DE69835663T2

DE69835663T2 - Verfahren zur Online-Analyse von in Aerosolen befindlichen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE69835663T2
Application number: DE69835663T
Authority: DE
Inventors: Israel Schechter
Original assignee: GreenVision Systems Ltd
Current assignee: GreenVision Systems Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2018-01-10
Also published as: EP0956497A1; ATE337545T1; WO1998033058A1; IL123017A; US5880830A; EP0956497A4; IL123017A0; EP0956497B1; DE69835663D1; AU6131398A

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die chemische Analyse und insbesondere ein Verfahren für die Online-Erfassung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) und anderen Fluoreszenz-Kontaminanten in Aerosolen
PAH befinden sich unter vielen organischen Materialien, die geläufig als Spurenmengen-Umgebungskontaminanten in Abwässern angetroffen werden, die mit einer unvollständigen Verbrennung, Pyrolyse und anderen Wärmeverfallverfahren verknüpft sind. Die PAH-Familie, die so definiert ist, dass sie Kohlenwasserstoffarten mit drei oder mehreren kondensierten aromatischen Ringen enthält, schließt viele Verbindungen ein, von denen der Verdacht besteht, dass sie mögliche Krebserreger sind. Daher ist die Identifizierung und Bestimmung der Emissionspegel von PAH-Verbindungen in der Beurteilung einer Umgebung wichtig. Außerdem ist die Emissions-Überwachung von PAH-Verbindungen ebenso von bedeutender industrieller Bedeutung, da mehrere industrielle Verfahren durch eine schnelle Rückführung der PAH-Zusammensetzung und -Konzentration gesteuert werden können.
Mehrere Verfahren wie beispielsweise die Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC-MS) wurden entwickelt und angewandt, um eine Verbindungs-spezifische Information zur Beurteilung der PAH-Verschmutzung zu erhalten. Diese Verfahren können nicht direkt an eine Partikel-PAH-Analyse angewandt werden, da sie alle mehrere Probenvorbereitungsschritte beinhalten, in denen die Partikeln zerstört werden. Insbesondere sind die GC-MC-Verfahren kompliziert und teuer; sie erfordern eine Hochvakuum-Ausstattung aus dem Stand der Technik und teure Investitionen hinsichtlich der Zeit von Experten/Labortechnikern. Es ist nicht kostengünstig, sie regelmäßig mit Proben anzuwenden, die tatsächlich keine bedeutende Grade an PAH enthalten. Außerdem sind GC-MC-Verfahren keine Online-Verfahren für die Partikelanalyse und können nicht verwendet werden, um eine schnelle Rückführung zu erhalten, die sowohl für den Umgebungsschutz als auch für die industrielle Ablaufsteuerung erforderlich ist.
PAH-Verbindungen werden vorrangig als Ergebnis der unvollständigen Verbrennung organischer Stoffe erzeugt, und es wird solchermaßen angenommen, dass sie sowohl in der Dampfphase als auch in der Feststoffphase als integrierter Bestandteil des Partikelstoffs vorliegen. Da die Konzentration dieser Schmutzstoffe in den meisten Luftproben sehr gering ist und da sie häufig mit anderen Kontaminanten verknüpft ist, ist die Identifizierung und der mengenmäßige Nachweis von PAH aufgrund mehrstufiger Isolations- und Bestimmungstechniken für gewöhnlich komplex, zeitaufwendig und häufig ungenau. Dieses Problem ist in erster Linie mit der Analyse der PAH an Aersolpartikeln verknüpft, die als die komplizierteste Aufgabe für klassische Verfahren einer PAH-Analyse angesehen wird.
Dennoch ist die Analyse von PAH an Aersolen sowohl für das Industrie- als auch das Regierungs-Umgebungsschutzorgan von starkem Interesse. Es wurde bewiesen, dass die größte PAH-Masse nicht in der Dampfphase, sondern auf den Aerosolpartikeln gefunden wurde. (Dies liegt am tiefen Dampfdruck vieler dieser Verbindungen bei Umgebungstemperatur). Die Verteilung von PAH als Funktion des aerodynamischen Durchmessers für die Koksofen-Emission zeigt, dass die größte Kontamination mit Partikeln des Durchmessers von 1–10 μm verknüpft ist. Die absolute Konzentration von PAH-Verbindungen in der Luft ist Verbindungs-abhängig und liegt für gewöhnlich im Bereich von 0,02–0,2 μg m^–3. Die absolute Konzentration in der Nähe von Industriegebieten kann zehnmal höher sein, und Konzentrationen im μg m^–3-Bereich und darüber von Partikeln, die Durchmesser zwischen 10 und 100 μm oder mehr haben, wurden nahe an Brennschornsteinen gemessen.
