JP2004144736A - 粒子探索ユニット、および以前に対象とされた粒子を探索し、かつ除去するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　求める粒子の特徴付けを素早く行ない、居場所を突き止め、除去するための方法および装置を提供する。
【解決手段】　粒子が沈殿した表面から前記エアロゾル粒子を解放し、光学読取ヘッドに引込んで測定を行なう手段を含む。光学読取ヘッドは、希釈されシース流に浮遊させられ運ばれる各粒子が通過する際に、レーザ等で生成された細い光線で各粒子を照らす。各粒子で生成された散乱光は、ある範囲の散乱角度で収集され、収集された各値はデジタル表現に変換され、コンピュータ手段に記憶される。各粒子からの散乱光信号は処理され、光学的なオブザーバブルと呼ばれる識別の値のセットが計算され、以前に記憶されたセットと比較される。
【選択図】　　　　図１

Description

　この発明は、粒子探索ユニット、および以前に対象とされた粒子を探索し、かつ除去するための方法に関する。

　関連特許
　この出願は、現在は米国特許第６，４９０，５３０号である２０００年５月２３日に出願された米国特許出願第０９／５７７，１０８号の部分継続出願を基礎とした優先権主張出願である。この米国特許を引用により援用する。

　発明の背景
　２００１年の秋、９月１１日の米国での悲惨なテロ攻撃の後、生物学的薬剤を使用した前例のない一連の事件が発生し、人々が殺され、恐怖に陥った。炭疽病の原因物質である種、炭疽菌の高度に精製された胞子を含む封筒が米国郵政公社を通じてワシントン／ニューヨーク地域のさまざまな場所に送られた。一旦封筒が開封されると、胞子が放出され、何の疑いも持たない、その場に居合わせた人によって吸引された。郵便物が原因で、炭疽菌吸引のために数名が死亡し、皮膚感染が数件起きたが、炭疽菌にさらされた可能性のあるすべての人が大量の抗生物質を使用したことによって、数えきれないほどの命が救われた。他にも同様に危険な副作用があった。汚染された場所は依然として胞子を放出し、さらに死亡者を出したり、疾病を引起こす可能性があったのである。２つの具体的な場所は、米国ハート上院議員会館（U.S. Senate Hart office building）およびコロンビア地区ブレントウッド郵便センター（District of Columbia Brentwood mail center）だった。郵便システムを通じて東岸の多くの場所に胞子が広がったのは、後者の場所が原因だと考えられている。

　汚染されている場所内で実際の居場所を突き止めるため、多数の従来の微生物学的な方法を使用して、規定された領域を綿棒で拭き取り、その綿棒を塗りつけたプレートを培養し、そのプレートを読取り、プレート上に炭疽菌が存在するかが確認された。このプロセスによる汚染の除去は失敗し、上述の２つの場所にとっての最終的な頼みの綱は、非常な混乱を招いた。大きな議員会館から炭疽菌の汚染を取除く作業は、前例のないものであり、ほとんど試されたことがない複雑な技術を使用する必要があった。残留する炭疽菌の胞子を殺すため、ハート会館には、毒性のある二酸化塩素ガスが数回撒かれた。浄化プロセスには３ヵ月かかり、費用は１４００万ドルを超えた。ブレントウッド郵便センターは閉鎖され、この出願の時点でも依然として閉鎖されていた。北西地帯の郵便サービスは大きな打撃を受けた。

　上述の炭疽菌事件で、現在の方法、技術およびアイデアでは、表面に沈殿したか、またはアクセスの難しい領域に堆積したそのような危険な粒子を除去するのに不適切であることが示された。そのような病原性粒子の場合の識別方法は、いわゆる「スマートチップ」の導入によってかなり加速されているが、収集した胞子を識別するには、まず胞子を発見し、液体の担体の中で懸濁させ、表面抗原を試験し、および／または胞子を発芽させることが必要である。一旦特定の領域が対象のエアロゾルの原因であると識別されると、その領域を修復するのはさらに難題である。エアロゾルが炭疽菌の胞子または凍結乾燥された病原性バクテリアのような危険な粒子である場合、その領域は、一般に消毒薬によって消毒されるが、バクテリアの胞子の場合、非常に耐性が強く、最も毒性の高い消毒薬しか効かない場合がある。消毒後、消毒の影響を受けていない生存可能な粒子が残留していない
か、その領域を調べなくてはならない。これらの活動はすべて時間を要し、かつ消耗的となり得る。小さな領域を調べ、浄化するには、非常な労力が必要なためである。

