ES2884249B2 - Procedimiento y sistema para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y sistema para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención pertenece al campo de la detección de contaminación formada por agentes biológicos suspendidos en el aire.
Un primer objeto de la presente invención es un procedimiento capaz de detectar agentes biológicos de muy pequeño tamaño suspendidos en el aire, como por ejemplo partículas del virus SARS-CoV-2.
Un segundo objeto de la presente invención es un sistema diseñado para llevar a cabo el procedimiento anterior.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Es conocido que diversas enfermedades infecciosas, como el ántrax, la tuberculosis o el SARS-CoV-1 y SARS-CoV-2, se transmiten por el aire. Partículas de estos agentes patógenos, ya sea solas o bien combinadas con gotas u otras partículas, pueden permanecer flotando en el aire durante horas, constituyendo así una importante amenaza para la salud de las personas. Por ese motivo, actualmente son necesarios procedimientos capaces de analizar el aire para detectar este tipo de agentes patógenos.
Actualmente todas las técnicas de detección de virus aéreos están basadas en impactadores y precipitadores para toma de muestra de partículas sobre filtros de gelatina o en suspensión líquida, siendo estas partículas posteriormente cultivadas y/o analizadas. Por ejemplo, el artículo de D. Verreault et al titulado “Methods for sampling of Airborne Viruses”, Microbiol Mol Biol Rev. 2008 Sep; 72(3): 413-444, describe una técnica de este tipo. También existen otras técnicas basadas en la precipitación de aerosoles mediante torbellino, como se describe en la patente US5902385.
Si bien son efectivos, estos procedimientos resultan ser excesivamente lentos para muchas de las aplicaciones más relevantes. Por ejemplo, pueden requerir un tiempo de aproximadamente al menos media hora de muestreo para aumentar la cantidad o concentración recogida, y aproximadamente al menos otra hora de análisis.
Otro inconveniente de este tipo de procedimientos es que los agentes más pequeños, como el virus SARS-CoV-2 que tiene no más de 120 nm, son más difíciles de capturar o impactar justamente fluyen con el aire. De esta forma, impactadores que resultan útiles para capturar bacterias, hongos o levaduras no son capaces de capturar los virus más pequeños.
Son conocidos además en la técnica métodos ópticos de medida de la distribución de tamaño de partículas en un aerosol en un volumen de medida o zona de prueba predeterminado como las descrita por Marijnissen et al. en US 6011621 o de distribución de tamaño y forma de partículas suspendidas en general en un medio de dispersión como la descrita por Yamaguchi et al. en US2011181869. En estas se utliza un haz coherente de luz iluminando una microcámara de paredes transparentes donde se encuentra el aerosol y se mide la luz dispersada. Marijnissen mide la frecuencia de oscilación de la intensidad lumínica correlacionándola con el tamaño de la partícula en movimiento Browniano, mientras que Yamaguchi utiliza un receptor que puede rotarse para medir la intensidad dispersada en distintos ángulos. Ninguno de estos métodos puede distinguir la naturaleza orgánica o inorgánica o la composición de las partículas en suspensión.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un procedimiento para detectar en tiempo real agentes biológicos en suspensión en el aire. Este procedimiento puede emplearse tanto para la monitorización del aire ambiental como para el diagnóstico o detección de la presencia de virus, esporas y/u otros microorganismos en el aire exhalado por una persona. Además, se trata de un procedimiento capaz de detectar la presencia de partículas biológicas de un tamaño micrométrico o incluso menor, llegando incluso a detectar partículas biológicas de un tamaño menor de 2,5 micrómetros. Esto es especialmente relevante, ya que estas partículas muy pequeñas pueden penetrar en el sistema respiratorio hasta los alveolos. Por tanto, el procedimiento de la invención es útil tanto en el ámbito médico, para el diagnóstico de la presencia de virus u otros agentes, como en el ámbito de la seguridad biológica, por ejemplo para la detección de personas infecciosas.
En este documento, el término “partícula’’ hace referencia a cualquiera de entre gotas, gotículas, microorganismos, polvo, agentes biológicos tales como virus, y en general a cualquier tipo de partícula orgánica o inorgánica que pueda encontrarse suspendida en el aire, ya sea sólida, líquida, o biológica.
