JP2004361383A - 化学的及び生物学的物質の検出及び分析 - Google Patents
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Abstract
【課題】 サンプル（１２）中の化学的成分と生物学的成分とを検出し、且つ分析するための装置（１０）を提供すること。
【解決手段】 この装置（１０）は、サンプル中の成分を検出するために、サンプル（１２）からの放射（２２）を受動的に受容するための分光計（１８）を包含する。テレスコープ（５８）及び／または他の光学デバイス（７０）を使用して、この分光計（１８）の視野を限定する。低温デバイス（２８）をこの分光計（１８）から離してサンプル（１２）の反対側の分光計（１８）の視野内に配置する。この低温デバイス（２８）はサンプル（１２）に対して低温のバックグラウンドを提供するので、サンプル（１２）からの放射を強め、且つバックグラウンドの放射を減少させることができる。
【選択図】 なし
【解決手段】 この装置（１０）は、サンプル中の成分を検出するために、サンプル（１２）からの放射（２２）を受動的に受容するための分光計（１８）を包含する。テレスコープ（５８）及び／または他の光学デバイス（７０）を使用して、この分光計（１８）の視野を限定する。低温デバイス（２８）をこの分光計（１８）から離してサンプル（１２）の反対側の分光計（１８）の視野内に配置する。この低温デバイス（２８）はサンプル（１２）に対して低温のバックグラウンドを提供するので、サンプル（１２）からの放射を強め、且つバックグラウンドの放射を減少させることができる。
【選択図】 なし
Description
発明の分野
本発明は、一般にサンプル中の成分を検出するための装置及び方法に関し、特にサンプル中の特定の化学的または生物学的成分を検出するための装置及び方法であって、前記装置内の分光計の視野のバックグラウンドが、サンプル温度に対して温度が低い(cold)かまたは温度が高い(hot)、前記装置及び方法に関する。
本発明は、一般にサンプル中の成分を検出するための装置及び方法に関し、特にサンプル中の特定の化学的または生物学的成分を検出するための装置及び方法であって、前記装置内の分光計の視野のバックグラウンドが、サンプル温度に対して温度が低い(cold)かまたは温度が高い(hot)、前記装置及び方法に関する。
関連技術の説明
空気中のケミカルクラウド(化学物質の雲状体：chemical cloud)などのサンプル中の特定の成分を、そのサンプル中の分子の分光分析(spectral analysis)によって検出することは、当業界で公知である。この種の検出には、地下のパイプからの天然ガス漏れ、化学物質流出物由来のケミカルクラウド、化学プロセス由来の揮発性有機物質の蒸気、煙突からの汚染、軍事用化学兵器(military chemical warfare agent)、生物学的エーロゾル及び細菌、爆発物または違法薬物、並びに所定の他の化学的または生物学的物質を検出することを含む、多くの用途がある。これらの用途の中には、ppb(10億分の１)レベル以下の検出感度が必要なものもある。
空気中のケミカルクラウド(化学物質の雲状体：chemical cloud)などのサンプル中の特定の成分を、そのサンプル中の分子の分光分析(spectral analysis)によって検出することは、当業界で公知である。この種の検出には、地下のパイプからの天然ガス漏れ、化学物質流出物由来のケミカルクラウド、化学プロセス由来の揮発性有機物質の蒸気、煙突からの汚染、軍事用化学兵器(military chemical warfare agent)、生物学的エーロゾル及び細菌、爆発物または違法薬物、並びに所定の他の化学的または生物学的物質を検出することを含む、多くの用途がある。これらの用途の中には、ppb(10億分の１)レベル以下の検出感度が必要なものもある。
サンプルのこの種の分光分析は、サンプル中の成分が毒性であるかもしれず、そのため健康への危険があったり、またサンプルを直接検出することができないかもしれないので、数kmまで離れるなどの遠隔操作によって行われるものがある。遠隔操作による受動検出(passive sensing)のためにサンプルから検出装置を離しておかなければならない距離は、特定の用途に依存し、用途毎に装置は異なる。