　さらに、そのような粒子の出所もわからなかった。そのような粒子はどこで発生したのか。残留物が見つかる可能性の最も高い場所はどこか。誰が最初に粒子をばら撒いたのか。その人物は見つかるのか。

　この発明は、表面に降下したか、またはそのような領域の近くで自由に動いている、危険な粒子の除去に関する課題を解決する。この発明によって、求める粒子を素早く特徴付けすることが可能となり、それらの居場所を突き止め、かつ除去する手段が得られる。この発明は、上述の米国特許第６，４９０，５３０号に記載される監視システムに基づき、表面に沈殿した対象の粒子を見つけるための手段を提供する。また、この発明は、そのような粒子を除去し、粒子が残っていないことを確認するための手段も提供する。最後に、この発明は、そのように粒子をばら撒いた疑いのある人物を追跡し、および／または対象の沈殿したエアロゾルの証拠となる痕跡の場所を見つける手段も提供する。

　表面に付着および／または表面に位置するエアロゾル粒子を見つけ、かつそこから除去することができ、光学的なオブザーバブル（optical observables；ＯＯ）と呼ばれる粒
子の特別な光散乱特性を測定することを特徴とする、装置および方法が開示される。これら光学的なオブザーバブルを、対象の粒子の種類のものと比較することによって、それらの予想される識別を確認できる。持ち運び可能なコンピュータ制御の粒子探索ユニットは、光散乱チャンバを含み、層状の流れに浮遊させられて運ばれる粒子は、この中で１つずつ細いレーザ光線を通過する。各粒子が光線を通過するごとに生成される光散乱信号が処理され、対象の求める粒子の同様に処理されたセットと比較される。一致が検出されるたびに、アラームまたは視覚的な表示によってオペレータに通知される。粒子探索ユニットと中央ステーションとの通信によって、データ処理のバックアップ、粒子探索ユニットの内部処理の変更およびアラームの設定が可能になる。

　米国特許第６，４９０，５３０号には、未知の人物によって持ち込まれ、炭疽菌の胞子などの危険な粒子を含むエアロゾルに脅かされる人々に早期警告を与えるシステムが記載される。この特許では、継続的に監視すべき領域全体に検出器ステーションのセットが位置付けられ、１つずつ細いレーザ光線の中を通過する粒子に光散乱の測定を行ない、異常なエアロゾル粒子を探す。これらのデータは、予めプログラムされた中央処理ユニット、ＣＰＵによって内部的に処理され、中央ステーションに転送される。中央ステーションの機能は、複数の検出器から受取ったそのような情報を調整し、脅かされる人々に早期警告を与えることである。この発明は、その特許に記載される検出器ステーションと同様の測定能力を使用するが、全く異なった態様で使用する。粒子探索ユニットは、持ち運び可能であり、表面および特定の領域から粒子を解放して除去する特別なハードウェアを提供し、特定の粒子の種類を検出するように予めプログラムされ、粒子が活性化している特定の表面および／または領域から対象の粒子を物理的に除去し、かつ収集する手段を与えるという点において、米国特許第６，４９０，５３０号のものとは異なる。対象の粒子の除去が容易になるため、この発明の粒子探索ユニットは、汚染された建物および地域の修復、および証拠にする目的で物証を収集するためにも使用することができる。