Die meisten der gegenwärtig benutzten Analyseverfahren für PAH an Aerosolen beinhalten (a) das Sammeln von Partikel-PAH, indem eine große Luftmenge durch eine Filter gesogen wird, (b) die Extraktion der auf einem Filterpapier gesammelten PAH mit einem organischen Lösungsmittel, und (c) die chromatographische Säuberung und Trennung, gefolgt von (d) der Identifizierung und vom mengenmäßigen Nachweis, indem eine Kombination aus Spektroskopie- und Chromatographie-Verfahren oder eine Massenspektrometrie-Analyse in einer Hochvakuumkammer verwendet wird.
Es gibt eine Reihe an analytischen Schwierigkeiten, die mit diesen herkömmlichen Verfahren verbunden sind. Die Echtzeit-Analyse der in der Umgebungsluft (Dämpfen, Koksofen-Emission, Rauch oder anderen gashaltigen Medien) vorhandenen PAH kann hauptsächlich aufgrund eines Mangels an Selektivität, Empfindlichkeit und Mobilität der Analysegeräte nicht erreicht werden. Zieht man die obigen Schwierigkeiten in Betracht und berücksichtigt man, dass herkömmliche Verfahren keine Online- und Insitu-Ergebnisse bereitstellen, folgt daraus, dass es einen allgemein anerkannten Bedarf an einem Verfahren für die Echtzeit-, Online-Analyse von Aersolpartikeln für die PAH gibt, dass das sehr vorteilhaft wäre.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Analysieren von Partikeln für chemische Komponenten bereitgestellt, das die Schritte von Anspruch 1 umfasst.
Die Beschreibung unten konzentriert sich auf die Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Analyse von PAH in Aersolen. Daher sind in der Beschreibung unten die Emissionsspektren Fluoreszenzspektren und/oder Phosphoreszenzspektren, das emittierte Licht Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz, und die Emission wird durch einfallendes Ultraviolettlicht angeregt. Es wird dennoch gewürdigt werden, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung alle Emissionsspektren einschließt, die bei der chemischen Analyse nützlich sind, einschließlich Phosphoreszenz, Raman- und Infrarotspektren; und dass der Schutzumfang der Erfindung eine Vielfalt an Wegen einschließt, damit die Partikeln angeregt werden, Licht zu emittieren, und zwar einschließlich Einfallslicht in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums wie z. B. sichtbares Licht und Infrarotlicht und das einfache Erwärmen der Partikeln.
Vorzugsweise werden die zu analysierenden Partikeln auf einer zweidimensionalen Oberfläche ausgebreitet, so dass jedes Pixel in jedem zweidimensionalen Intensitätsbild einen Teil von nur einem Partikel darstellt. Im allgemeinen werden Aerosolpartikeln, die auf der Oberfläche eines Filters gesammelt werden, wie im Verfahren aus dem Stand der Technik der PAH-Analyse, richtig ausgebreitet. Wenn Einfallslicht verwendet wird, um die Partikeln anzuregen, gibt es zwei allgemeine Verfahren zum Aufzeichnen der Bilder. Im ersten Verfahren wird die abzubildende Oberfläche homogen bestrahlt und das emittierte Licht über ein geeignetes optisches System an eine Spektroskopie-Abbildungsvorrichtung überführt. Beispiele für diese Vorrichtungen sind akusto-optische, abstimmbare Filter und der Abtast-Interferometer, der von Lewis et al. im US-Patent Nr. 5.377.003 beschrieben wird; der Abtast-Interferometer, der von Cabib et al. im US-Patent Nr. 5.539.517 beschrieben und von der Applied Spectral Imaging, Ltd. aus Migdal Haemek, Israel, unter dem Namen "ASI SD2000" hergestellt wird; und der abstimmbaren Flüssigkristallfilter, der