この種の検出及び分析を実施するために、フーリエ変換赤外線(FTIR)分光計などの分光計が、当該予想物質を含むサンプルに誘導され、この分光計はサンプルからの放射(emission)を受動的に受け取る。通常、分光計は、赤外線の波長５〜25μmでの放射を検出する。もしサンプルが、分光計の視野伝いに空、山または他の地形などのバックグラウンドよりも温かいと、サンプル中のターゲット分子は、バックグラウンドの放射よりも強いエネルギーをもつ放射を示すだろう。もしサンプルがバックグラウンドよりも冷たいと、サンプル中のターゲット分子は、バックグラウンドの放射よりも弱いエネルギーの吸収を示すだろう。サンプルがバックグラウンドと同じ温度であると、サンプル中のターゲット分子は光子を放出するのと同じ速度で光子を吸収するので、サンプルから識別可能な正味の放射はない。サンプルとバックグラウンドの間の熱のコントラストが強くなるほど、分光計によって受け取ることが可能な正味の放射が強くなる。
放射から分光計によって生成したスペクトル表示は、サンプル中の分子の指標である特定の波長において放射帯を生じる。物質毎にその分子に典型的なスペクトルの「指紋」をもつので、検出されたスペクトルの表示は、その物質がサンプル中に存在しているか、そして存在する場合にはどれぐらいのレベルであるかを検出するために、当該特定の化学的または生物学的物質の既知のスペクトル指紋と比較することができる。
サンプルとバックグラウンドとの間の熱のコントラストは非常に小さいことが多いので、当業界で現在使用されている公知の遠隔操作による検出法には問題がある。たとえば、疑わしい化学的または生物学的クラウドの温度は、通常、バックグラウンドの温度よりも約２〜３℃しか温かくない。そのように温度差が小さいので、クラウドからの検出可能な放射は、通常、非常に弱い。そのため、シグナル対ノイズ比が悪くなり、検出感度が悪くなって、ことによると誤り検出の割合が高くなるかもしれない。
本出願の譲受人に譲り受けられ、本明細書中、参照によって含まれる「Remote Trace Gas Detection and Analysis」なる表題の米国特許第6,531,701号では、この問題に取り組んでいる。この米国特許第6,531,701号特許では、装置で放射線ビーム(radiation beam)を使用し、ケミカルクラウドなどのサンプルを照射して、バックグラウンドに対してその温度を上昇させている。放射線ビームの波長は、そのクラウド中の特定のターゲット分子と共鳴状態にあるように、または空気中に通常存在する水蒸気または酸素原子と共鳴状態にあるように選択する。この共鳴によって、ターゲット分子、水蒸気または酸素分子を回転または振動させて、そのエネルギーを増加させる。衝突エネルギーの移動で分子内緩和が生じるため、放射線エネルギーが熱化される。これらの因子が周囲のバックグラウンドに対してクラウドの温度を上昇させて、クラウド中の分子の放射強度を高めて、検出が改善される。この放射を捕集して、分光計により分析する。
研究室での蒸気サンプル、液体サンプル、固体サンプルなどのサンプルの分析に関して、当業界で吸収法が一般に使用されている。高温源からの放射線をサンプル内に透過し、透過放射線を分光計によってスペクトル的に解析する。サンプルによる吸収は、透過放射線と入射放射線との間の差として測定する。
吸収法では、サンプル中の特定の成分を検出する感度は、その成分の周波数指紋での入射放射線と透過放射線との差を解析する装置の能力によって制限されている。言い換えれば、検出感度は、大きな入射放射線シグナル由来の小さな吸収シグナルを解析する装置の能力によって決定される。また、固体サンプルは微粉末に粉砕して、好適な屈折率整合性の(index-matching)液体媒体または臭化カリウム粉末と混合しなければならない。さらに、サンプルのいたる所に空隙なく、サンプルセル中に均一な厚さでサンプルを準備しなければならない。もし空隙があると、サンプル内を漏れた光が測定に誤差をもたらしかねない。従って、公知の吸収法では、完璧にサンプルを調製しなければならない。
液体サンプルを分析するための一般的な分析装置である、高速液体クロマトグラフィー法(HPLC)の流出液を測定する吸収法は、当業界でも公知である。多くの公知の装置では、HPLCからの流出液の量は非常に少ないので、検出感度は下限に近い。
現在、空気中でインサイチュー（in-situ）で粒状エーロゾル、バイオエーロゾル(bio-aerosol)または液体エーロゾルの分光分析用に適した方法はない。エーロゾルにより散乱された光からの抗しがたい影響のため、赤外線吸収法は容易には使用できないのである。
発明の概要