　粒子探索ユニットが行なう光散乱測定に関連付けられるのは、それから得られる光学的なオブザーバブルのセットである。細い光線の中を１つずつ通過する単一の粒子に、ある
範囲の散乱角度で光散乱測定を行ない、それらの測定を組合せて光学的なオブザーバブルのセットを形成し、これに基づいて、光線を横切る粒子を個々に特徴付けることができるという概念は、湖沼学と海洋学（Journal of Limnology & Oceanography）、３４巻、９
６頁〜１１２頁（１９８９年）の中で、ワイアット（Wyatt）およびジャクソン（Jackson）によって記載されている。この記事は、９９％を超える確実性で、異なる１０種類のセットの１つのメンバーとして粒子を見分けるための実現例、およびそれに対応する光学的なオブザーバブルの選択を示す。

　光学的なオブザーバブルが既知である特定の種類の粒子を探すという決定を検討すれば、発明の概念が最も明らかになる。そのような粒子は、特定の場所から除去する必要がある既知の汚染物質であるかもしれないし、またはどこにあるかが未知であり、発見して具体的な汚染場所を規定しなければならない粒子かもしれない。

　図１は、粒子探索ユニットの概略図であり、その除去能力を示す。光学読取ヘッド１は、図３および米国特許第６，４９０，５３０号にさらに詳細に示されるが、これはチャンバを通る細い光線を生成する光源２を含む。一般に、光線は固体レーザなどのレーザによって生成される。通常、約１００ｎｍ以下のビームウエストが使用され、光線は平面偏光する。ある種の粒子では、他の偏光を使用して光学活性材料を含む粒子を検出する。粒子は超音波プローブ３によって表面から解放され、除去されるが、この超音波プローブ３は表面と接触して位置付けられ、表面の材料と共鳴する周波数の範囲で調整またはスキャンされ、表面／粒子のインターフェイスに結合される。動作中、調整されたプローブは表面に沿ってスライドされ、エアフローモジュール４によってエアフローが作られ、解放された粒子を粒子取入口５に吸込む。この発明の好ましい実施例では、プローブ３は粒子取入口５と一体化される。さらに、エアフローモジュール４は、光学読取ヘッド１に吸込まれた粒子のまわりに層状のシース流を与え、浮遊させられて運ばれる粒子の流れを希釈して、粒子が光線の中を１つずつ通過するようにする。搭載されたコンピュータ、ＣＰＵ、および関連する記憶装置が６に示される。電源７は、コンピュータ要素６および関連する信号処理電子機器８の両方に電力を提供し、後者は散乱光強度をデジタル表現に変換する。電源は、充電式電池を介した自蔵式であってもよいし、または外部電源から電力を受取ってもよい。好ましい電子機器の構成の詳細は、米国特許第６，４９０，５３０号に示される。測定後、粒子はサンプル収集チャンバ９に保管される。通信モジュール１０は、アンテナ１１を使用して、データセットを送り、および／または中央ユニットからのプログラムされた修正を受け取る。任意の視覚的な表示１２に、ＣＰＵ６によって制御される可聴のアラームを追加してもよい。粒子探索ユニットが小型かつ軽量である場合、ハンドル１３によって持ち運んでもよい。

　図２は、一体型の超音波プローブを示し、粒子取入口５は、プローブの貫通孔１４のみを通してプローブ３に近い外部の領域から空気を吸込む。サンプル収集領域７の一部も示される。

　図３は、米国特許第６，４９０，５３０号による光散乱チャンバの主要な要素を示す。読取ヘッド／散乱チャンバ１には、散乱光検出器またはそこに検出した光を伝送する光ファイバを１５に位置付けることができる。光学分析器を前記検出器またはファイバに装着して、図１の粒子取入口５から読取ヘッド１に吸込まれた粒子１６の偏光解消およびその他の光学的特性を検証してもよい。エアフローモジュール４は、送られる粒子１６を希釈して、それらを層状のシース流に浮遊させて運び、それらを１つずつ光線の中を通過させるための手段を提供する。各粒子によって生成される散乱光の信号は、デジタル信号処理（ＤＳＰ）チップ１７によって前処理してもよい。入射光源２は、この発明の好ましい実施例では、約６８５ｎｍでの波長で作動するＧａＡｓレーザなどの固体レーザである。この装置に好適に実装され得る光源には、他にも多くの種類がある。さらに、２つ以上の光
源を装置で同時に使用してもよい。ＵＶ光源は、蛍光を誘発するための刺激手段を提供する２次的な光源として有用であり得る。このように測定された粒子が排出管１８を通って読取ヘッド１から出ると、廃棄されるか、または、図１のサンプル収集チャンバ９に収集される。サンプル収集素子の精巧さの度合によって、システムは分類用の電子機器を含んでもよく、これによって対象の粒子として分類された粒子のみが収集され、他の粒子はすべて粒子探索ユニットの外の領域に戻される。以前に測定された光学的な特性に基づくエアロゾル粒子の選択的な分類は、粒子分類の当業者には周知の技術である。排出管１８から出る際に光学的なオブザーバブルが一致する粒子を帯電させ、電気手段によってサンプル収集チャンバ９の方に偏向させてもよい。レーザ出力およびエアフローモジュールを制御する電源は、それぞれ１９および２０に示される。ＣＰＵ６および他のすべての電気的要素は、中央電源７から電力を受取る。