in der Fluorescence Imaging Spectroscopy and Microscopy (Xue Feng Wang & Brian Herman, editors, John Wiley & Sons, Inc., 1996) beschrieben wird. Im zweiten Verfahren wird die abzubildende Oberfläche mittels Verwendung eines fokussierten Lichtstrahls abgetastet, und das emittierte Licht wird von einem herkömmlichen Spektrometer analysiert. Unter beiden Verfahren wird das spektral zerlegte emittierte Licht durch eines von mehreren Verfahren abgebildet. Das Geradeaus-Verfahren verwendet eine Festkörperbereich-Bildsensoranordnung wie beispielsweise eine Anordnung von ladungsgekoppelten Detektoren (CCD), wobei jeder Detektor der Anordnung ein Pixel für jedes Bild aufzeichnet. Ein anderes Verfahren liegt darin, jedes Bild mittels Verwendung einer abtastenden Diodenanordnung eine Reihe von Pixeln auf einmal aufzuzeichnen. In jüngster Zeit wurden CCD-Anordnungen zur Verfügung gestellt, die dicht genug sind, dass mehrere Bilder, die mehreren verschiedenen Wellenlängen entsprechen, gleichzeitig aufgezeichnet werden können. Zum Beispiel kann eine CCD-Anordnung von 4096 × 4096 gleichzeitig 64 512 × 512 Bilder bei 64 verschiedenen Wellenlängen aufzeichnen. Als Alternative zu den Spektrometern können diese großen CCD-Anordnungen mit einer großen Anzahl (im gegebenen Beispiel 64) an Schmalband-Lichtleitern verwendet werden, um Festwellen längenbilder zu erhalten. In dieser Alternative muss die Probe z. B. auf einer piezoelektrischen Stufe von einem Filter zum anderen bewegt werden. In der Analyse der Aersolpartikeln für PAH schließt das optische System ein Mikroskop ein, so dass die endgültigen Festwellenlängenbilder genug vergrößert werden, um die Ziel-Partikeln an der gewünschten Auflösung von einem oder mehreren Pixeln je Partikel aufzulösen.
Die aufgezeichneten Bilder werden durch Standardverfahren digitalisiert und analysiert. Vorzugsweise ist einer der Schritte in der Analyse das Austasten von Pixeln, deren Intensität kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert sind. Die entstehenden Bilder sind dann Bilder der Partikeln selbst, oder im Fall der PAH-Analyse der Aersolpartikeln mittels Fluoreszenz, Bilder des Abschnitts der Oberfläche der Partikeln, der von PAH-Arten besetzt ist.
Wenn ein Satz an Pixeln aus derselben Stelle in mehreren Bildern, die an mehreren Wellenlängen aufgezeichnet wurden, gegeben ist, gibt es gut etablierte Verfahren zum Vergleichen der Intensitäten dieser Pixel mit den Emissionsspektren in der Datenbank, um die chemische Zusammensetzung der Emissionsquellen zu bestimmen. Insbesondere gibt es mehrere chemometrische Verfahren, die in Verbindung mit der Flüssigphasen-Fluoreszenz erfolgreich verwendet wurden. Die Leistungsfähigste von diesen ist die mehrdimensionale Analyse im allgemeinen, und im besonderen die Hauptbestandteilregression (PCR) bzw. die Analyse der Methode der kleisten Quadrate (z. B. die Teilanalyse nach der Methode der kleinsten Quadrate (PLS) oder die nicht-lineare Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate); s. z. B. H. Martens und T. Naes, Multivariance Calibration (John Wiley & Sons, 1989). Ein anderes Verfahren, das erfolgreich angewandt wurde, um die Flüssigphasen-Fluoreszenz zu analysieren, ist die Fuzzy-Logik-Analyse; s. z. B. J.C. Bezdek und S.K. Pal (eds.), Models for Pattern Recognition, IEEE Press, 1992, und R.R. Vager und L.A. Zadeh (eds.), An Introduction to Fuzzy Logic Applications in Intelligent Systems, Kluwer Academic Publications, 1992.
