JP2005520169A - 空気感染性生物剤を迅速に検出し分析するシステム、方法、および装置。 - Google Patents

Abstract

空気中に浮遊する粒子を検出するために空気のサンプルを収集する採取装置（１）および方法で、前記採取装置は、２つの実質的に同一のサンプルを並列した吸気通路から捕獲可能である。

Description

出願人は、１９９９年１１月８日に出願された米国出願番号第６０／１６４，２５１号および２０００年１１月８日に出願された米国出願番号第０９／７０７，９３７号の出願日の恩恵を主張する。

本発明は、空気感染性生物病原体の検出に関する。より詳細には、本発明は、生物兵器として使用可能な所定の有害な生物病原体と一致する大きさの空気中に浮遊する粒子を検出する採取器および粒子検出器に関する。さらに、本発明は、空気感染性生物病原体の可能性を検出するために使用可能な本明細書に記載の採取器を統合したシステムに関する。

米国の官僚の間では、大衆が一塊に集まった場合、または公共行事に参加している際、テロリストの攻撃に弱いのではないか、特に、空気感染性生物病原体兵器および化学兵器による攻撃に弱いのではないかという懸念がある。大勢の人間が集まる行事として、例えば、パレード、国家の式典、地方の式典、スポーツのイベント、マーチ、および政党の大会などを列挙することができる。さらに、公衆衛生に関わる官僚の間では、地下鉄線、屋内競技場、ショッピングモール、オフィスビル、および大規模宴会場などの大きな屋内環境でそのような生物および化学兵器が散布されることに対する懸念がある。公衆衛生に関わる官僚および治安に関わる官僚の間では、ＦＢＩ、ペンタゴン、ホワイトハウス、国会議事堂、軍事施設、海軍艦艇などの特定の政府系施設の近辺を標的として生物剤が撒かれることに対する懸念がある。これらの施設のある場所はいずれもテロリストにとって格好の標的となりえ、この脅威から、標的となりうる地理的な範囲に検出装置を設置して監視することに関連する費用は正当化されうる。

テロリストにとっては、空気感染性生物剤を効果的に撒く方法について、兵站上の問題は残るものの、いくつかの方法が考えられる。現在のところ、上述の生物剤を空気中に散布する方法として、飛行機または地上の移動システムから噴霧する方法が予想される。一般的に、効果的な生物兵器とするためには、空気感染病原体を１〜２０ミクロン、好ましくは１〜５ミクロンの大きさの微粒子にして散布する必要があることが認められている。通常、煙霧状または凍結乾燥した、炭疽菌、天然痘、ブルセラ症、野兎病、ベネズエラ脳炎（ＶＥＥ）などの原因物質により感染する場合、最も可能性が高いケースとしては、約１〜５ミクロンの大きさの微小粒子を、感染量、深く吸い込む必要がある。生物剤を煙霧状にして噴霧することは、農薬散布器、小型船、トラック、または自動車の煙霧発生器、持ち運び可能な噴霧器、および、香水用に使えるような小さな霧吹きなどによる、いわゆる「ローテク」な煙霧散布方法により実現することができる。

通常、生物攻撃の場合、毒性の原因物質に最初に汚染されてから所定の期間が経過しなくては症状が現れないため、原因物質を早期に正確に識別することが極めて重要である。原因物質を迅速に識別すると、関連機関が速やかに、避難、検疫、教育活動、治療の管理など、必要な処置を実施することが可能になる。ある環境で生物剤を早期に検出すると、早期に個別の治療が可能になり、予防を効果的に行うことができる時間が得られる。誤って陽性と判定することなく、正確に原因物質の存在を検出する能力は、特に、民間人および政府高官の公衆衛生に重要である。早期に、迅速に、正確に検出することは、捜査関係者の間でも最大の関心になっている。そのような捜査当局が生物攻撃が進行中であることを迅速に察知、理解すると、実行犯を捕らえるチャンスも増えることになる。