Un primer aspecto de la presente invención está dirigido a un procedimiento para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire que comprende fundamentalmente los siguientes pasos:
1. Emitir, en dirección a una zona de prueba que comprende una muestra de aire, un haz de luz polarizada monocromática cuya longitud de onda corresponde esencialmente a un máximo de absorción de una molécula biológica de interés.
En una realización particularmente preferida de la invención, la longitud de onda del haz de luz polarizada monocromática emitido está entre 240 nm y 280 nm. Este rango de longitudes de onda comprende los intervalos de mayor absorción de moléculas biológicas muy características, como por ejemplo nucleótidos, ADN, ARN, diversos aminoácidos, etc. Por ejemplo, configurar la longitud de onda para que esté entre aproximadamente 255 nm y 260 nm permitiría detectar la presencia de nucleótidos en el aire analizado.
En principio, el haz de luz polarizada monocromática podría ser de cualquier tipo siempre que cumpla con los requisitos mencionados, aunque preferentemente se utiliza un haz láser.
2. Recibir, en diferentes posiciones correspondientes a diferentes ángulos de dispersión, el haz de luz dispersado tras atravesar la muestra de aire.
EL haz de luz polarizada monocromática pasa a través de la muestra de aire presente en la zona de prueba y, tras producirse una dispersión de Mie, es recibido por unos fotodetectores ubicados en posiciones correspondientes a los diferentes ángulos de dispersión posibles.
El concepto principal de la presente invención se basa en que esta dispersión es diferente según si las partículas suspendidas en dicho aire contienen o no moléculas biológicas que tienen un máximo de absorción esencialmente en la longitud de onda del haz de luz polarizada monocromática emitido. Si en la muestra de aire hay partículas que contienen tales moléculas biológicas, se produce un aumento de la dispersión del haz emitido con relación al caso en que no las contienen. Además, se ha descubierto que la dispersión se produce preferentemente en determinados ángulos que dependen del tamaño de las partículas que contienen dichas moléculas biológicas. Esta información se emplea en los pasos siguientes para determinar si en el aire hay partículas que contienen moléculas biológicas, así como para estimar la cantidad de moléculas biológicas y el tamaño de las partículas que las contienen.
3. Determinar que en la muestra de aire hay partículas que contienen las moléculas biológicas de interés si la intensidad de la luz dispersada presenta un pico sustancialmente mayor que el resto de la luz dispersada.
Como se ha mencionado anteriormente, la presencia de moléculas biológicas en el aire analizado provocará que la luz polarizada que atraviesa la zona de prueba se disperse en mucha mayor medida que si no existe ninguna molécula biológica. Por tanto, en función de la presencia o no de un pico de luz dispersada recibida por los fotodetectores, se determina si el aire analizado contiene moléculas biológicas. Puesto que los agentes biológicos patógenos e infecciosos, como por ejemplo los virus, tienen un alto contenido en moléculas biológicas tales como ADN, ARN, nucleótidos, o aminoácidos, esto permite deducir si existen virus en el aire analizado.
El pico de dispersión cuando existen moléculas biológicas en la muestra de aire analizado debe ser sustancialmente mayor que el resto de la luz dispersada. Esto significa que, si se compara la intensidad luminosa recibida por cada uno de los fotodetectores dispuestos en varios ángulos de dispersión, al menos uno de tales fotodetectores recibe una luz dispersada cuya intensidad es varios órdenes de magnitud mayor que la intensidad de la luz dispersada recibida en el resto de fotodetectores, por ejemplo 100 o 1000 veces mayor.
4. Estimar la concentración de dichas moléculas biológicas en las partículas en función de la amplitud de dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
Los inventores de la presente solicitud han descubierto que el valor de máxima intensidad está relacionado con la concentración de moléculas biológicas en el aire analizado. Concretamente, cuanto mayor es la concentración de moléculas biológicas ópticamente absorbentes en las partículas presentes en la muestra de aire, mayor es la amplitud del pico de intensidad emitido. Por tanto, la amplitud del pico de intensidad es proporcionar a la concentración de moléculas biológicas
5. Estimar el tamaño de las partículas que contienen dichas moléculas biológicas de interés en función del ángulo de dispersión correspondiente a la posición donde se detectó dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
Los inventores de la presente solicitud han descubierto que el pico de intensidad aparece en un ángulo de dispersión particular, siendo por tanto detectado por el fotodetector ubicado en dicha posición. Además, los inventores de la presente solicitud han descubierto que este ángulo está correlacionado con el tamaño de las partículas que contienen las moléculas biológicas en cuestión. Por tanto, sabiendo cuál es el ángulo de dispersión del fotodetector que detecta el pico de intensidad mencionado en el apartado anterior, es posible determinar cuál es el tamaño de las partículas que contienen las moléculas biológicas de interés.