Im erfinderischen Verfahren werden sowohl die mehrdimen sionale Regression als auch die Fuzzy-Logik-Analyse verwendet, um die Redundanz auszuwerten, die bei Verwendung der beiden unabhängigen Verfahren inhärent vorliegt. Diese Verfahren basieren auf die Spektren reiner Verbindungen und Mischungen, entweder in Kristallform oder an Feststoffen adsorbiert, bei denen die Wahrscheinlichkeit vorliegt, dass sie in besonderen Szenarien auftreten, und erklären die detaillierte Struktur der übereinanderliegenden Spektren aus Mischungen, die Kristalle gemischter Zusammensetzung einschließen. In Fällen, in denen diese Auflösung unangemessen ist, werden zeitaufgelöste Fluoreszenzverfahren angewandt; s. z. B. Anita Cardamone et al., Simple Time Resolved Fluorescence Based on Nanosecond Digital Oscilloscope and Diode Pumped Solid State Laser, Applied Spectroscopy, Vol. 97., S. 207–210 (1993) Rande W.St. Germain et al., Inside Tunable Laser Fluorescence Analysis of Hydrocarbons, SPIE Vol. 1637, S. 151–162 (1992), und Kenneth Ghiggino et al., Resolution of Heterogeneous Fluorescence By the Combined Use of Indirect Excitation Decay Associated Spektral Analysis an Principle Factor Analysis, Chem. Soc. Faraday Trans., Vol. 86. S. 3853–3860 (1990). In diesen Verfahren werden die Bilder sowohl als Funktion der Wellenlänge als auch der Zeit aufgezeichnet. Der Auflösung liegt in diesem Fall die Tatsache zugrunde, dass jede fluoreszierende Verbindung ihre eigene charakteristische Abbauzeit im Anschluß an die Anregung durch einen Puls aus Ultraviolettlicht hat.
Zwei wichtige Vorteile der vorliegenden Erfindung für die PAH-Analyse gegenüber der Chemie der Flüssigkeiten aus dem Stand der Technik liegt darin, dass die PAH nicht durch das Lösungsmittel gemischt werden, das für die Extraktion verwendet wird, und dass die PAH unter Kondensationsbedingungen dazu neigen, in Form von Kristallen auf Aerosolpartikeln oder in einer angereicherten festen Lösung im Körper des Aerosolpartikels selbst abgelagert zu werden (D. F. Eggers, N.W. Gregory, G.D. Haliey und B.S. Rabinovich, Physical Chemistry, Wiley, New York, 1964). Solchermaßen verfügt die vorliegende Erfindung über eine inhärent höhere Mischungsauflösung und -empfindlichkeit als die Verfahren aus dem Stand der Technik. Die Natur und die räumliche Verteilung der PAH-Arten, die mit den Verschmutzungs-Aerosolen verknüpft sind, kann für die Verschmutzungsquelle diagnostisch sein. Wenn eine besondere Quelle von Interesse ist, werden die Fluoreszenzspektren, mit denen die Bilder verglichen werden, auf die Spektren der Arten eingeschränkt, die wahrscheinlich von der Quelle emittiert werden. Motorfahrzeuge neigen z. B. dazu, vorrangig Dibenz(a, 1)anthracen, Picen und Coronen zu emittieren; wohingegen unbewegliche Quellen wie beispielsweise Elektrizitätswerke dazu neigen, zusätzlich zu den drei von den Motorfahrzeugen emittierten PAHs Coronen zu emittieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird hierin nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnngen beschrieben, worin:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Überwachen von PAH in Aerosolen;
2 ist ein Gesamt-Flußdiagramm der Erfassung und Klassifizierung von PAH;
3 ist ein Flußdiagramm des Klassifizierungsprozesses;
4 ist eine verallgemeinerte Intensitätskurve für die Darstellung der Fuzzy-Logik-Beschreibungsparameter;
5 ist eine schematische Darstellung eines endgültig verarbeiteten Bildes.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Verfahren zur chemischen Partikelanalyse, die für eine Echtzeit-Online-Analyse an Aersolen automatisiert werden kann. Genauer kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um Aersole für PAH zu analysieren.
Die Grundsätze und der Betrieb der Partikelanalyse gemäß der vorliegenden Erfindung können besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung verstanden werden.