本発明の一態様に従って、サンプル中の成分を検出且つ分析する装置を開示する。この装置は、サンプル中の成分を検出するためにサンプルからの放射を受動的に受け取るための分光計を含む。この分光計の視野を画定するために、テレスコープまたは他の光学デバイスを使用することができる。低温デュワーまたは電動クーラーなどの低温デバイス（cold device）を、分光計から離してサンプルの反対側で分光計の視野内に配置する。この低温デバイスは、サンプル温度と比較して低温のバックグラウンドをもたらすので、熱コントラストが増加して、サンプルからの放射が増加する。さらに、分光計によって受け取られたままのバックグラウンドの放射は、低温デバイスが存在するため非常に少ない。従って、サンプル中の成分からの放射は、バックグラウンドの放射が非常に少ないか、殆ど存在しない状態で、分光計によって正確に解析することができる。分光計の視野を小さな領域に焦点を合わせるために光学素子を準備できるので、比較的小さな低温のターゲットがこの用途に適している。
本発明の一態様に従って、サンプル中の成分を検出且つ分析する装置を開示する。この装置は、サンプル中の成分を検出するためにサンプルからの放射を受動的に受け取るための分光計を含む。この分光計の視野を画定するために、テレスコープまたは他の光学デバイスを使用することができる。低温デュワーまたは電動クーラーなどの低温デバイス（cold device）を、分光計から離してサンプルの反対側で分光計の視野内に配置する。この低温デバイスは、サンプル温度と比較して低温のバックグラウンドをもたらすので、熱コントラストが増加して、サンプルからの放射が増加する。さらに、分光計によって受け取られたままのバックグラウンドの放射は、低温デバイスが存在するため非常に少ない。従って、サンプル中の成分からの放射は、バックグラウンドの放射が非常に少ないか、殆ど存在しない状態で、分光計によって正確に解析することができる。分光計の視野を小さな領域に焦点を合わせるために光学素子を準備できるので、比較的小さな低温のターゲットがこの用途に適している。
本発明のもう一つの態様により、サンプル中の成分を検出且つ分析するためのもう一つの装置を開示する。この装置は、分光計と、電磁放射線源とを含む。テレスコープまたは他の光学デバイスを使用して、分光計の視野を画定することができる。電磁放射線源は、レーザーまたはマイクロ波源であってもよい。この放射線源を使用して、分光計の視野に沿ってサンプルの背後のバックグラウンドターゲットを照射する。照射によってバックグラウンドターゲットを加熱し、サンプルに対してバックグラウンドターゲットの温度を上昇させる。分光計を使用して温かいバックグラウンドターゲットからの放射がサンプル内を通過するに従って、吸収スペクトルを解析する。
本発明のさらなる好都合な点及び特徴は、添付図面と併せて、以下の記載及び請求の範囲から明らかになろう。
発明の詳細な説明
低温バックグラウンドまたは加熱バックグラウンドに対してサンプル成分を検出する装置に向けられた本発明の以下の議論は、本質的に単なる例示であって、本発明またはその用途若しくは使用をいかなるものにも制限するものではない。
発明の詳細な説明
低温バックグラウンドまたは加熱バックグラウンドに対してサンプル成分を検出する装置に向けられた本発明の以下の議論は、本質的に単なる例示であって、本発明またはその用途若しくは使用をいかなるものにも制限するものではない。
図１は、サンプルチャンバ１４内に閉じこめられたサンプル１２中の成分を検出するための検出及び分析装置１０の平面図である。本明細書中で述べるように、このサンプル１２は、蒸気またはエーロゾル状の化学的及び生物学的物質であってもよい。この装置１０は、サンプルチャンバ１４内の空気をサンプリングし追随することによって、空気中の化学薬品の蒸気、液体エーロゾルまたは生物学的エーロゾルを検出且つ分析する。一態様では、このチャンバ１４はガラスチャンバであるが、本明細書中で述べる目的に関して好適な任意のチャンバであってもよい。分光計１８は、チャンバ１４内のウィンドウ２０内を放出されたサンプル１２由来の受動放射(passive emission)２２が分光計１８によって受け取られるように、チャンバ１４に対して配置される。一態様において、この放射２２は、５〜25μmの範囲の赤外線である。上述の如く、この分光計１８は放射２２をスペクトルディスプレイ中でその構成波長に分割して、その中の特定成分の指紋を同定する。
分光計１８は、本明細書中で記載する目的に好適な任意の分光計であってもよい。たとえば、分光計１８は、FTIR分光計、格子同調分光計(grating tuned spetrometer)、オプト・アコースティック分光計、サーキュラー・バリアブル・フィルタ分光計、線形バリアブル分光計、MEMS分光計などであってもよい。あるいは、スペクトラル・イメージャを分光計１８の代わりに使用して、放射２２の放射スペクトルだけでなく、放射２２の空間分布(spatial distribution)も解明して、バックグラウンドシーン由来の放射を解析しやすくできる。