En definitiva, este procedimiento permite determinar si en la muestra de aire analizada existen partículas suspendidas que contienen una determinada molécula biológica de interés. Por ejemplo, es posible hacer pasar un haz de luz polarizada monocromática de 255 nm a través de la muestra de aire dispuesta en la zona de prueba. Determinados nucleótidos característicos de los virus presentan su máximo de absorción a aproximadamente 255 nm, de modo que si alguno de los fotodetectores recibe una intensidad varios órdenes de magnitud mayor que el resto, por ejemplo 100 o más veces mayor, se determina que efectivamente en la muestra de aire existen partículas que contienen nucleótidos. Además, en función de cuál sea el valor del pico de intensidad detectado por dicho fotodetector, puede estimarse la concentración de nucleótidos en las partículas. Finalmente, teniendo en cuenta el ángulo al que está situado el fotodetector que recibe dicho pico de intensidad, puede estimarse el tamaño de las partículas. Toda esta información permite caracterizar más fácilmente el agente biológico presente en la muestra de aire, identificando si se trata de un virus, etc.
Además, haciendo pasar un caudal de aire continuo a través de la zona de prueba al mismo tiempo que se mantiene el haz de luz polarizada monocromática iluminando dicha zona de prueba, es posible detectar la concentración de partículas con unas determinadas características en dicho caudal de aire. Para ello, en una realización particularmente preferida de la invención, el procedimiento además comprende los pasos de:
- Impulsar un caudal conocido de aire a través de la zona de muestra. Como se describirá más adelante, se puede utilizar para ello cualquier dispositivo conocido, como por ejemplo una bomba, ventilador, o soplante.
- Contar un número de pulsos correspondientes a picos de intensidad que se producen en un determinado ángulo de dispersión y cuya amplitud está dentro de un determinado intervalo. El ángulo de dispersión se elige para que corresponda al tamaño de las partículas que se desean detectar, y el intervalo de amplitud se elige para que corresponda a la concentración de moléculas biológicas que se desea detectar. Así, cada vez que por la zona de muestra pasan partículas del tamaño en cuestión y con la concentración de moléculas biológicas de interés dentro del intervalo en cuestión, en el ángulo de dispersión seleccionado se produce un pulso de pico de intensidad de un máximo en el intervalo seleccionado. Estos pulsos de identifican y se cuentan.
- Estimar, a partir del número de pulsos por unidad de tiempo y el caudal de aire impulsado, la concentración de partículas cuyo tamaño y concentración de moléculas biológicas corresponden con dichos ángulo de dispersión y la amplitud determinados. Concretamente, basta con dividir el número de pulsos por unidad de tiempo entre el caudal de aire para obtener la concentración de partículas con las características determinadas.
En otra realización preferida, el procedimiento comprende emitir simultáneamente hacia la zona de prueba varios haces de luz polarizada monocromática cuyas longitudes de onda corresponden esencialmente a respectivos máximos de absorción de varias moléculas biológicas de interés. En este caso, pueden disponerse unos filtros en los fotodetectores para diferenciar entre la intensidad luminosa recibida correspondiente a la dispersión de unos y otros haces. Se obtienen los datos mencionados para varias moléculas biológicas diferentes, incrementando por tanto la capacidad del procedimiento para identificar el agente biológico presente en la muestra de aire.
