CN1726387A - 空气传播病原体探测器系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种病原体探测器具有用于容纳环境空气的样品区，在样品区的一侧上具有一个光源，用于将一束准直光束导向通过样品空气从而使光束的一部分被空气中存在的任意粒子散射，而剩余部分保持不被散射，在样品区的相对侧上具有一个光束阻挡器件，用于至少阻挡光束中未被散射的部分并将至少部分的未被散射光导向到探测器。该探测器产生输出脉冲，其中每个脉冲的高度与粒子尺寸成比例，并且脉冲高度鉴别器在给定的时刻从探测器输出中获得空气样品中被探测空气传播粒子的尺寸分布。如果大约为1－7um的预定病原体尺寸范围内的粒子数目超过了预定的正常水平，则激发警报器报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种病原体探测器系统和方法。
背景技术
城市恐怖主义攻击目前已经成为了一个现实的关注，它包括释放生物战制剂(biological warfare agent)例如炭疽杆菌(炭疽热)。武器化的炭疽孢子是极度危险的，因为它们能够进入人类的肺部。炭疽孢子对于人类的致死吸入剂量，LD50(足以杀死50％感染者的致死剂量)，估计为2,500-50,000个孢子(见T.V.Inglesby，et al.，“Anthrax as aBiological Weapon”，JAMA，vol.281，page1735，1999)。其它的潜在武器化生物制剂是耶尔森氏鼠疫杆菌(yersinia pestis)(鼠疫)、肉毒梭状芽孢杆菌(clostidium botulinum)(食物中毒)和土拉热杆菌(francisella tularensis)。考虑到这一潜在的威胁，现在需要一种早期预警系统以探测这种攻击。在这个方面，还没有足够灵敏、价格低廉和足够坚固能够在旷野使用的探测设备或系统，用于探测空气传播的病原体。
激光粒子计数器是人们已知的，其中激光光束被导向通过样品，随后探测和分析通过样品的光从而探测从样品中的粒子散射的光。现有已设计用于探测散射光的探测器或粒子计数器的一个问题是，散射信号必须从入射照明光源信号中提取出来。这涉及从非常杂乱的背景中(来自激光源的强光)探测(从小粒子反射的)微弱信号。这个特征长久以来导致了激光粒子计数器装置的主要困难。传统设计的激光粒子计数器采用昂贵而精致的装置来降低激光照明源的强光和在大背景噪音下测量粒子散射，这使得计数器脆弱而昂贵。目前，传统设计的激光粒子计数器脆弱而昂贵，不适合于本应用。用于激光粒子计数器的传统技术包括激光多普勒方法(laser Doppler method)，其测量粒子的速度并推导尺寸信息，瞬时方法，其测量粒子通过感测区域所需的时间和大角度多传感器设计，其只能够测量小粒子。T.H.Jeys等(Proc.IRISActive Systems，vol.1，p.235，1998)描述了一种生物传感器，其是基于使用脉冲UV激光器的激光诱发荧光。其能够探测的悬浮粒子浓度为每升空气5个粒子，但是要求昂贵而精致装置。其他的粒子计数器是由Met One Instrument有限公司(Grants Pass，Oregon)，ParticleMeasurement Systems有限公司(Boulder，Colorado)和Terra Universal公司(Anaheim，California)制造的。由于他们的设计，这些粒子计数器配置要求精确的光学对准，以及精密复杂的传感器和电子元件。这些产品适合于实验室使用，单个单元的成本达数千美元。因此，它们不适合于用作旷野使用的探测器，它们的设计也不是专门用来探测生物武器制剂。