Nimmt man jetzt auf die Zeichnungen Bezug, ist 1 ein schematisches Diagramm eines automatischen Online-Echtzeit-Systems für die Überwachung von PAH in Aerosolen. Eine Rolle aus einem nicht-fluoreszierenden Substrat 10 wie beispielsweise ein nicht-fluoreszierendes Filterpapier wird auf einem Rollenpaar 12 angebracht, das das Substrat in der 1 von links nach rechts bewegt. Eine großvolumige Luftpumpe 16 saugt über ein Rohr 14 und durch das Substrat 10 kontaminierte Luft herein, Aersolpartikeln 18 auf dem Substrat 10 ablagernd. Wahlweise kann ein Filtrationssystem (nicht gezeigt) wie beispielsweise ein 10 PM großvolumiger Partikelprobennehmer in das Rohr 14 gesetzt werden, um Partikel unter einer bestimmten Größe, z. B. 10 μ, zu selektieren. Rollen 12 bewegen Aersolpartikeln 18 an eine Betrachtungsstelle unter einem Spektroskopie-Abbildungssystem 30, das eine Ultraviolettlichtquelle 20, ein optisches System 22, eine Spektroskopie-Abbildungsvorrichtung 24 und eine CCD-Kamera 26 sein kann, die eine geeignete Empfindlichkeit und einen geeigneten Dynamikbereich haben. Typische Spektroskopie-Abbildungssysteme werden z. B. im oben zitierten Patent von Lewis et al. beschrieben und werden hierin nicht weiter erläutert.
Komponenten 20, 22, 24 und 26 des Spektroskopie-Abbildungssystems 30 werden durch geeignete Steuerungs/Datenverbindungen 32 mit einem Steuersystem 34 verbunden. Die Lichtquelle 20 beleuchtet die Partikeln 18, wie in den 6 und 8 vom oben zitierten Patent von Lewis et al. gezeigt, homogen mithilfe des optischen Systems 22. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung leitet die Lichtquelle 22 das Ultraviolettlicht ohne Zwischenschaltung des optischen Systems 22 direkt auf die Partikeln 18. Die Rollen 12 werden durch eine Steuerungs/Datenverbindung 32 auch mit dem Steuersystem 34 verbunden, so dass das Substrat 10 unter der Steuerung des Steuersystems 34 weiterentgeführt werden kann. Die Rollen 12 werden an einer Plattform 13 installiert, die zwei Bewegungsfreiheitsstufen hat: seitlich (in eine und aus der Ebene aus 1) und senkrecht. Die senkrechte Bewegung der Plattform 13 wird verwendet, um das Autofokussieren durchzuführen. Die Plattform 13 wird mithilfe einer Steuer/Datenverbindung 32 auch vom Steuersystem 34 gesteuert. Die kombinierte Bewegung der Rollen 12 und der Plattform 13 erlaubt, dass das Substrat 10 seitlich in drei Richtungen unter das optische System 22 bewegt wird.
Die bevorzugte Spektroskopie-Abbildungsvorrichtung 24 ist ein Abtast-Interferometer. Das Bild, das mithilfe eines abstimm baren Akusto-Opto-Filters aufgezeichnet wird, neigt dazu, mit der Zeit seitlich abzudriften. Dies kann jedoch während der Bildverarbeitung überwunden werden. Ein Symbol wie beispielsweise ein Kreuz wird auf den Hintergrund gesetzt, gegen den die Partikeln 18 abgebildet werden, und die Bilder werden ausgerichtet, indem sie verschoben werden, so dass sich das Symbol auf allen Bildern an derselben Stelle befindet.
Dem Steuersystem 34 liegt ein Personalrechner zugrunde, und es schließt einen Framegrabber (ein Bildfangschaltung) zum Aufzeichnen der Bilder von der Kamera 26 sowie Hardware-Schnittstellenplatienen zum Steuern der Rollen 12, der Plattform 13 und der anderen Komponenten 20, 22 und 24 des Spektroskopie-Abbildungssystems 30 ein. Die Software des Steuersystems 34 schließt eine Datenbank der PAH-Fluoreszenzspektren und des Codes zum Implementieren der unten beschriebenen Bildverarbeitungs- und Klassifizierungsalgorithmen ein.
Vorzugsweise werden die Rollen 12 verwendet, um das Substrat 10 (wenn in 1 gesehen) schrittweise nach rechts zu bewegen, so dass die Pumpe 16, während das Steuersystem 34 die Bilder einer Probe der Partikeln 18 aufzeichnet und analysiert, die nächste Probe der Partikeln 18 sammelt. Die Rollen 12 und die Plattform 13 werden auch verwendet, um die Partikeln 18 um eine viel kürzere Entfernung seitlich unter das optische System 22 zu bewegen, damit das Steuersystem 34 Bilder aus mehreren Sichtfeldern in einer Probe aufzeichnen kann.