本発明は、周囲の空気を並列して採取する二重式の吸気およびフィルタリングシステムを含む、空気中に浮遊する粒子の採取および検出装置に関する。第１の空気流は、空気中に含まれる粒子の存在と大きさに応じて信号を提供する粒子検出器を通過する。粒子検出器は、それらの信号に対して特に敏感であるように調整されている。好ましい実施の形態では、粒子検出器は、ＬＥＤと、空気流に含まれる粒子から反射された光の存在を検出する光検出の配列から構成されている。極めて大きな粒子は、網目スクリーンにより吸気口に入らないようになっている。光検出器からの信号は、マイクロプロセッサに送信され、保存され、既知の環境からの信号と比較される。例えば、光検出器からのパルスの期間および強度は、それぞれの粒子の大きさを表す。光検出器からの信号が既知の信号に類似している場合、マイクロプロセッサは、データが無線リンクを介して送信さるように通信プログラムを実行する。代替の実施の形態では、マイクロプロセッサは信号を処理して、信号強度の基準線との増加分が所定の量であるか探索する。所定のしきい値を越えている場合、通信プログラムが実行されて記憶装置からのデータが送信リンクを介して通信される。採取ステーションは、粒子を捕獲する粒子検出器の下流を横切る２つの並列のフィルタを有している。複数のフィルタがその場所に配置されており、それらのフィルタには自動的に所定の時間間隔で連続して空気流が導かれる。空気流からそれらのフィルタが取り外されると、フィルタは密封され、確保され、時間と、サンプルの場所などその他の情報のラベルが貼られる。

本発明の好ましい実施の形態では、粒子の大きさに関する情報に加えて、その他の情報として採取ステーション、採取ステーションの位置、周囲の気象条件、データが記録された時間を識別する情報がある。このため、好ましい実施の形態では、採取ステーションは、全地球測位システム、時計、気象観測装置を有する。これらの装置からのデータはそれぞれ、遠隔の場所に送信される。さらに別の好ましい実施の形態では、特定の地理的場所において、複数の採取装置が遠隔の場所から継続的に監視されている。データは、光検出器からの入力または技術者による読み取りとは無関係に、所定の時間間隔で自動的に送信されてもよい。こうして、データは分析と処理のために遠隔のコマンド装置の場所に送信される。例えば、光検出器からのデータは、風速およびサンプルの時間と相関を対応付けることができる。後で、所定の時間間隔で、または、例えば、
光検出器からの信号が所定のしきい値を超えたことを示すプロセッサからの信号に応じて、対応する時間間隔のフィルタは採取ステーションから収集され分析される。

本発明はさらに、様々な地理的地域の複数の上述の採取装置と、予め選択された目標とする生物剤の迅速な定性分析の装備を備えた移動実験室を備え、採取装置は、好ましくは無線により、中央コマンド装置と通信可能な、空気感染性生物病原体を検出する統合移動システムを提供する。

まず、図１を参照して、複数の採取器１０１〜１０５（ここでは５個の採取器が示されているが、本発明は５個に限定されるものではない）を備えた本発明に係る統合システムについて説明する。サンプル採取器にはそれぞれ、少なくとも１つの粒子検出器が備えられており、粒子検出器により集められた粒子の大きさに関するデータを中央コマンド装置１０６に送信する通信リンク１５０を介して通信している。中央コマンド装置は、好ましくは、トレーラー、トラック、またはレクリエーション用車両などの移動用車両で、移動実験室を収容可能な大きさであることが必要である。