已经设计出了多种探测器，用于探测空气传播的过敏原粒子，并且当空气样品中的粒子数目超过了预定的最小值时向敏感的个人发出警报。这些在美国专利Nos.5,646,597、5,969,622、5,986,555、6,008,729和6,087,947中有说明，这些专利均授予了Hanburger等。这些探测器都包括将光导向通过一个环境空气样品，从而光束的一部分被空气中的任何粒子散射，一个光束阻挡器件只透过以相应于预定过敏源尺寸范围的预定角度范围散射的光，和一个探测器用于探测透射光。如果探测器探测到的光高于预定的水平则会触发报警。尽管这些设备足以根据所存在的过敏源粒子提供报警指示，但是它们并不适合于在旷野中使用，而且也不满足用于探测生物武器制剂的病原体探测器的更严格的要求。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种新的、改良的病原体探测器系统和方法，用于探测空气传播的病原体或空气传播的生物制剂。
根据本发明的一个方面，提供了一种病原体探测器系统，其包括一个外罩，其具有用于容纳环境空气的样品区，一个光源，用于将聚焦光束导向通过样品空气，借此部分光束被样品区中存在的各种尺寸的粒子以各种角度散射，而光束未被散射的部分保持不被散射，一个光束阻挡器件，用于阻挡至少一部分未被散射的光束并沿着光路导向至少部分的散射光，一个探测器，其位于光束阻挡器件后面的光路中，用于探测被光束阻挡器件导向到探测器上的光，并产生输出脉冲，其中每个脉冲的高度与粒子的尺寸成比例，一个脉冲高度鉴别器，用于在给定的时间获得空气样品中空气传播粒子的尺寸分布，和一个报警单元，如果大约1-7微米的预定病原体尺寸范围内的粒子数目过多则发出报警信号。
在本发明的一个示例性实施例中，脉冲高度鉴别器的输出端与一个处理单元相连，该单元在给定的时间根据每个脉冲的高度处理粒子的尺寸分布，产生空气传播粒子尺寸分布的直方图，并在输出设备上显示该直方图。鉴别器可以包括用于测量输入脉冲高度的峰值探测器，和一个比较器以及一个用于记录每个脉冲高度中脉冲数目的寄存器。然后，各个脉冲高度被转换成粒子的尺寸，并且粒子尺寸分布的直方图显示在合适的显示单元上，例如LED或液晶显示器或者计算机屏幕。
还可以提供一个报警器件，如果特定粒子尺寸范围内的脉冲数目超过了预定的正常背景值，则可以产生可听和/或可视的报警信号。尺寸范围在1μm-7μm的空气传播粒子数目的任何突然和局部的增加都通常意味着蓄意释放了恶意的生物制剂。
在本发明的一个示例性实施例中，在光束阻挡器的上面或前面设置一个反射器，用于部分地反射入射光束中未被散射的部分，并设置一个第二光电探测器，用于探测从反射器反射的光。光电探测器的功能是监视光源的输出，该光源可以是一个激光二极管。这允许装置进行自校准。粒子尺寸的测量依赖于电脉冲高度的测量，因此要着重考虑激光二极管功率输出的任何波动。第一探测器的电脉冲信号可以除以第二探测器的监视信号，以便保证结果不会受到任何激光器功率变化的影响。同时要监视第二光电探测器的输出以便指示激光二极管的性能。当第二光电探测器的信号降低到预定水平之下时，例如起始功率水平的50％，发出“激光功率过低”报警，以发出维护报警。
在样品区和光束阻挡器件之间可以提供一个透明隔离载玻片(transparent partition slide)。该载玻片的目的是防止灰尘或其他的环境污染物到达光学元件和光电探测器。当系统在苛刻的旷野应用条件下使用时，这是特别有益的。当载玻片变得非常脏以至不能透过足够光的时候就要加以更换，该条件由第二光电探测器加以确定。因此，激光功率报警可能指示激光二极管损失了功率，或者载玻片变得太脏。中等脏的隔离载玻片不会影响粒子探测的准确度，因为它会同时降低未散射光束部分和散射光束的光强度，而记录的是这两个信号的比值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种探测空气传播病原体的方法，其包括如下步骤：
将光束导向通过环境空气样品，从而光束的第一部分被样品中存在的粒子散射，第二部分保持不被散射；
接收通过空气样品的两部分光束，并将两部分光束导向到光束阻挡器件；
在光束阻挡器件至少阻挡光束的第二部分，并将光束第一部分的至少一部分导向到第一探测器；