Un segundo aspecto de la presente invención está dirigido a un sistema para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire que comprende fundamentalmente los siguientes elementos:
a) Un emisor de luz polarizada monocromática, preferentemente un emisor láser, para emitir, en dirección a una zona de prueba que comprende una muestra de aire, un haz de luz polarizada monocromática cuya longitud de onda corresponde esencialmente a un máximo de absorción de una molécula biológica de interés. En una realización preferida de la invención, la longitud de onda del haz de luz polarizada monocromática emitido por el emisor es de entre 240 nm y 280 nm, aún más preferentemente de entre 255 nm y 260 nm.
b) Un conjunto de fotorreceptores ubicados en diferentes posiciones correspondientes a diferentes ángulos de dispersión del haz de luz dispersado tras su paso a través de la muestra de aire. Estos fotodetectores recibirán la luz dispersada tras su paso a través de la muestra de aire dispuesta en la zona de prueba.
c) Un medio de procesamiento conectado a los fotorreceptores, donde el medio de procesamiento está configurado para:
c1) Determinar que en la muestra de aire hay partículas que contienen las moléculas biológicas de interés si la intensidad de la luz dispersada recibida por los fotorreceptores presenta un pico sustancialmente mayor que el resto de la luz dispersada.
c2) Estimar la cantidad de dichas moléculas biológicas en función de la amplitud de dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
c3) Estimar el tamaño de las partículas que contienen dichas moléculas biológicas en función del ángulo de dispersión correspondiente a la posición donde se detectó dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
En una realización preferida de la invención, el sistema además comprende un medio de bombeo que impulsa un caudal del aire a analizar hacia la zona de muestreo. Como se ha descrito anteriormente en este documento, esto permite estimar la concentración de partículas que tienen unos determinados tamaño y concentración de moléculas biológicas. Concretamente, se cuenta el número de pulsos por unidad de tiempo que corresponden a picos de intensidad detectados que se producen en un ángulo de dispersión correspondiente al tamaño de partícula deseado y cuya amplitud está dentro de un determinado intervalo correspondiente a la concentración de moléculas biológicas deseada. Basta entonces con dividir el número de pulsos entre el caudal de aire para obtener la concentración de partículas deseadas.
En una realización particularmente preferida de la invención, el sistema comprende varios emisores de luz polarizada monocromática para emitir simultáneamente hacia la zona de prueba varios haces de luz polarizada monocromática cuyas longitudes de onda corresponden esencialmente a respectivos máximos de absorción de varias moléculas biológicas de interés. En este caso, los fotodetectores pueden disponer de filtros capaces de separar la luz dispersada recibida correspondiente a cada uno de dichos haces, por ejemplo, en función de su longitud de onda. Como se ha mencionado anteriormente, esta configuración permitiría obtener simultáneamente información acerca de varios tipos de moléculas biológicas, mejorando la capacidad de identificación del agente biológico presente en la muestra.
En otra realización preferida más de la invención, el sistema además comprende una mascarilla facial dotada de un conducto conectado con la zona de prueba para conducir aire exhalado por una persona hasta dicha zona de prueba. Esta configuración está particularmente dirigida a la detección de virus presentes en el sistema respiratorio humano, como por ejemplo el SARS-CoV-2.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra un esquema simplificado de un ejemplo de sistema de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 2 muestra una gráfica de la intensidad de luz de 255 nm dispersada por una partícula que contiene nucleótidos con absorción a esa longitud de onda en función del tamaño y el ángulo de dispersión.
La Fig. 3 muestra una gráfica de la intensidad de luz de 255 nm dispersada por una partícula que no contiene nucleótidos en función del tamaño y el ángulo de dispersión.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un ejemplo de sistema según la presente invención haciendo referencia a las figuras adjuntas.
Como se muestra en la Fig. 1, el sistema (1) comprende un emisor láser (2) que emite un haz de luz polarizada monocromática en dirección a una zona de prueba (3) que contiene una muestra del aire que se va a analizar. Un conjunto de fotodetectores (4) están dispuestos según diferentes ángulos con relación a la zona de prueba (3) para recibir la luz dispersada tras su paso a través del aire contenido en la zona de prueba (3). Los fotodetectores (4) pueden además disponer de un filtro polarizador para hacerlos selectivos a un estado específico de luz polarizada.