図２および図３を参照して採取器について説明する。図３に、本発明に係る二重式空気フィルタリング採取システムを含む採取器の概要を示す。採取器は、採取用フィルタと選別用フィルタの二重の配列を有している。採取用フィルタは、マガジン上に配置されており、空気採取装置の前で所定の時間間隔で回転するようになっている。周囲の空気は、モータ駆動真空ポンプ３０２により吸気収集器３０８および３０９を介してそれぞれの採取ステーションに吸い込まれる。所定の時間間隔が経過すると、フィルタは、それぞれのマガジンから外され、内部クロック（図に示されていない）からの時間署名による報告、採取が行われた時間、状況に応じて、全地球測位システムにより決定された採取ステーションの位置、任意に割り当てられた採取ステーションの識別、などの他のサンプルデータと関連付けられる。フィルタは、回転マガジン上に配置されていると説明したが、代替の実施の形態では、採取フィルタは、一直線に配置され、空気の流れが各フィルタを続けて通過するようにしてもよい。次に、周囲の空気から粒子を取り込む採取フィルタ３１８および３２０は、それぞれの相関する時間および位置データに従って定性分析を行うために移動される。採取間隔が経過すると、採取フィルタ３１８は採取の流れから外され、マガジンから取り外され、気密の包装により密封される。好ましい実施の形態では、それぞれの採取ステーションに配置されたコントローラ（図２、２０６）は、印刷をして、採取情報を有した粘着ラベルを貼り付けるようにプログラムされている。地理的位置に関する情報は、全地球測位システム（図２、２０８）からアクセスしてもよい。粘着ラベルは、フィルタの筐体または包装の外側に張り付ける。そのような採取情報とサンプルとの相関は、統合移動システムのオペレータが続けて、散布された生物病原体のプルーム（plume）を書き込み、その特性を決定することを可能にする。風速や風向きなど、採取装置の位置の気象に関する情報を使用してプルームのマップを作り、人間が汚染される可能性を決定することもできる。そのような採取情報を治療活動と捜査当局の捜査と組み合わせて使用してもよい。例えば、複数の採取ステーションからからのサンプルデータを分析することにより、空気感染性生物剤のプルームの起源が点状源なのか、自動車などにより生物剤の起点が移動している線状源なのか検討することができる。例えば、気象が単一ベクトルの恒風の場合、一直線に配置された採取ステーションの配列からの汚染の集中度、収集時間などのデータは、汚染源と汚染源の移動方向の情報を提供することができる。

手を煩わすことなくフィルタ容器をフィルタマガジンから取り外す自動システムは、収集技術者の汚染の危険を最小化し、さらに操作ミスを減らすことにより採取の完全性を保つことに役立つため、好ましい。

図３を参照して、潜在する空気感染病原体を採取する二重式空気収集システムの好ましい実施の形態について説明する。モータ駆動真空ポンプ３０２は吸気収マニホールド３０８および３０９と第１の組の並列の選別フィルタ部３１０および３１２を介して所定の期間、空気を吸い込む。吸気マニホールドは、各吸気マニホールドが同じ採取環境を有し、同じ装置からのサンプルの間のばらつきを制限するため、十分に隣接している（５ヤードを越えない）ことが好ましい。第１のサンプルは、即時の定量分析に利用可能で、第２のサンプルは、保管用に保存してもよい。

第１の組の選別フィルタ部３１０および３１２は、一般的に生物病原体の大きさの範囲の粒子の特徴ではない、大きな粒子状物質（約２０ミクロン以上）を取り除く。選別フィルタ部３１０および３１２の下流にはそれぞれ、フローセル３１６および３１７内の目標とする範囲の粒子の数を反映する出力を提供する粒子検出器３１４および３１５がある。本発明によると、そのような粒子の目標とする範囲は、約０．５から約２０ミクロンである。この範囲の粒子は、吸い込むと発病する可能性がある。フローセル３１５および３１６のすぐ下流には、二重の採取フィルタ３１８および３２０がある。採取フィルタ３１８および３２０は、複数の独立したフィルタから構成される採取フィルタマガジン内のフィルタを表している。これらのフィルタは、約０．５〜２０ミクロンの粒子を捕獲することが可能な大きさの孔を有している。所定の時間が経過すると、両方の組の選別フィルタと採取フィルタは、空気流から取り外され、空気流内には新しいフィルタが交換される。採取ステーションを介した空気流を一定に保つために選別フィルタは定期的に変更する必要がある。そのようなフィルタの一つ、フィルタ３１８を対照用採取フィルタとしてもよく、フィルタ３１８はオフサイト実験室に移動する。第２の採取フィルタ部３２０は、直ちに実地検査および分析のために中央コマンド装置１１２（図１）に移動するようになっている。このため、コマンドおよび制御装置１１２は、潜在的な病原性生物剤の存在を検査して検出するための装置を備えた移動実験室として装備されていることが好ましい。

本発明の粒子検出器
粒子検出器は、濾過、慣性および重力、光学的および電気的移動性と、４つの大きなカテゴリーに分類される。ほとんどの方法は、等速採取を必要とし、一般的に、先端の鋭いプローブと、吸引ポンプを使用して行われる。複数の採取ポイントもまた、障害（またはシステムの影響）が及ばないように十分に離れた場所を選択する。