测量第一探测器电脉冲输出的脉冲高度；
以预定的时间间隔计数每个脉冲高度的脉冲数目；
将脉冲高度转换成粒子尺寸；
计数相应于每个粒子尺寸的脉冲数目；和
如果在相应于病原体尺寸粒子的预定尺寸范围内探测到的脉冲数目过多，则产生报警信号。
如上所述，空气传播的、武器化病原体或生物制剂的尺寸范围是大约1μm-7μm。相同的方法可选择地用于探测其他有害的空气传播物质，例如铍或石棉灰尘。环境空气连续地吹过样品区，从而不断监视环境空气中病原体尺寸粒子数目的变化。显然，在所监视尺寸范围内有同样低水平的无害粒子，但是该特殊尺寸范围内粒子数目的突然增加还是会表明空气传播病原体被蓄意地或者偶然地释放。
在本发明的一个示例性实施例中，有关每个粒子尺寸脉冲数目的数据被转换成所探测粒子尺寸分布的直方图。然后可以和已知的生物制剂粒子尺寸分布进行比较，如果探得的分布与已知的生物制剂粒子尺寸分布相匹配，则发出报警。该尺寸分布也可以用于鉴别被探测的特殊生物制剂，和提供用于鉴别生产武器化生物制剂制造过程的法医工具(forensic tool)。
本发明的病原体探测器系统和方法能够用于探测空气传播生物武器制剂或者其他有害物质的存在。光束阻挡器件会挡住未被散射的入射激光束，有效地消除由光源导致的背景噪音，然后探测被空气样品中的粒子散射的光的角度分布和强度，将探测器的输出转换成粒子尺寸分布直方图，并且如果直方图表明在预定的空气传播病原体尺寸范围内有不正常的大量粒子则发出报警信号。该探测器系统灵敏、价格低廉并且足够坚固能够用于旷野应用。尽管本系统不需要探测病原体的确切种类，但是它能够对生物制剂袭击提供灵敏而廉价的有效早期报警。它还能够用于为其它有害的空气传播粒子提供早期报警，这些粒子可能导致肺部痛苦(pulmonary distress)，例如石棉和铍灰尘。
附图说明
联系附图阅读下面的本发明示例性实施例详细说明将对本发明具有更好的理解，附图中相似的指代数字表示相似的部分，其中：
图1是根据本发明一个示例性实施例的空气传播病原体探测器系统光学部分的示意性框图；
图2是图解入射光Mie散射截面(Mie scattering cross-section)与空气传播粒子尺寸之间关系的简图；
图3根据本发明一个示例性实施例的病原体探测器系统的框图，其具有图1的光学系统；
图4是脉冲高度测量结果和显示电路的框图；
图5是图4中电路模拟-数字转换部分的示意图；
图5A是图解在电路中各个点处形成的脉冲波的简图；和
图6图解了图3和4中的系统在如下条件下显示的示例性输出直方图，其中病原体尺寸粒子计数超过了预定的数目，触发了报警条件。
具体实施方式
图1和3-5图解了根据本发明一个示例性实施例的空气传播病原体探测器系统，而图6图解了该系统的示例性输出。术语“病原体”在本文中是指任何当在空气中存在足够的量时能够潜在伤害甚至杀死暴露于该粒子的人类的空气传播粒子。本系统特别适合于探测由恐怖分子或其他人蓄意释放的空气传播生物恐怖制剂(bio-terrorist agent)，同时也可以在民用领域中使用，用于探测有害水平的其它空气传播粒子，其可能是偶然释放的，例如石棉或铍灰尘。
本探测器系统设计用于探测特定尺寸范围的空气传播粒子，输出表示样品中被探测范围内每个尺寸的粒子数目，并且如果粒子数目超过了高于正常背景水平的预定数值则产生报警信号。如图1和3所示，本系统基本上包括光学单元10，激光器二极管或其他光源12，其将光束导向到光学单元，第一光电探测器14，其位于光学单元的输出端用于探测透过该单元的光，第二光电探测器16，其用于探测激光器二极管的光输出，微分放大器18，其用光电探测器14的输出除以光电探测器16的输出，放大器20，其连接于微分放大器18的输出端，模拟数字转换器22，窗口比较电路24，和连接电路24输出端的控制和输出显示单元。低信号探测电路26连接光电探测器16的输出端，探测激光器二极管的功率，并且电路26的输出端还连接控制单元25。报警器件28也连接计算机25。