分光計１８の視野２４は、アパーチャ２６によって限定される。本発明により、低温デバイス、ここでは液体窒素デュワー２８を、示されているように分光計１８から離してチャンバ１４の反対側で分光計１８の視野２４に配置する。液体窒素デュワーは、通常、約77Kの温度である。この低温デバイスは、本明細書中で記載する目的に関して好適な任意の低温デバイス、たとえば、液体窒素、電動クーラー、たとえば熱電クーラー、低温(cryogenic)クーラーなどであってもよい。示されているように、鏡３０を使用して、分光計１８の視野２４をデュワー２８に下向きに方向付ける。
ウィンドウ３２をウィンドウ２０から離してチャンバ１４の反対側に配置して、デュワー２８が分光計１８の視野のバックグラウンドに入るようにする。このウィンドウ２０と３２は、当該範囲の波長、たとえば５〜25μmでの受動放射に対し高い透過率で、且つ低い反射率でなければならない。こうすると、ウィンドウ２０と３２自体からの受動放射がサンプル１２のスペクトル表示に悪影響を与えないので望ましい。さらにウィンドウ２０と３２は、周囲光をあまり散乱させない材料製でなければならない。好適なウィンドウの例としては、磨いた塩のウィンドウ(polished salt window)、たとえば臭化カリウム、ヨウ化カリウム若しくは塩化ナトリウム、反射防止(AR)コーティングセレン化亜鉛(ZnSe)ウィンドウなどが挙げられる。サンプルによっては、ウィンドウ２０と３２を取り外してもよく、このとき、ウィンドウ２０と３２由来の受動放射が測定に影響しないようにチャンバ１４の末端は開放になっている。
分光計１８の視野２４の低温バックグラウンドターゲットは、上記の如き方法でサンプル１２からの放射２２を強めるサンプル１２とバックグラウンドとの間に温度差を提供する。さらに、低温バックグラウンドからは放射が少ないか、または全くない。従って、前記'701号特許で実施されたようにサンプルを加熱する代わりに、本発明の一態様では、サンプル１２の温度に対してバックグラウンドを冷却して、同様の効果を得ている。
この装置１０に関して測定手順を使用する。詳しくは、チャンバ１４内にサンプル１２を含まないバックグラウンド放射スペクトルを分光計１８により測定する。次いで、サンプルの放射スペクトルを、チャンバ１４内にサンプル１２を含む装置１０によって測定する。次いでバックグラウンドスペクトルからサンプルスペクトルを差し引くことによって、放射スペクトルを得る。この放射スペクトルは、既知の温度での黒体源からの放射線出力によって絶対濃度単位(absolute concentration unit)にさらに校正することができる。本発明に従った、サンプル１２中の成分の測定時間は、20ｍｓから約１分のオーダーである。
図２は、本発明のもう一つの態様に従った、同じ要素は同じ参照番号によって識別される、装置１０と同様の検出及び分析装置４０の平面図である。この態様において、チャンバ１４は、サンプル１２を撹拌するためのファン４４と４６とを含むサンプルチャンバ４２である。この態様は、粉末サンプルをエーロゾル化することによって、粉末サンプルの成分を検出するための特定の応用例である。一態様において、微粉末、たとえばバチルス・グロビギ(Bacillus Globigii：BG)胞子、Cab-O-Sil(SiO2)などが、チャンバ４２内に設置されるサンプル１２である。ファン４４と４６は、微粉末を、チャンバ４２内を循環するエーロゾルに吹き込む。あるいはネブライザー４８を使用して、チャンバ４２内に液体サンプル由来の液体エーロゾルを発生させることができる。
図３は、本発明のもう一つの態様に従った、同じ要素は同じ参照番号によって識別される、上記装置１０と４０と同様の検出及び分析装置５２の平面図である。この態様において、装置５２は、分光計１８から遠隔操作によって空気中の化学的または生物学的クラウド５６を検出している。サンプルクラウド５６は、空気中に存在し得る、任意の化学薬品の蒸気、風媒粉末、化学薬品のエーロゾルまたはバイオエーロゾルであってもよい。テレスコープ５８はクラウド５６からの放射６０を捕集し、分光計１８の入口アパーチャ上に放射６０を集中させる。この態様において、テレスコープ５８は、対物面鏡６２とセンターリフレクター６４とを含むカセグレン型テレスコープである。しかしながら、ニュートン式テレスコープなどの他のタイプのテレスコープも使用することができる。
