的评价来确定在所述环境空气中所述气溶胶颗粒的存在和/或浓度。
12.根据前述权利要求9-11中任一项所述的光声气体传感器，
其特征在于
所述光声气体传感器包括信号发生器，所述数据处理意指被配置为如果在所述环境空气中的所述气溶胶颗粒的检测浓度超过预定阈值时借助于所述信号发生器生成警告信号。
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