下面参考图1详细说明本系统的光学部分10。该部分与Hamburger等的美国专利Nos.5,986,555和6,087,947中的光学系统相似，本文引用其内容作为参考。该光学系统包含在外罩30内，该外罩可以是管形或其他形状。光源12将准直激光束32导向通过外罩内的空气样品区34。当准直光束撞击空气样品中的粒子35时，一部分光束被折射或散射，折射角度取决于粒子的尺寸。因此光束的散射部分36代表空气样品中粒子的存在。环境空气通过风扇单元37沿着图1所示的箭头恒定地吹过样品区34，方法与上面参考的专利相同。
透镜38位于外罩内，在离开样品区的光束未被散射和散射部分的路径上。透镜38具有一个被设计用于吸收光的中心阻挡元件(central blocking member)40，其具有预定的直径。在示例性实施例中，阻挡元件40是一个附着在透镜38前方的黑乙烯片，尽管也可选择使用其他的光束阻挡器件。元件40的直径使得至少聚焦光束的未被散射部分被阻挡，并且不能进一步传播通过单元10。圆形阻挡元件40的直径可以为大约2mm。也可以设计成大于未聚焦光束的直径，从而它能够阻挡未被散射的光和被大于预定尺寸的粒子散射的光，例如50微米。如果期望的话，甚至可以使用更大的阻挡元件以进一步消除被小于50微米的粒子散射的光。该透镜还可以具有一个光阻挡材料圆环(未显示)，其围绕该中心阻挡元件40，如例如上面参考的美国专利No.6,087,947中说明的。这能够阻挡被小于预定最小值的粒子散射的光。然而，透镜和外周直径可以选择地设计成使被这样的粒子散射光不能透过。
在上面讨论的先前专利中，包括透镜38和光束阻挡元件40(以及环形光束阻挡环，如果存在的话)的光束阻挡器件被设计成阻挡被超过5-50微米的预定过敏源粒子尺寸范围的粒子散射的光透过。然而，本装置致力于探测不同尺寸范围的粒子，特别是空气传播生物武器制剂或有害灰尘。因为这些粒子的尺寸可以小到0.5μm，所以透镜38、外罩30和光束阻挡元件40具有预定的尺寸，从而能够阻挡被超出0.5μm-50μm尺寸范围的粒子散射的光，同时被0.5μm-50μm尺寸范围内的粒子传送的光束部分42能够透过围绕阻挡元件40的透镜环形部分。应当理解，如果期望的话，可以改变阻挡元件的尺寸以进一步限制透过透镜38的光束部分。
除了聚焦光束32之外，光源12还会从其表面产生一定量的噪音。这些噪音通过透镜38聚焦在第二透镜44中心处的圆形阻挡元件45上，从而被阻挡不能到达探测器14。然而，透过透镜38的光束散射部分被透镜44聚焦在探测器14上，如图1所示。圆形阻挡元件45可以和阻挡元件40相同。
光学单元10与前述两个专利中说明的光学单元在如下两个方面不同。首先，在光束阻挡元件40上面或前方设置一个反射器46。该反射器可以是倾斜的反射镜或者涂布的棱镜装置。该反射镜被设计用于将未被散射的入射激光束反射到第二或监视光电探测器16。其次，在样品区34和光束阻挡器件38、40之间设置一个透明隔离载玻片47。该载玻片的目的是阻挡灰尘或其他环境污染物到达光学元件和光电探测器。当在苛刻的旷野条件中使用该系统时，这是特别有益的。载玻片可除去地安装在外罩内，从而当它变得太脏以至不能透过足够的光时可以加以更换，该情况由第二光电探测器确定。因此，激光器功率报警或者表明激光器二极管丧失了功率，或者表明载玻片变得太脏。中等脏的隔离载玻片不会影响粒子探测的准确度，因为它会同时降低光束未被散射部分和散射光束的强度，而记录的是这两个信号的比值。
尽管图解实施例中的光束“阻挡”器件是具有中心阻挡区域的透镜，但选择地还可具有一个外阻挡环，从而只有以预定角度范围散射的光才会透射到透镜，可选择实施例中的阻挡器件可以是一个凹面镜，其具有一个如上的中心光吸收光阻挡器或者一个具有预定直径的中心开口。该实例中的探测器14被设置用于探测从凹面镜反射的光，如Hamburger等在美国专利No.6,008,729中说明的，本文引用其内容作为参考。仍然以和图1所示完全相同的方式使用角度反射镜或棱镜，以便将光束未被散射的部分导向到第二探测器。