Aunque no se representa con detalle en la figura, la zona de prueba (3) puede comprender un recipiente esencialmente cerrado en el que se aloja la muestra de aire que se va a analizar. Alternativamente, la zona de prueba puede ser parte de un conducto a través del cual el aire a analizar pasa de manera continua. En cualquiera de los casos, recipiente o conducto deben comprender de paredes transparentes al menos en las direcciones correspondientes al haz de luz emitido por el emisor láser (2) y a la posición de los fotodetectores (4) que reciben la luz dispersada.
Las características angulares de la dispersión de Mie se expresan mediante dos funciones de distribución de intensidades (i1 y i2), que corresponden a las intensidades de luz polarizada en las direcciones perpendicular y paralela al plano de la Fig. 1. Estas funciones constituyen el fundamento de la teoría de Mie y se expresan en función de:
- Parámetro de tamaño: a = 2nr/X , donde r es el diámetro de la partícula y X la longitud de onda de la luz empleada.
- Índice de refracción complejo: m. (en el que la parte imaginaria es el coeficiente de absorción de la luz de esa longitud de onda en el medio)
- Ángulo de incidencia de la onda primaria: $
Así, la función de distribución angular de la intensidad de radiación dispersada se expresa por:
Figure imgf000010_0001
Para una partícula esférica e isótropa i1 e i2 vienen dadas por:
2
2n l
í l ( a ,m ,$ ) = (dnun + ¿^Tn)
n I= 1 n(n l)
O ) 2
2n l
i2(a,m,<p) = (dnxn + ónn'n)
n I= 1 n(n l)
Siendo
Figure imgf000011_0001
Wn y £nson las funciones de Riccati-Bessel, que se pueden expresar como:
Figure imgf000011_0002
donde j n y Yn son funciones esféricas de Bessel.
Por tanto, en el caso de que las partículas contengan moléculas con absorción a una determinada longitud de onda la parte imaginaria del índice de refracción será mayor que si no están presentes esas moléculas. Como consecuencia, en estos casos se producirá un pico de intensidad luminosa dispersada en determinados ángulos.
Es conocido el caso de los nucleótidos, que tienen una zona de absorción para longitudes de onda entre 240 y 280 nm. Se puede hacer referencia, por ejemplo, al artículo de 1995 de Jürgen H. Fischer titulado “Specific detection of nucleotides, creatine phosphate, and their derivatives from tissue simples in a simple, isocratic, cecycling, low-volumen system” o el artículo de Alison Rodger de 2013 titulado “UV absorbance spectroscopy of biological macromolecules”. Esta propiedad es también conocida para otros tipos de moléculas biológicas, tales como algunos aminoácidos. El triptófano, por ejemplo, tiene su máximo de absorción en 280 nm. Así, en la presente invención, se elige una longitud de onda que corresponda a la posición del máximo de absorción de la molécula biológica que se desea detectar.
Así, partículas pequeñas con alto contenido en nucleótidos, como ocurre en muchos agentes biológicos patógenos e infecciosos tales como virus de tipo RNA o DNA, producirán una dispersión de Mie de la luz polarizada que incluye un pico en un determinado ángulo. Por ejemplo, si se emplea un haz de luz polarizada con una longitud de onda de entre 240 nm y 280 nm sobre una muestra de aire en el que se encuentra suspendido un virus que contiene nucleótidos, se producirá un aumento de la dispersión respecto de una partícula del mismo tamaño que no contuviera esos nucleótidos. La dispersión se producirá además preferentemente en un ángulo determinado que depende del tamaño de la partícula.
Esta situación se muestra en la Fig. 2, que representa la intensidad luminosa recibida por los fotodetectores (4) en función del tamaño de las partículas presentes en la zona de muestra (3) y del ángulo de dispersión correspondiente al fotodetector (4) que recibe dicha intensidad luminosa. En este caso concreto, se ha empleado una luz polarizada monocromática de 255 nm de longitud de onda para iluminar una muestra de aire en el que hay suspendidas partículas de un virus de 0,1 micras (10-7 m) que, como es conocido, está formado esencialmente por ADN o ARN contenido en una cápsula. El haz de luz atraviesa las partículas presentes en la muestra de aire, siendo dispersado en diferentes direcciones y captado por varios fotodetectores (4). Sin embargo, como se puede apreciar fácilmente en la gráfica, el fotodetector (4) ubicado en un ángulo de 110° recibe una señal luminosa varios órdenes de magnitud más intensa que el resto de fotodetectores (4) ubicados en otros ángulos. Esto permite deducir que, efectivamente, en la muestra de aire hay agentes biológicos, tales como un virus, que contiene guanina. Además, dado que el pico se produce específicamente en un ángulo de 110°, se estima que el tamaño de las partículas del agente biológico es de aproximadamente 0,1 micras. Por último, se estima también la concentración de guanina en la muestra en función de la amplitud del pico, que es aquí de aproximadamente 1,5 x 10-11. Se trata de una intensidad por unidad de ángulo que subtiende el fotorreceptor y que además es proporcional a la intensidad de la fuente luminosa multiplicada por el factor 0 descrito con anterioridad.