このテレスコープ５８は、低温デバイス６８に対して分光計１８の視野２４に集光し、方向付けるためのコリメーターとしても作用する。上記の如く、この低温デバイス６８は、特定の用途に適した任意の低温デバイスであってもよい。対物面鏡７０または他の好適なコリメーターを使用して、低温デバイス６８上に分光計１８の視野を集光させる。この鏡７０によって、比較的小さな面上に分光計１８の比較的広い視野２４を集中させることができる。従って、分光計１８と低温デバイス６８との間の距離は、サンプルクラウド５６の隔離検出(standoff detection)を提供するために比較的長くてもよい。
図４は、本発明のもう一つの態様に従った、同じ要素は同じ参照番号によって識別される、上記装置１０と同様の検出及び分析装置７６の平面図である。この態様において、チャンバ１４は、透過サンプルウィンドウ７８と置き換わっている。透過ウィンドウ７８は、５〜25μmの波長範囲で最大透過を提供できる、反射防止(AR)コーティングのついたZnSeウィンドウなどの反射率の低い任意の好適な透過材料でつくってもよい。サンプル８０をサンプルウィンドウ７８の上面に設置する。サンプル８０は、微粉末または液体サンプルであってもよい。上記の如く、鏡３０を使用して、デュワー２８に分光計１８の視野を向ける。別の態様では、鏡３０を集束ミラー、たとえば対物面鏡と置き換えて、広い視野を小さな低温表面に集めることができる。
サンプル８０が液体サンプルである場合、光がその中を透過できるように、液体の薄膜をウィンドウ７８に設置する。このサンプル８０は、さらに調製する必要はない。一態様において、液体サンプルの厚さ、または液体サンプル液滴の直径は、サンプルの吸収長(absorption length)よりも小さくなければならない。
粉末サンプルが微粉末状でない場合、サンプルを微粉末に粉砕してから、サンプルウィンドウ７８に設置する。粉末中の粒子のサイズは、当該波長未満でなければならず、及び／または粒子の吸収長未満、たとえば約５μm未満でなければならない。低温バックグラウンドは、サンプル１２とバックグラウンドとの間に有意な温度差を提供するので、粉末サンプルによって生じた光散乱は、装置７６の当該成分を検出する能力には有意に影響しない。従って、粉末サンプルは、好適に測定するために他の物質と混合する必要はない。かくして、サンプル１２の調製時間は、現在、当業界で必要な時間よりもかなり短縮することができる。
本発明の低温バックグラウンド放射法は、生物学的、有機及び無機物質の生物学的エーロゾル、液体エーロゾル及び微粉末の赤外線放射スペクトルの観察を始めて可能にしたものと考えられる。化学薬品の蒸気ppb(10億分の１)レベル及び空気１リットル当たり粒子1,000個未満の高感度レベルは、本発明の放射法によって達成することができる。
図５は、低温バックグラウンドターゲットを使用した場合と使用しない場合での周囲バックグラウンドの放射の比較を示す、縦軸に相対強度と横軸に波長をとったグラフである。特にグラフのライン９０は、低温バックグラウンドターゲットを用いない場合の周囲バックグラウンドの放射を示す。グラフのライン９６は、低温バックグラウンドでの放射を示す。
図６は、グラフのライン１００が、約23℃の周囲温度での、プランク関数(Planck function)により計算した理論黒体放射を示す、縦軸に輝度（radiance）と横軸に波長をとったグラフである。グラフのライン１０２は、熱電クーラーによって提供された133Kの低温バックグラウンドでのプランク関数によって計算した放射を示す。グラフのライン１０４は、液体窒素によって提供された77Kの低温バックグラウンドでのプランク関数によって計算した理論上のバックグラウンド放射を示す。
理論的には、図６に示されているように、液体窒素によって冷却された表面での放射は無視できるものでなければならない。しかし、図５に示されているように、低温バックグラウンドターゲットを用いるバックグラウンド放射は比較的高い。分光計１８内の光学部品の自己放射(self emission)または反射は、液体窒素のデュワーを使用する際に、無視できないバックグラウンド放射を引き起こしかねないと推測される。分光計１８内の光学部品の反射及び自己放射を最小化すると、バックグラウンドの放射をさらに低減でき、検出感度が改善される。熱電クーラーは、当該スペクトル範囲において有意に低いバックグラウンド放射をもたらすようである。