本系统是基于Mie散射的原理，即光被尺寸与光波长相当的粒子散射。在Mie散射域内，散射光的角度分布和强度都强烈地依赖于粒子的尺寸和形状。Mie散射的特征是如下几个性质：1)散射光集中在前向方向；2)散射光强度的角度分布对散射粒子的尺寸高度敏感；3)粒子的散射截面与粒子尺寸成比例，呈单调但复杂的关系。使用可见光，例如波长0.67μm的可见光激光器二极管输出光束，Mie散射方法完美地适合于探测和表征微米尺寸范围内的空气传播粒子。Mie散射截面与粒子半径的关系如图2所示。
本系统的光学单元10利用如下的原理，即散射角与粒子尺寸成比例，以便用光束阻挡器件36消除预定范围之外的光散射，该器件位于通过样品的光的光路上。系统的其余部分被设计用于通过识别在探测器14探测到的不同高度的脉冲探测样品中的粒子尺寸分布，因为粒子散射截面与粒子尺寸呈单调但复杂的比例关系，如上所述及图2所示。因此，探测器14输出的电脉冲的高度取决于粒子尺寸。
探测器14的输出端与微分放大器18的一个输入端相连，如图3所示，而探测器16的输出端(其相应于激光器二极管输出端)连接放大器18的另一个输入端，这些信号的比值从放大器18输出。图4是脉冲高度测量电路的框图，构成本发明示例性实施例中的转换单元22、窗口比较单元24和显示器25，而图5是更详细图解数字转换器的示意图。光电探测器的输出是一系列模拟脉冲的脉冲信号，例如图4所示的信号60，每个脉冲代表被空气样品中的粒子散射的光，脉冲的高度与粒子尺寸成比例。光电探测器的每个输入脉冲通过高通纤维62(high pass filter)，以便消除DC背景，然后通过缓冲器64到达峰值探测器65，其测量输入脉冲的高度。峰值探测器65的输出是一系列携带脉冲高度信息的恒定电压水平脉冲。合适的模拟数字转换器和峰值探测器电路的一个实例在图5中有更详细的说明，图5A图解了电路中各个点的脉冲输出。图5A的输出信号“峰输出”被发送到窗口比较单元用于分类。图5A中图解的其他脉冲是定时和使能(enabling)信号，告诉窗口比较单元获取和存储读数。
窗口比较单元具有一系列的窗口比较器66(例如在图4中标记为1-10)，每一个都被设计用于探测预定电压范围(窗口电压)内的脉冲。只有当输入脉冲高度在其窗口电压(例如对于比较器#5是5mV-7.5mV)内时，每个窗口比较器66才会发送一个信号到其相关的数字转换器68。计数器68的输出端连接显示面板70，其显示每个粒子尺寸箱(bin)内粒子的数目。这样，输出显示单元25可以包括由发光二极管(LED)阵列点亮的条状图，根据相关计数器的输入依次为每个粒子尺寸点亮LED，产生一个粒子尺寸分布的直方图。条状图可以为不同的粒子尺寸呈现不同的颜色。输出端还可以或者选择地连接计算机，其被编程在其显示屏上显示粒子尺寸分布的直方图。
窗口比较单元24具有多个比较器66和计数器或箱(bin)68，用于计数相应于目标范围内的粒子尺寸的脉冲。在图4中，显示了10个这样的箱。然而，可以以0.5微米的间隔为1-7微米的粒子尺寸提供14个箱。如果需要更小或更大的尺寸范围，例如1-5μm的更有限病原体尺寸范围，则可以提供更少或更多数目的比较器和计数器。图6图解了粒子尺寸分布直方图的一个实例。尽管这表示的是1-19μm微米范围内的分布，但是应当理解，控制单元也可以被如上所述地编程显示更小的1-7μm范围上的粒子尺寸分布直方图。控制单元25的输出端还可以连接一个可视和/或可听报警器件28，例如外罩前面的报警灯和蜂鸣器等。
可以用任何合适的软件生成输出显示直方图，例如能够从德克萨斯奥斯汀国家仪器公司(National Instruments Corporation of Austin，Texas)获得的LabView软件。如果相应于病原体或生物制剂粒子尺寸的尺寸范围的计数超过了正常环境水平之上的预定水平，该软件还可用于产生一个输出来激发可听报警器28。这有助于减少或者甚至消除错误报警。计算机的输出还可用于触发更精细的生物制剂探测设备，例如基于PCR的炭疽探测装置。该组合探测方案成本效率高，并可进一步降低错误报警的危险。