　表面から粒子を解放することのできる手段には、プローブ手段を変形することによって設けることのできる、超音波手段以外の手段もある。これらには、空気の短いバースト、加熱、電界の適用、急冷等があるが、これらに限定されない。プローブ構造３を変形して、そのような概念のいずれかまたはいくつかを含むようにしても、この発明の概念から逸脱しない。

　一旦粒子が解放され、読取ヘッドを経由して吸込まれると、それらの散乱光の強度が検出され、デジタルフォーマットに変換され、コンピュータ手段６に記憶されて、後に処理および分析が行なわれる。記憶する前に、ＤＳＰチップ１７によって信号を前処理してもよい。

　図面の説明に記載されるように、この発明の装置は、９つの基本要素またはその変形を含む。

　１）　調査する表面／領域から粒子を除去するための、超音波プローブなどの機械的手段
　２）　そのような解放された粒子を装置内に吸込み、検査する粒子を好適に希釈し、粒子を含まないシース流を与えて、粒子を案内するためのエアサンプリング手段
　３）　層状の流れに浮遊させられて運ばれる粒子の流れに交差し、かつそこから光を散乱するレーザなどの細い光線を与える、光散乱チャンバ手段
　４）　ある選択されたセットの散乱角度で前記散乱光を収集し、前記散乱光を定量化することのできる分析手段を含む、検出器手段のセット
　５）　前記検出器によって検出された前記散乱光強度をデジタル表現に変換し、かつ記憶する、変換手段
　６）　前記変換された光散乱強度を記憶し、かつ処理する、記憶手段
　７）　前記対応する散乱粒子の光学的なオブザーバブルを計算し、前記セットを、以前に定義された、または前記記憶手段に記憶されたセットと比較することのできる、コンピュータ手段
　８）　光学的なオブザーバブルの前記以前に定義された比較セットを前記記憶手段に転送し、光学的なオブザーバブルの前記セットに前記コンピュータ手段が行なった分析の結果を中央ステーションまたはコントローラ手段に送ることができる通信手段、前記コントローラ手段は、前記コンピュータ手段が使用する分析ソフトウェアを変更することができる
　９）　基準セットまたは前記記憶手段に記憶されるセットに光学的なオブザーバブルが対応する粒子が収集される、物理的な保管手段。