La Fig. 3 muestra una situación en la que se aplica el procedimiento de la invención a una muestra de aire que no contiene material biológico de ningún tipo. Por ejemplo, la muestra de aire puede contener solamente partículas de polvo o similares. Esta muestra de aire se ilumina con un haz de luz polarizada monocromática de 255 nm. En primer lugar, en la gráfica se aprecia que no existe ningún pico de intensidad sustancialmente mayor que el resto. Se aprecian tres picos de aproximadamente la misma magnitud que, además, son aproximadamente siete órdenes de magnitud menores que el pico mostrado en la Fig. 2 (nótese la diferente escala de intensidades en ambas gráficas). Por tanto, se puede determinar que la muestra de aire analizada no contiene material biológico cuyo pico de absorción esté cerca de 255 nm, tal como guanina y otros nucleótidos. En segundo lugar, se aprecia en la gráfica que los tres picos obtenidos están situados en posiciones correspondientes a ángulos de dispersión de 40°, 70° y 160°. Por tanto, se determina que las partículas presentes en la muestra tienen tres tamaños predominantes.
En este ejemplo, un medio de procesamiento (no mostrado en las figuras) está conectado a los fotodetectores (4) para realizar los cálculos necesarios. Este medio de procesamiento puede, en principio, ser de cualquier tipo adecuado, incluyendo un ordenador, teléfono móvil, o tablet, así como un procesador, controlador, FPGA, DSP, ASIC, u otros.
Este procedimiento puede llevarse a cabo para detectar diferentes tipos de moléculas biológicas de manera simultánea. Para ello, basta con iluminar la muestra con varios haces yuxtapuestos de luz polarizada monocromática correspondientes a diferentes longitudes de onda. La luz dispersada por la muestra es recibida por los fotodetectores que, mediante filtros polarizadores, podrán separar la luz dispersada por uno u otro haz. Esto permite detectar simultáneamente la presencia de varias moléculas biológicas y/o no biológicas seleccionadas, mejorando la capacidad del sistema para identificar el material biológico detectado.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire comprendido en una zona de prueba predeterminada y determinar además el tamaño de las partículas o gotículas que los contienen mediante medida de dispersión angular de luz caracterizado por que comprende los siguientes pasos:
- emitir, en dirección a la zona de prueba que comprende la muestra de aire, un haz de luz polarizada monocromática cuya longitud de onda corresponde esencialmente a un máximo de absorción de una molécula biológica;
- recibir, en diferentes posiciones correspondientes a diferentes ángulos de dispersión, el haz de luz dispersado tras su paso a través de la muestra de aire;
- determinar que en la muestra de aire hay partículas que contienen las moléculas biológicas de interés si la intensidad de la luz dispersada presenta un pico sustancialmente mayor que el resto de la luz dispersada;
- estimar la concentración de dichas moléculas biológicas en las partículas en función de la amplitud de dicho pico en la intensidad de la luz dispersada; y
- estimar el tamaño de las partículas que contienen las moléculas biológicas de interés en función del ángulo de dispersión correspondiente a la posición donde se detectó dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende los pasos de:
- impulsar un caudal conocido de aire a través de la zona de muestra;
- contar un número de pulsos correspondientes a picos de intensidad que se producen en un determinado ángulo de dispersión y cuya amplitud está dentro de un determinado intervalo; y
- estimar, a partir del número de pulsos por unidad de tiempo y el caudal de aire impulsado, la concentración de partículas cuyo tamaño y concentración de moléculas biológicas corresponden con dichos ángulo de dispersión y la amplitud determinados.
3. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende emitir simultáneamente hacia la zona de prueba que contiene la muestra de aire varios haces de luz polarizada monocromática cuyas longitudes de onda corresponden esencialmente a respectivos máximos de absorción de varias moléculas biológicas de interés.
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la longitud de onda del, al menos, un haz de luz polarizada monocromática es de entre 240 nm y 280 nm.
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, donde la longitud de onda del, al menos, un haz de luz polarizada monocromática es de aproximadamente entre 255 nm a 260 nm.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el, al menos, un haz de luz polarizada monocromática es un haz láser.
7. Sistema (1) para detectar en tiempo real agentes biológicos suspendidos en el aire comprendido en una zona de prueba predeterminada y determinar además el tamaño de las partículas o gotículas que los contienen mediante medida de dispersión angular de luz, caracterizado por que comprende:
- un emisor (2) de luz polarizada monocromática para emitir, en dirección a una zona de prueba (3) que comprende una muestra de aire, un haz de luz polarizada monocromática cuya longitud de onda corresponde esencialmente a un máximo de absorción de una molécula biológica de interés;
- un conjunto de fotorreceptores (4) ubicados en diferentes posiciones correspondientes a diferentes ángulos de dispersión del haz de luz dispersado tras su paso a través de la muestra de aire; y
- un medio de procesamiento conectado a los fotorreceptores, donde el medio de procesamiento está configurado para:
determinar que en la muestra de aire hay partículas que contienen las moléculas biológicas de interés si la intensidad de la luz dispersada recibida por los fotorreceptores (4) presenta un pico sustancialmente mayor que el resto de la luz dispersada;
estimar la concentración de dichas moléculas biológicas en las partículas en función de la amplitud de dicho pico en la intensidad de la luz dispersada; y/o estimar el tamaño de las partículas que contienen dichas moléculas biológicas de interés en función del ángulo de dispersión correspondiente a la posición donde se detectó dicho pico en la intensidad de la luz dispersada.
8. El sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 7, que además comprende un medio de bombeo que impulsa un caudal del aire a analizar hacia la zona de muestreo (3), lo que permite estimar, a partir del caudal de aire impulsado y del número de pulsos por unidad de tiempo que corresponden a picos de intensidad que se producen en un determinado ángulo de dispersión y cuya amplitud está dentro de un determinado intervalo, la concentración de partículas cuyo tamaño y concentración de moléculas biológicas corresponden con dichos ángulo de dispersión y amplitud determinados.
9. Sistema (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-8, que comprende varios emisores (2) de luz polarizada monocromática para emitir simultáneamente hacia la zona de prueba (3) que contiene la muestra de aire varios haces de luz polarizada monocromática cuyas longitudes de onda corresponden esencialmente a respectivos máximos de absorción de varias moléculas biológicas de interés.
10. Sistema (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-9, que además comprende una mascarilla facial dotada de un conducto conectado con la zona de prueba (3) para conducir aire exhalado por una persona hasta dicha zona de prueba (3).
11. Sistema (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-10, donde el emisor (2) de luz polarizada monocromática es un emisor láser.
12. Sistema (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, donde la longitud de onda del haz de luz polarizada monocromática emitido por el emisor (2) es de entre 240 nm y 280 nm.
13. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 12, donde la longitud de onda del haz de luz polarizada emitido por el emisor (2) es de entre 255 nm y 260 nm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4762413A (en) * 1984-09-07 1988-08-09 Olympus Optical Co., Ltd. Method and apparatus for measuring immunological reaction with the aid of fluctuation in intensity of scattered light
NL1001369C2 (nl) * 1995-10-06 1997-04-08 Univ Delft Tech Werkwijze en inrichting voor het meten van deeltjesgrootte bij lage concentratie.
US5902385A (en) 1997-06-23 1999-05-11 Skc, Inc. Swirling aerosol collector
EP2333516A4 (en) * 2008-09-26 2017-11-08 Horiba, Ltd. Device for measuring physical property of particle
CN103119417B (zh) * 2010-07-06 2016-08-03 戴顿公司 空气传播的细菌样品收集和分析系统

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