在一种修正布置中，空气传播粒子尺寸分布的直方图可以和已知的武器化生物制剂进行比较，因为这些制剂的处理程序已知具有一个特征尺寸分布(signature size distribution)，其对于本处理中使用的机器而言是唯一的。因此，本发明的探测器系统能够根据生物制剂制造商的可能来源产生法医信息(forensic information)。
如上所述，恐怖主义袭击中最可能使用的生物制剂的尺寸范围是1-7μm。下面的表1显示了A类生物恐怖主义制剂的特征，由疾病控制中心确定：
表1
A类生物恐怖主义制剂
| 制剂 | 尺寸特征 |
| 炭疽杆菌 | 棒状：宽1.0-1.2μm长3.0-5.0μm(孢子1.0×1.5μm) |
| 耶尔森氏鼠疫杆菌(鼠疫) | 椭圆形1.0-2.0μm |
| 肉毒梭状芽孢杆菌 | 棒状：宽0.8-1.3μm长4.4-8.6μm |
| 土拉热杆菌 | 棒状：宽0.2μm，长0.7μm |
自然情况下，尺寸范围为1μm-7μm的空气传播粒子在环境空气中只有非常小而恒定的浓度。大城市区中雾的粒子尺寸范围以及局部灰尘源的突然增加，其峰值分别在0.3μm和5μm。在花季期间空气中还能够存在花粉和其他过敏源，过敏源粒子的尺寸范围是5-50μm。因此，这些自然存在的空气传播粒子中没有一个处于武器化生物制剂(1-7μm)的典型尺寸范围内。因此，本发明的探测器系统被设计用于探测该特殊尺寸范围中的粒子，并以0.5μm的间隔产生代表所探测粒子尺寸范围的输出。该尺寸范围内空气传播粒子数目的任何突然而局部的增加最有可能是蓄意释放敌对生物制剂或病原体的信号。本系统能够设置成探测和保存目标尺寸范围内粒子的自然背景水平，然后使用它作为随后输出的直方图的比较标准，以便当探测到有突然增加时触发报警。图6的粒子尺寸分布直方图表示一种可能的危险情况，其中在1-7μm尺寸范围内探测的粒子数目超过了正常水平。
尽管本发明的病原体探测器系统并不鉴别病原体的特殊物种，但它能够用作灵敏而廉价的空气传播生物制剂袭击的报警器，因为在正常气象条件下，目标范围内空气传播粒子的数目相对稀少。该范围内任何粒子都能够穿透人的肺脏，潜在地危害或者甚至杀死吸入它们的人。该报警器警告附近的个人立即撤离该区域，减少对这些制剂的暴露。
相同的探测器系统和方法也能够用于探测生产设备(manufacturing facilities)中潜在有害灰尘的危险水平。有害石棉纤维的尺寸范围是5μm，典型的长度为5μm或者更长，直径为1-2μm。当被吸入肺内时，铍灰尘也是有害的，这种情况在它们的尺寸处于1-5μm范围内时发生。本发明的探测器系统能够安装在含有石棉的楼房内，或者当工人在这种楼房内工作时，当探测到1-5μm范围内出现不正常峰值时，提供报警信号，其可能表明空气中存在有害水平的石棉纤维。类似地，当工人在加工铍部件时，在附近可以使用本探测器，从而当1-5μm尺寸范围的粒子数目突然增加时，提供报警信号，表明可能存在有害水平的铍灰尘。即使探测器不能区分石棉或铍灰尘与相同尺寸范围内无害的粒子，但是当加工石棉或铍时，该尺寸范围内测得的粒子水平的任何突然增加都表明，发生了潜在的有害情况，需要撤离该区域并进行进一步测试。
在上述探测器系统中，使用了二级探测和鉴别处理，系统的光学部分10首先消除以相应于目标粒子尺寸范围的预定角度范围之外的角度散射的光。随后，根据脉冲高度区分探测到的输出脉冲，每个高度的脉冲数目被计数并转换成0.5μm之内的粒子尺寸，结果显示成直方图，以合适的时间间隔产生一个新的直方图，从而图解变化的粒子分布条件。然而，除了显示粒子尺寸分布直方图之外，本探测器装置的光学部分可以选择地布置成只把相应于1-7μm粒子尺寸范围的散射光信号部分导向到探测器14，而系统的其余部分被布置成，如果探测器的输出超过了预定的阈值水平则发出报警信号。这能够提供精度较小的输出，并且不对探测尺寸范围内的粒子尺寸进行任何区分，但仍然能够给出相对准确的报警，提示存在不正常大量的相应于已知空气传播病原体的尺寸范围的粒子。图1的光学组件10只需要修改成提供更大的中心阻挡区域，就能够阻挡被尺寸大于7μm的粒子散射的光，输出电路能够被修改成在探测器的输出端提供阈值水平鉴别器，并且如果探测到的信号超过了所选的阈值则从鉴别器提供输出信号触发报警。