図７は、装置１０を使用する、SF6サンプルの放射スペクトル、グラフのライン１１０を示す、縦軸に相対強度と横軸に波長をとったグラフである。10.58μmにおける放射帯は、バックグラウンド放射スペクトル、グラフのライン１１２と比較してはっきりと解析されている。
図８は、圧力の関数として、バックグラウンド放射スペクトルに標準化したSF6のピーク放射強度を示す、縦軸に放射または吸収パーセントと横軸に圧力をとったグラフである。放射強度、グラフのライン１１４と、SF6圧力との間の近直線性(near linearity)は、定量分析に関する本発明の放射方法の有用性を示している。グラフのライン１１６は、比較のためにSF6の吸収を示す。この吸収データは、500℃での熱源を使用して測定した。この比較は、本発明の放射法が、慣用の吸収法よりもずっと感度が高いことを示している。本放射法の最小検出可能レベルは、ほぼ同一構造、則ち同一路程(pathlength)を使用する吸収法のレベルよりも約50倍も低いことが知見された。
図９は、700トールの圧力及び低温バックグラウンドとして液体窒素を使用するSF6/N2混合物サンプル中のSF6の放射スペクトルを示す、縦軸にバックグラウンドより高い放射パーセントと、横軸に波長をとったグラフである。グラフのライン１２０は、混合物中の10.8ppbのSF6を示し、グラフのライン１２２は混合物中の５ppbのSF6を示し、グラフのライン１２４は、混合物中の２ppbのSF6を示す。この実験に関しては、チャンバ１４の路程は約50cmであり、シグナル対ノイズ比は、２ppbレベルで約１〜２であった。従って、最小検出可能濃度限界は、現行の構成では約１ppbであるものと推測される。
本発明の一つの構成では、FTIR分光計は、約50cmの路程をもった、約0.25cmの比較的小さな断面の観測領域(viewing area)をもつ。本放射法は、たとえば、図３に示されているように長いサンプルよりも比較的大きなテレスコープを使用し、検出容積を増加させるだけで従前に検出された場合よりもずっと感受性を高くすることができる。他方、吸収法の感度は、路程を長くすることによってのみ改良することができる。したがって、本放射法は、吸収法よりもずっと感度が高く、その最小検出可能濃度は、本明細書中で報告したように、ppbよりもずっと低いレベルにも達することができる。
図１０は、装置１０を使用して測定した数種類の圧力での液体窒素バックグラウンドを用いたDMMPの放射スペクトルを示す、縦軸にバックグラウンドより高い放射パーセントと、横軸に波長をとったグラフである。DMMPは、その物理的特性及び吸収スペクトルが、GA、GB、GD及びVXを含むリン酸塩ベースの化学薬品と非常に酷似しているので、化学試薬の刺激剤(stimulant)として使用されることが多い。一番上のグラフのライン１２６は、0.0996トールにおける放射スペクトルを示し、一番下のグラフのライン１２８は、0.0006トールにおける放射スペクトルを示し、他はその間の圧力における放射スペクトルである。
図１１は、9.512μmでのDMMP蒸気圧力の関数としての放射及び吸収測定の比較を示す、縦軸に放射または吸収パーセントと、横軸にDMMP蒸気圧をとったグラフである。グラフのライン１３２は放射スペクトルを示し、DMMP圧力と9.512μmでの放射ピークとの間にほぼ直線的な関係があることを示す。グラフのライン１３４は、500℃での熱源を使用する吸収スペクトルを示す。この比較は、本発明の放射法が、従来の吸収法よりもずっと感受性が高いことを示す。これらの結果は、本発明が、非常に低いレベル、毒性の閾値未満でも空気中の化学薬品を検出するのに利用し得ることを示している。
図１２は、装置７６によって測定した数種類の微粉末の放射スペクトルを示す、縦軸に輝度と横軸に波長をとったグラフである。特に、グラフのライン１４２は、BG胞子の放射スペクトルを示し、グラフのライン１４０は、Cab-O-Silの放射スペクトルを示し、グラフのライン１４４は、オボアルブミンの放射スペクトルを示し、及びグラフのライン１４６は、煤煙(soot)の放射スペクトルを示す。Cab-O-Silは、通常、SiH4と酸素の燃焼によって生じるSiO2微粉末の商標名である。BG胞子は、生物学的薬剤の刺激剤として使用されることが多い。BG胞子、Cab-O-Sil及び煤煙は、その通常の構成で分析することができるが、オボアルブミンは粉砕しなければならない。平均粒径は、BG胞子、Cab-O-Sil、煤煙及びオボアルブミンに関してそれぞれ約1.5、3.8、0.78及び8.6μmであることが測定された。この放射スペクトルは、黒体源を使用して絶対輝度単位に校正した。