2 ist ein Gesamt-Flußdiagramm des Ablaufs und der automatischen Erfassung und Klassifizierung der PAH. Der erste Schritt liegt darin, ein Sichtfeld zu finden, das die interessierenden Partikeln 18 enthält. Dies wird getan, indem das Sichtfeld mittels Verwendung der Rollen 12 und der Plattform 13 seitlich bewegt wird (Block 40); mittels Autofokussierung (Block 42); Aufzeichnens eines Satzers an Bildern an gewünschten Wellenlängen (Block 44); Summierens der Festwellenlängenbilder, um ein summiertes bzw. Graupegel-Bild (Block 46) zu ergeben; und Prüfens des summierten Bildes für Pixel, deren Intensität einen die Hintergrundintensität bezogenen vorab eingestellten Schwellwert übersteigt. Man beachte, dass es eine Eins-zu-Eins-Ent sprechung zwischen den Pixeln des summierten Bildes und dem gibt, das hierin als "gemeinsame Stellen" der Pixel der Festwellenlängenbilder bezeichnet wird. Die Kriterien für ein fluoreszierendes Partikel, das im Sichtfeld vorliegt (Block 48), sind die, dass der Bruchteil der Pixel des summierten Bildes, dessen Intensität den Schwellwert übersteigt, hoch genug ist. Wenn das Kriterium nicht erfüllt ist, wird ein weiteres Sichtfeld ausgewählt. Vorzugsweise wird dies getan, indem das Sichtfeld (Block 40) zufällig verschoben wird, da im voraus nicht bekannt ist, wo sich die Partikeln von Interesse befinden. Angrenzende Nicht-Null-Pixel des summierten Bildes werden in Ziele gruppiert, von denen der Verdacht besteht, dass sie PAH-tragende Aersolpartikeln darstellen (Block 50). Wahlweise werden die Formen der Ziele bestimmt (Block 52), so dass die Ziele, die nicht wie die PAH-tragenden Aersole geformt sind, während des Klassifizierungsablaufs aussortiert werden. Pixel der Festwellenlängenbilder, die den Unter-Schwellwert-Pixeln im summierten Bild entsprechen, werden ausgetastet (Block 53). Schließlich werden die Ziel-Spektren klassifiziert: in jedem Ziel werden die Pixelintensitäten Stelle für Stelle mit den Fluoreszenzspektren in der Datenbank verglichen, um die PAH-Arten zu untersuchen, die im Ziel vorliegen (Block 54).
3 ist ein Flußdiagramm des im Assay verwendeten Klassifizierungsablaufs. Im wesentlichen ist der Klassifizierungsablauf eine Angelegenheit zum Suchen nach einer linearen Kombination von Spektren, die mit den Intensitäten übereinstimmen. Die Koeffizienten der linearen Kombination sind dann proportional zu den Mengen der verschiedenen PAH-Arten an der untersuchten Stelle. Die lineare Kombination wird durch zwei Verfahren bestimmt: Fuzzy-Logik-Analyse (Block 60) und Hauptbestandteilregression (Block 62). Diese beiden Verfahren liefern beide Schätzwerte über PAH-Überschüsse und Unbestimmtheitsmessungen für diese Schätzwerte. Die beiden Gruppen an Schätzwerten werden vereinbart (Block 64), um eine endgültige Gruppe an geschätzten Überschüssen abzugeben.