　つまり、粒子のある特定の対象のセットの光学的なオブザーバブルは、遠隔測定手段によって送られるか、または何らかの好適なデータインターフェイスを経由して、粒子探索
ユニットの記憶手段に記憶される。粒子探索ユニットは、好ましい実施例では持ち運び可能かつハンドヘルド式であり、調査する領域／表面に運ばれ、前記記憶手段に記憶されるものと光学的なオブザーバブルが一致する粒子がないかを調べる。検出モジュールを作動させ、プローブを前記表面で動かし、調査する表面から粒子を解放する。一旦解放されると、粒子は必要に応じて希釈され、層状のシース流に浮遊させられて運ばれ、１つずつ光散乱チャンバに吸込まれる。各粒子が光線の中を通過すると、その散乱光信号が収集され、それを使用して個々の光学的なオブザーバブルが生成され、求める特定の粒子の光学的なオブザーバブルと比較される。粒子探索ユニットは、光学的なオブザーバブルが一致すると、可聴のアラームを生成し、機器のディスプレイパネルに結果を表示し、および／または光学的なオブザーバブルの比較の結果を中央ステーションに伝送するようにプログラムされる。測定された光学的なオブザーバブルが、求める特定の粒子の光学的なオブザーバブルとどの程度一致するかは、予めプログラムされたコンピュータ手段によって判断される。さらに、各粒子探索ユニットは、未処理データまたは処理済のデータを直接中央ステーションに伝送してもよく、ここで分析が高度化され、完了する。中央ステーションは、粒子探索ユニットに即時アラームを作動するように指示したり、選択されたデータの回路基板上の処理を変更するように指示することができる。粒子探索ユニットは、後に物理的な検査を行なうため、測定したすべての粒子を保持するか、または対象として分類された粒子のみを保持する。

　エアロゾル化学の当業者には、この発明によって、大気中に浮遊し落下したエアロゾル粒子を回収するために長く必要とされてきた手段が実現することを理解されたい。この開示は、そのような装置の好ましい実施例に焦点を当てているが、示される方法および装置には、示される原則の明らかな変形である多くの変形例がある。そのような変形は、この開示および特許請求の範囲に含まれる。

粒子探索ユニットの主要な要素の概略図である。 超音波プローブの好ましい実施例の図である。 光散乱チャンバの主要な要素の概略図である。

符号の説明

　１　光学読取ヘッド、２　光源、３　超音波プローブ、４　エアフローモジュール、５
　粒子取入口。

Claims (26)