煤煙の放射スペクトルは、周囲温度における黒体曲線と似たプロフィールを示さなければならない。しかしながら、図１２に示されている煤煙の放射スペクトルは、黒体の放射スペクトルから外れている。この逸脱は、おそらく分光計１８のスペクトル感度によるものであろう。
分光計１８により生じた偏差を取り除くため、これらの微粉末の放射スペクトルを煤煙に対する比で示す。図１３は、煤煙に対する比で示したこれらの微粉末の放射スペクトルを示す、縦軸に煤煙に対する輝度と横軸に波長をとったグラフである。特にグラフのライン１５０はBG胞子に関する煤煙放射スペクトルに対する輝度であり、グラフのライン１４８は、Cab-O-Silに関する煤煙放射スペクトルに対する輝度であり、グラフのライン１５２は、オボアルブミンに関する煤煙放射スペクトルに対する輝度である。
Cab-O-SilとBG胞子の比で示した放射スペクトルは、既知の吸収データと一致した。この好ましい比較結果は、本発明の放射法が微粉末の特徴的なIR放射を測定するのに使用できることを示唆している。他方、オボアルブミンの放射スペクトルは、煤煙の放射スペクトルと非常に似ていた。この粒径が重要な役割を果たしているのかもしれないと推測される。オボアルブミンの平均粒径は、BG胞子及びCab-O-Silそれぞれの1.5及び3.8μmと比較して、約8.6μmであることが判明した。粒子の吸収長さと比較して粒径が大きくなるに連れて、その放射は黒体様の放射スペクトルを示すことがある。もっと粒径の小さいオボアルブミンでの詳細な実験では、指紋スペクトルがよりはっきりするかもしれない。
図１４は、装置７６により測定したフルオレセインの放射スペクトルを示す、縦軸に輝度と横軸に波数をとったグラフである。フルオレセインの放射スペクトルは、純粋な(fine)分子の振動帯を示す。この帯の位置は、フルオレセインの既知吸収スペクトルの位置と一致する。フルオレセインサンプルの粒径は、約0.8μmであることが測定された。
図１５は、チャンバ４２中のBGエーロゾル、グラフのライン１５６と、ウィンドウ２０、３２に形成したBG、グラフのライン１５８の検出放射スペクトルを示す、縦軸に輝度と横軸に波長をとったグラフである。BGエーロゾルの放射測定は、チャンバ４０内のウィンドウ２０と３２の存在下で実施した。この放射スペクトルは、ウィンドウ２０と３２とに捕集されたエーロゾルと粒子の両方からに由来することが知見された。ウィンドウ２０と３２からの寄与分は、ファン４４と４６が停止された後にも持続するので、この二つの寄与分は区別して考えることができる。BGエーロゾルの図１５に示されている放射スペクトルは、ウィンドウ２０と３２とに捕集された微粒子の放射スペクトルと殆ど同じであった。これは、バクテリアのエーロゾル由来の放射スペクトルに関して初めて観察されたことであるかもしれない。
図１６は、装置７６を使用した、液体DMMPに関しての放射スペクトル、グラフのライン１６０と、液体サリチル酸メチルの放射スペクトル、グラフのライン１６２を示す、縦軸に輝度と横軸に波長をとったグラフである。サリチル酸メチルとDMMPは、液体サンプル８０としてウィンドウ７８上に散在していた。通常、そのように散在した液体は、サンプル８０の中に光が漏れてしまうので、公知の吸収法では容易に測定することができない。しかしながら、本発明の放射法では、サンプル８０の中で光が漏れても、サンプルを詳細に調製せずに放射スペクトルを提供することができる。
図１７は、装置４０を使用した、トリブチルホスフェート、グラフのライン１６６とシリコーン油、グラフのライン１６８の液体エーロゾルの放射スペクトルを示す、縦軸に輝度と横軸に波長をとったグラフである。このサンプルはネブライザー４８によって霧状にした。殆ど蒸気圧を持たない液体を選択して、蒸気由来の放射による干渉を全て避けた。
図１８は、本発明のもう一つの態様に従った、空気中に化学的または生物学的クラウド１７８を遠隔操作によって検出するための検出及び分析装置１７６の平面図である。この態様において、電磁放射線源１８２を使用して、クラウド１７８の後ろにある丘、地形、木またはビルなどのバックグラウンドターゲット１８４を遠隔操作により照射する。この装置１７６は分光計１８０を含み、クラウド１７８とバックグラウンドターゲット１８４が分光計１８０の視野方向に沿っている。放射線源１８２は放射線ビーム１８６を放出し、これはビーム拡大テレスコープ１８８によって拡大されて、バックグラウンドターゲット１８４に向かう。この放射線１８６はバックグラウンドターゲット１８４を加熱して、その温度をクラウド１７８に対して上昇させる。温かいバックグラウンドターゲット１８４からの放射１９０は、クラウド１７８の中を通過するに連れてクラウド１７８中の成分の指紋吸収スペクトルを示すだろう。