4 ist eine verallgemeinerte Intensitätskurve (Intensität I als eine Funktion der Wellenlänge λ), die fünf Beschrei bungsparameter darstellt, die in der Fuzzy-Logik-Analyse verwendet werden. Diese Kurve hat zwei Spitzen, einen mit einer Spitzen-Intensität I₁ an der Wellenlänge λ₁ und den anderen mit einer Spitzen-Intensität I₂ an der Wellenlänge λ₂. Die Mindestintensität zwischen den beiden Spitzen ist I₃ an einer Wellenlänge λ₃. Die ganze Breite bei halber Amplitude der ersten Spitze wird mit Δ₁ bezeichnet. Die ganze Breite bei halber Amplitude der zweiten Spitze wird mit Δ₂ bezeichnet. Die Differenz zwischen λ₁ und λ₃ ist Δ₃. Die fünf in 4 dargestellten Parameter sind:
Spitzen-Höhenverhältnis I₁/I₂
Spitzen-Breite bei halben Amplitudenverhältnis Δ₁/Δ₂
Zahl der Spitzen
Spitze-zu-Mindestverhältnis Δ₁/Δ₃
Spitzen-Wellenlängenverhältnis λ₁/λ₂
PAH-Arten-Überschüsse wurden an jeder Stelle in jedem Ziel erhalten, wobei die Stellen und Ziele in Bezug auf die Vereinbarkeit mit einem PAH-Emissionsmodell (3, Block 66) analysiert wurden, indem zwei Kriterien verwendet wurden:

1. Da die PAH dazu neigen, in Form eines reinen einzelnen Kristalls auf Aerosolpartikeln abgelagert zu werden, wird erwartet, dass benachbarte Stellen ähnliche Zusammensetzungen haben. Daher lautet der nächste Schritt im gesamten Erfassungs- und Klassifizierungsverfahren das Gruppieren benachbarter Stellen in Nachbarschaften gemeinsamer Zusammensetzung mittels Verwendung gut bekannter Regressionstechniken. Dieser Schritt dient auch als ein Rauschfilter: es ist unwahrscheinlich, dass ein Pixel (i, j) eine andere Zusammensetzung als ein benachbarter Pixel (k, l) haben wird, worin i – 1 ≤ k ≤ i + 1 und j – 1 ≤ 1 ≤ j + 1 (Nachbarschafts-Entscheidungskonzept).
2. (Option) Wenn die Ziel-Formen bestimmt wurden (2, Block 52) und die Information zu den erwarteten Partikelformen und -größen erhältlich ist, dann werden die Ziele, deren Formen und Größen sich außerhalb des erwarteten Bereichs befinden, ausrangiert. Es kann z. B. a priori bekannt sein, dass eine besondere Emissionsquelle keine nadel-artigen Aersolpartikeln emittiert. In diesem Fall werden Ziele, deren Längenverhältnis einen Schwellwert übersteigen, ausrangiert.

Stellen und Ziele, die die Kriterien nicht erfüllen, werden aussortiert (Block 66). Von den übriggebliebenen Ziele wird angenommen, dass sie Bilder der PAH-tragenden Aersole sind. Die Ergebnisse der Analyse werden jetzt z. B. in Form eines verarbeiteten Bildes dem Benutzer mitgeteilt (Block 68). 5 ist eine schematische Darstellung eines fertig verarbeiteten Bildes 70 dreier Partikeln 72, 74 und 76. Partikel 72 wurde klassifiziert, als eine erste PAH-Art enthaltend. Partikel 74 wurde klassifiziert, als eine zweite PAH-Art enthaltend. Partikel 76 wurde klassifiziert, als zwei PAH-Arten in zwei Nachbarschaften 78 und 80 enthaltend.
Wenn die PAH-Erfassung und -Klassifizierung an einer Zahl an Sichtfeldern durchgeführt wurde, die groß genug ist (2, Block 56), werden die Rohdaten von einem Szenarium-Analyse-Algorithmus (2, Block 58) konvertiert, um sie in Schätzwerte von absoluten PAH-Konzentrationen zu konvertieren. Für gewöhnlich werden Aersole an mehreren betreffenden Stellen und mehrere Male pro Tag gesammelt und analysiert, und zwar für jeden überwachten Quellentyp und Fabrikablauf.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl an Ausführungsformen beschrieben wurde, wird man würdigen, dass viele Änderungen, Modifikationen und weitere Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

Ein Verfahren zum Analysieren von Partikeln für chemische Komponenten, das folgende Schritte umfasst: a) Anregen der Partikel, emittiertes Licht zu emittieren, b) Aufnehmen einer Vielzahl zweidimensionaler Bilder des emittierten Lichts, wobei jedes der Bilder bei einer bestimmten Wellenlänge aufgenommen wird, wobei jedes der Bilder eine Vielzahl von Pixeln einschließt, wobei jedes der Pixel eine Stelle im Bild hat, wobei jedes der Pixel eine Intensität hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte: c) Bereitstellen einer Datenbank von Emissionsspektren der chemischen Komponenten, d) für einen Satz von Pixeln der Bilder, die eine gemeinsame Stelle teilen: Vergleichen der Intensitäten, als eine Funktion der Wellenlänge, mit den Emissionsspektren durch Verwendung von sowohl mehrdimensionaler Analyse als auch Fuzzy-Logik-Analyse, auf der Grundlage von mindestens einem Beschreibungsparameter, um einen Schätzwert der mehrdimensionalen Analyse und einen Schätzwert der Fuzzy-Logik-Analyse zu erhalten, und e) in Übereinstimmung bringen des Schätzwerts der mehrdimensionalen Analyse und des Schätzwerts der Fuzzy-Logik-Analyse, wodurch die chemischen Komponenten der Stelle bestimmt werden.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die Anregung durch das Richten von Anregungslicht auf die Partikel durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin das Anregungslicht sichtbares Licht ist.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin das Anregungslicht ultraviolettes Licht ist.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin das Anregungslicht infrarotes Licht ist.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin das Anregungslicht homogen auf die Partikel gerichtet wird.