1. 　粒子探索ユニットであって、
   　Ａ）　粒子が沈降したと考えられる調査する表面から粒子を解放するための機械的手段と、
   　Ｂ）　１．解放された粒子を前記粒子探索ユニットに吸込み、
   　２．後の単一粒子の検査のために、そのような粒子を希釈し、
   　３．粒子を含まないシース流を提供してそのような粒子を浮遊させて運び、かつ案内するためのエアサンプリング手段と、
   　Ｃ）　前記シース流により浮遊させられて運ばれる粒子の流れに交差し、かつ前記希釈後に粒子が１つずつ通過する際に光を散乱させる細い光線を含む、光散乱チャンバ手段と、
   　Ｄ）　ある選択されたセットの散乱角度で前記散乱光を収集し、前記散乱光の偏光解消特性を定量化することのできる分析手段を含む、検出器手段のセットと、
   　Ｅ）　前記検出器によって検出された前記散乱光強度をデジタル表現に変換し、かつ記憶する変換手段と、
   　Ｆ）　後に処理するために、前記変換された光散乱強度を記憶する記憶手段と、
   　Ｇ）　前記散乱粒子の前記変換された光散乱強度から光学的なオブザーバブルのセットを計算し、かつ以前に定義されたか、または前記記憶手段に記憶されたものと前記セットを比較することのできるコンピュータ手段と、
   　Ｈ）　光学的なオブザーバブルの前記以前に定義されたセットを前記記憶手段に転送し、前記コンピュータ手段によって光学的なオブザーバブルの前記セットに行なわれた分析の結果を中央ステーションまたはコントローラ手段に転送することのできるコンピュータ入出力手段とを含み、前記コントローラ手段は、前記入出力手段を調整する前記コンピュータが使用する分析ソフトウェアを変更することができ、前記粒子探索ユニットはさらに、
   　Ｉ）　選択された粒子を蓄積し、かつ保管する、物理的な保管手段とを含む、粒子探索ユニット。
2. 　前記細い光線は、レーザからのものである、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
3. 　前記コンピュータ入出力インターフェイスは、通信手段によって提供される、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
4. 　粒子を解放するための前記機械的手段は、超音波プローブによって提供される、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
5. 　粒子を解放するための前記機械的手段は、空気の噴射によって提供される、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
6. 　粒子を解放するための前記機械的な手段は、電気的手段によって提供される、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
7. 　前記細いレーザ光線は、平面偏光する、請求項２に記載の粒子探索ユニット。
8. 　表面または特定の領域に沈殿した可能性のある、以前に対象とされた粒子を探索し、かつ除去するための方法であって、
   　Ａ）　粒子が沈降したと考えられる、検査のために選択された表面または特定の領域から、機械的手段によって前記粒子を解放するステップと、
   　Ｂ）　輸送手段を経由して、前記解放された粒子をエアサンプリング手段によって吸込
   み、かつ希釈するステップと、
   　Ｃ）　粒子を含まないシース流を与えて、そのような粒子を浮遊させて運び、前記シース流の流れに浮遊させられて運ばれる粒子の流れに交差する細い光線を内蔵する光散乱チャンバ手段に案内するステップと、
   　Ｄ）　前記希釈後に、各粒子が前記細い光線の中を１つずつ通過する際に各粒子から光を散乱させるステップと、
   　Ｅ）　ある選択されたセットの散乱角度で位置付けられた検出器手段のセットによって前記散乱光を収集するステップと、
   　Ｆ）　分析手段を使用して、前記散乱光から前記粒子の偏光解消効果を検出するステップと、
   　Ｇ）　前記検出器によって検出された前記散乱光強度をデジタル表現に変換するステップと、
   　Ｈ）　前記変換された光散乱強度が記憶される記憶手段に前記デジタル表現を記憶するステップと、
   　Ｉ）　前記散乱粒子からの前記変換された散乱光強度から光学的なオブザーバブルのセットを計算するコンピュータ手段によって、前記変換された光散乱強度を処理するステップと、
   　Ｊ）　前記セットを、求める対象の粒子の前記種類に対応する以前に前記記憶手段に記憶されたセットと比較するステップと、
   　Ｋ）　前記求める粒子の種類の前記光学的なオブザーバブル特性に一致する前記粒子を保管手段に保管するステップとを含む、方法。
9. 　対象の粒子を解放するための前記機械的手段は、超音波プローブによって提供される、請求項８に記載の方法。
10. 　対象の粒子を解放するための前記機械的手段は、空気の噴射によって提供される、請求項８に記載の方法。
11. 　対象の粒子を解放するための前記機械的手段は、電気的手段によって提供される、請求項８に記載の方法。
12. 　前記細い光線は、レーザ手段によって生成される、請求項８に記載の方法。
13. 　前記検出された散乱光強度のデジタル表現への前記変換は、デジタル信号処理手段によって行なわれる、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
14. 　前記ユニットに電力を提供する手段は、組込の電池手段を含む、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
15. 　前記ユニットは持ち運び可能である、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
16. 　前記入出力インターフェイスは、遠隔測定手段によってアクセス可能である、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
17. 　前記探索ユニットは、光学的なオブザーバブルが一致すると、可聴のアラームを生成するようにプログラムされる、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
18. 　前記探索ユニットは、光学的なオブザーバブルが一致すると、機器表示パネルに結果を表示するようにプログラムされる、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
19. 　前記探索ユニットは、光学的なオブザーバブルの一致の結果を中央ステーションに送るようにプログラムされる、請求項１に記載の粒子探索ユニット。
20. 　前記レーザ光線は、平面偏光する、請求項２に記載の粒子探索ユニット。
21. 　前記レーザは、約６８５ｎｍの波長で作動するＧａＡｓレーザである、請求項２に記載の粒子探索ユニット。
22. 　前記検出された散乱光強度のデジタル表現への前記変換は、デジタル信号処理手段によって行なわれる、請求項８に記載の方法。
23. 　前記求める粒子の種類の前記光学的なオブザーバブル特性に一致する前記粒子の保管手段への前記保管は、分類電子機器手段によって制御される、請求項８に記載の方法。
24. 　前記記憶手段は、入出力インターフェイス手段によってアクセス可能である、請求項８に記載の方法。
25. 　前記レーザ光線は、平面偏光する、請求項１２に記載の方法。
26. 　前記レーザは、約６８５ｎｍの波長で作動するＧａＡｓレーザである、請求項１２に記載の方法。

Images