分光計１８０は、クラウド１７８に対して配置して、吸収スペクトルを解析し、その中の成分を同定する。この分光計１８０は、FTIR分光計、格子同調分光計、オプト・アコースティック分光計、サーキュラー・バリアブル・フィルタ分光計、線形バリアブル分光計、MEMS分光計などの、本明細書中に記載の目的に好適な任意の分光計であってもよい。あるいは、分光計１８０の代わりにスペクトルイメージャを使用して、放射スペクトルだけでなく、放射の空間分布も除いてバックグラウンドシーン由来の放射を除去しやすくすることができる。受信用テレスコープ１９２は、クラウド１７８を通るバックグラウンドターゲット１８４からの放射１９０を受けて、その放射１９０を分光計１８０に集中させる。従って、上記の如く調製済み低温バックグラウンドを使用する代わりに、また前記'701号特許でなされていたようにサンプルを加熱する代わりに、本発明のこの態様では、同種の効果を達成するために、クラウド１７８の温度に対して遠隔操作的にバックグラウンドターゲット１８４を加熱することを提案する。
源１８２は、マイクロ波源、またはCO2レーザ、HFレーザ、DFレーザ、固体レーザ若しくはファイバーレーザ等のレーザビーム源であってもよい。前記'701号特許は、放射線の波長は、クラウドの化学成分または大気の分子と共鳴状態にあるべきことを開示している。本発明のこの態様に関しては、どの波長でもバックグラウンドターゲットを加熱するのに有効であるため、電磁放射線１８６に関して波長を選択するのに制限はない。しかしながら、電磁放射線１８６は、クラウド１７８に対して十分にバックグラウンドターゲット１８４の温度を上昇させるために十分な電力、好ましくは数十ワット〜数十キロワットの範囲でなければならない。
上記記載は、本発明の単なる例示的態様を開示且つ記載したものである。当業者はそのような記載並びに添付図面及び請求の範囲から、請求の範囲に定義の如き本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正及び変形が可能であることは容易に理解できよう。
Claims (10)
- サンプル中の化学的及び生物学的成分を検出且つ分析するための装置であって、
前記サンプルからの放射に応答性の分光計、ここで、前記分光計は視野をもち、視野にサンプル中の成分の放射スペクトルを発生させる；及び
前記分光計の視野に配置された低温デバイス、ここで、前記低温デバイスは前記サンプルの温度に対して低温のバックグラウンドをもたらす、を含む前記装置。 - 前記低温デバイスが、電動クーラー、たとえば熱電クーラー及び低温クーラー、並びに低温デュワー、たとえば液体窒素デュワーからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
- 前記分光計が、フーリエ変換赤外分光計、格子同調分光計、オプト・アコースティック分光計、サーキュラー・バリアブル・フィルタ分光計、線形バリアブル分光計、MEMS分光計、及びスペクトラル・イメージャからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
- さらに透過ウィンドウを含み、前記サンプルがこの透過ウィンドウ上に置かれている、請求項１に記載の装置。
- さらにサンプルチャンバを含み、前記サンプルがこのチャンバ内に閉じこめられている、請求項１に記載の装置。
- 前記サンプルチャンバが、チャンバ内で微粉末状の前記サンプルを粒状エーロゾルに撹拌するためのファンを含む、請求項５に記載の装置。
- 前記サンプルチャンバが、チャンバ内で液状のサンプルを液体エーロゾルに噴霧するためのネブライザーを含む、請求項５に記載の装置。
- 前記サンプルが、蒸気、粉末、液体またはエーロゾル状の液体サンプル、粉末サンプル、液体エーロゾルサンプル、粒状エーロゾルサンプル、バイオエーロゾルサンプル、蒸気サンプル、ガスサンプル、化学薬品、生物剤、工業薬品、毒素、薬品、菌、花粉及び火薬からなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
- 前記分光計の視野を視準するためのテレスコープをさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記低温デバイス上に前記分光計の視野の焦点を合わせるための焦点用光学器械をさらに含む、請求項１に記載の装置。
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