本发明的病原体探测器能够用在各种领域中。它可以实现作为野外个人用便携、手持式探测器。这种情况下，外罩容纳光学单元以及计数空气传播病原体范围内粒子的电路，并且具有一个为每种粒子尺寸显示当前粒子计数的LED。还可以包括一个可听报警器和一个表示激光器低功率状况的报警灯。这种情况下，探测器用电池供电。在办公楼等内还可以提供孤立式(stand alone)、台式类型。这与野外类型相似，但可以通过AC/DC变换器用标准墙壁电插座供电。在后一种情况下，探测器致力于保护办公桌上装置内的被生物制剂污染的信件或包裹。
本探测器可以是楼房安全复杂系统的一部分，该系统包括大量位于不同房间并与中央监视计算机或控制站连接的探测器。该控制站能够被编程监视每个房间的粒子计数，并分析病原体尺寸粒子不正常增加的来源，和预测楼房内潜在扩散的模式。在更大的楼房复合体中，例如军事基地或城市街区，可以使用更大的网格系统(grid system)。探测器可以具有无线电发射器，用于向中央控制站发射数据，中央控制站也能够分析探测到的潜在生物制剂粒子增加和任何生物制剂羽烟(plume)潜在扩散的来源。
本发明的病原体探测器系统和方法结构紧凑、价格低廉，并能够作为一个坚固的手持式单元，用于早期警告存在潜在的有害病原体，例如空气传播生物武器制剂或有害灰尘如石棉纤维或铍灰尘。尽管该系统不需要指出确切的病原体，但是它确实能够立即提供潜在有害病原体的指示和报警，以撤离和对该区域进行消毒。此外，如上所述，粒子尺寸分布的直方图足以表明生物危险的类型甚至其潜在的来源。
尽管上面只作为实例说明了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员能够理解，可以对所公开的实施例进行修改而不背离本发明的范围，该范围由附属权利要求限定。
Claims (21)
1.一种病原体探测器系统，包括：
外罩，其具有一个样品区用于容纳环境空气；
光源，其位于样品区的一侧上用于将聚焦光束导向通过样品空气，借此部分光束被样品区中存在的各种尺寸的粒子以各种角度散射，光束未被散射的部分保持不被散射；
光束阻挡器件，其位于样品区的相对侧用于至少阻挡光束中未被散射的部分，并将至少一部分未被散射的光沿着光路导向；
探测器，其布置在光束阻挡器件之后的光路中用于探测被光束阻挡器件导向到探测器上的光束，并产生输出脉冲，其中每个脉冲的高度与粒子尺寸成比例；
脉冲高度鉴别器，用于在给定的时间获得空气样品中被探测空气传播粒子的尺寸分布；和
报警单元，如果大约1-7μm的预定病原体尺寸范围的粒子数目超过了预定的正常水平，则发出报警信号。
2.根据权利要求1的系统，包括一个处理单元，其连接于脉冲高度鉴别器的输出端，用于在给定时间根据每个脉冲的高度处理粒子尺寸分布，产生空气传播粒子尺寸分布的直方图，和在输出设备上显示直方图。
3.根据权利要求1的系统，包括一个反射器，其被布置在光束阻挡器件的前面位于光束未被散射部分的路径上，用于沿着第二光路反射至少一部分未被散射的光，和一个第二光电探测器，其被布置用于探测从反射器反射的光。
4.根据权利要求3的系统，包括一个功率监视器，其连接第二光电探测器的输出端用于探测光源输出功率的降低，和一个报警器件，其连接功率监视器用于在光源功率降低到低于预定水平时产生报警信号。
5.根据权利要求3的系统，包括一个微分放大器，其连接两个光电探测器的输出端用于将第一光电探测器的输出除以第二光电探测器的输出，该微分放大器的输出端连接脉冲高度鉴别器。