Das Verfahren von Anspruch 6, worin das Aufnehmen der Bilder durch Verwendung eines Scanning-Interferometers durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 6, worin das Aufnehmen der Bilder durch Verwendung eines Flüssigkristall-abstimmbaren Filters durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 6, worin das Aufnehmen der Bilder durch Verwendung eines akusto-optischen abstimmbaren Filters durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin das Richten des Anregungslichts auf die Partikel durch das Scannen eines Laserstrahls über die Partikel durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 10, worin das Aufnehmen der Bilder durch Verwendung eines Spektrometers durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin das Vergleichen der Intensitäten mit den Emissionsspektren nur bei Pixeln durchgeführt wird, deren Intensität einen Schwellenwert überschreitet.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die mehrdimensionale Analyse Hauptkomponenten-Regression einschließt.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die mehrdimensionale Analyse eine Analyse nach der Methode der kleinsten Quadrate einschließt.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin mindestens ein Beschreibungsparameter mindestens einen Beschreibungsparameter einschließt, der gewählt ist aus dem Satz bestehend aus Spitzen-Höhenverhältnis, Verhältnis der vollen Spitzen-Breite bei halber Amplitude, Anzahl der Spitzen, Verhältnis von Spitzen zu Minimum und Spitzen-Wellenlängen-Verhältnis.
Das Verfahren von Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst: e) Gruppierung benachbarter gemeinsamer Stellen, die ähnliche der identifizierten chemischen Komponenten haben, zu benachbarten Bereichen mit gemeinsamer Zusammensetzung, wodurch ein Ziel gebildet wird.
Das Verfahren von Anspruch 16, das weiter den folgenden Schritt umfasst: f) Aussortieren des Ziels.
Das Verfahren von Anspruch 1, das weiter den folgenden Schritt umfasst: e) Aussortieren der gemeinsamen Stellen.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die Vielzahl von Bildern in einer Vielzahl von Aufnahmezeiten aufgenommen wird, wobei das Verfahren weiter den folgende Schritte umfasst: e) Bereitstellen einer Datenbank von Emissionsabfallzeiten der chemischen Komponenten, f) für einen Satz von Pixeln der Bilder, die eine gemeinsame Stelle haben: Vergleichen der Intensitäten, als eine Funktion der Aufnahmezeiten, mit den Emissionsabfallzeiten, wodurch die chemischen Komponenten der Stelle bestimmt werden.
Das Verfahren von Anspruch 16, worin das Ziel eine Form hat, wobei das Verfahren weiter den folgenden Schritt umfasst: f) Vergleichen der Form des Ziels mit einer erwarteten Partikelform der ähnlichen identifizierten chemischen Komponenten.
Das Verfahren von Anspruch 16, worin das Ziel eine Größe hat, wobei das Verfahren weiter den folgenden Schritt um fasst: f) Vergleichen der Größe des Ziels mit einer erwarteten Partikelgröße der ähnlichen identifizierten chemischen Komponenten.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die Partikel Aerosol-Partikel sind.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin die chemischen Komponenten mindestens eine Art von polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff-Verbindung (polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH) einschließen.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin vor der Durchführung des Schritts b) das Sammeln oder Absetzen der Partikel auf einer Oberfläche eines Substrats stattfindet.