6.根据权利要求1的系统，包括一个透明隔离载玻片，其位于样品区和光束阻挡器件之间。
7.根据权利要求6的系统，其中隔离载玻片被可除去地安装在外罩内。
8.根据权利要求1的系统，其中如果大约1-5μm尺寸范围内的被探测粒子的数目超过了预定的水平，则报警单元产生报警信号。
9、一种探测器装置，用于在环境空气中探测尺寸范围在大约1-7μm的病原体粒子，包括：
光源，用于将聚焦光束导向通过环境空气样品，借此所述光束的第一部分保持不被散射而所述光束的第二部分被空气样品中存在的各种尺寸的粒子以各种角度散射，该散射角度和散射截面取决于粒子尺寸；
光束分离器件，用于将光束的预定部分与光束的其余部分分离，该预定部分相应于被预定尺寸范围的粒子散射的光，并沿着光路导向光束被分离的部分；
探测器，其位于光路内用于探测光束的所述分离部分，并产生相应的输出信号，包括有关光路中预定尺寸范围内的粒子数目的信息；和
控制单元，其连接探测器的输出端，如果探测到的大约1-7μm的尺寸范围内的粒子数目超过了预定的数值，则产生报警信号。
10.根据权利要求9的系统，包括一个脉冲高度鉴别器，其连接于探测器的输出端，用于根据脉冲高度分离和计数探测器的输出脉冲，一个处理单元，其连接于脉冲高度鉴别器的输出端，用于在给定时间根据每个脉冲的高度处理粒子尺寸分布，并产生包括空气传播粒子尺寸分布的直方图的输出，和一个显示器，其连接于处理单元的输出端，用于显示粒子尺寸分布直方图。
11.根据权利要求9的系统，包括一个反射器，其被布置在光束分离器件的前面位于光束未被散射部分的路径上，用于沿着第二光路反射未被散射部分的至少一部分，和一个第二光电探测器，其布置用于探测从反射器反射的光。
12.根据权利要求11的系统，包括一个功率监视器，其连接第二光电探测器的输出端用于探测光源输出功率的降低，和一个报警器件，其连接功率监视器用于在光源功率降低到低于预定水平时产生报警信号。
13.根据权利要求11的系统，包括一个微分放大器，其连接两个光电探测器的输出端用于将第一光电探测器的输出除以第二光电探测器的输出，该微分放大器的输出端连接脉冲高度鉴别器。
14.根据权利要求9的系统，包括一个透明隔离载玻片，其位于样品区和光束阻挡器件之间。
15.一种探测空气传播病原体的方法，包括如下步骤：
将光束导向通过环境空气样品，从而光束的第一部分被样品中存在的粒子散射，第二部分保持不被散射；
接收通过空气样品的两部分光束，并将两部分光束导向到光束阻挡器件；
在光束阻挡器件至少阻挡光束的第二部分，并将光束第一部分的至少一部分导向到第一探测器；
测量第一探测器电脉冲输出的脉冲高度；
以预定的时间间隔计数每个脉冲高度的脉冲数目；
将脉冲高度转换成粒子尺寸；和
如果在相应于病原体尺寸粒子的预定尺寸范围内探测到的脉冲数目过多，则产生报警信号。
16.根据权利要求15的方法，其中预定尺寸范围为大约1μm-7μm。
17.根据权利要求15的方法，进一步包括如下步骤：将每个粒子尺寸的脉冲数目数据转换成被探测粒子尺寸分布的直方图，在输出显示设备上显示该直方图，和以预定的时间间隔为新的空气样品重复该转换和显示步骤。
18.根据权利要求17的方法，包括如下步骤：将该直方图与已知的生物制剂粒子尺寸分布进行比较，如果探测到的分布与任何已知的生物制剂粒子尺寸分布相匹配则触发报警。
19.根据权利要求15的方法，进一步包括如下步骤：吹拂空气连续地通过样品区以监视周围区域内条件的变化。
20.根据权利要求15的方法，进一步包括如下步骤：将光束第二部分的至少一部分反射到第二探测器，将第二探测器的输出端连接到一个功率监视器，用于探测光源输出功率的降低，并且当光源功率降低到低于预定水平时产生报警信号。
21.根据权利要求15的方法，进一步包括如下步骤：在样品区和光束阻挡器件之间放置一个透明隔离载玻片，以防止灰尘进入光学组件。
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