本発明の好ましい実施の形態では、サンプルを捕獲するために使用する機器はＨＥＰＡフィルタである。代替の粒子検出器３１４および３１５は、エラトリエーション、カスケードインパクタ、バーチャルインパクタ、カスケードサイクロン、実時間分析器、または遠心分光器（centrifugal cyclone）から選択する。上述のように、好ましい実施の形態では、粒子検出器は発光ダイオードおよび光検出器から構成されている。本発明の範囲内の他の粒子検出方法には、以下の電気移動技術を利用したサンプル検出器が含まれる。

電気エアロゾル分析装置（ＥＡＡ）は、単極拡散荷電器（unipolar diffusion charger）、移動度分析器、および検出器を備えている。粒子は、静電荷を帯び、分析器を通過して、検出フィルタに集まり、そこで電荷を大地に放出する。この分析は、超好感度で、０．０１３ミクロンから０．７５ミクロンの範囲の粒子を識別することが可能である。

微分型電気移動度測定装置（ＤＭＡｓ）は、同様の原理で作動するが、移動度分析器（mobility analyzer）の代わりに静電分級器（electrostatic classifier）を備えている。これらの分析器の粒子検出の範囲は、０．０１ミクロンから０．９ミクロンである。

ライダーシステム（ＬＩＤＡＲ：Light Detection And Ranging）は、レーダがラジオ波を使用するのと同様に、光波を使用する。レーザは、ある目標に対して特定の周波数のコヒーレント光ビームを照射する。分子および生物煙霧（bioaerosole）を含む対象物から後方散乱した光は、鏡により受光され、レーダ信号が解析されるのと同様の方法で分析される。

本発明の採取器に使用可能なフィルタ
フィルタマガジンは、現在のフィルタが過飽和になることなく、サンプルを収集し、正確にサンプルを検出することができるように、定期的に変更される複数の採取フィルタを有している。マガジンに収容された新しい採取フィルタは、所定の間隔でサンプル流の中に挿入される。従来の高性能微粒子除去（ＨＥＰＡ）フィルタが好ましい。HEPAフィルタは、「ｖ」の形状のひだを形成し、ひだの間には波形のアルミ製セパレータを有した、特殊な紙に似たガラス繊維の濾材からなる連続シートから構成されている。このｖの形状がフィルタ部の形状となっている。このフィルタ部は、特殊なポリウレタン化合物を使用して硬いフレームに接着されている。標準的なフィルタは、面の寸法の範囲で、２つの標準的な深さを約１５０ｍｍと３００ｍｍとして製造されている。別の種類の構造を、深さを５０ｍｍへと小さくして製造された、「小ひだ」フィルタ用に使用することができる。これらのフィルタは、濾材のひだが極めて近接しているため、製造業者はひだの間の間隔を最小にするための様々な分離技術を用いている。マイクエレクトロニクス用のクリーンルーム用に開発されたフィルタであるＵＬＰＡ（Ultra Low Penetration Air）フィルタも使用することができる。このフィルタは、通常のＨＥＰＡフィルタよりもより高性能の濾材を使用しており、圧力低下もはるかに高い。

代替の実施の形態では、カスケードインパクタを使用してサンプルを収集することができる。これらの装置の働きは、空気の層流を一連のインパクトプレートの方向およびその周囲に導く。空気の速度は、大きな粒子が第１段階で付着し、続いて残りのプレートにより小さな粒子が収集されていくように、段階ごとに増加していく。最後の段階には、通常、ミクロン以下のフィルタが備えられている。カスケードインパクタおよびバーチャルインパクタの両方の大きさの範囲は約０．０８から３５ミクロンである。

中央コマンド装置へ粒子サンプルデータの報告
空気感染性生物剤の存在を示す大きさの範囲の粒子が存在すると判断されると、採取装置はデータを、当業者には公知の以下のインタフェース、すなわち、Cat5eケーブル、シリアルインタフェースケーブル、ＳＣＳＩ（Small Computer Systems Interface）、同軸ケーブル、並列ケーブル、ＩＥＥＥケーブル、光ファイバ、Crayケーブル、アナログ電話ケーブル、ＩＳＤＮケーブル、のいずれか、ただしこれらに限定されることはない、を使用することができる通信リンク１０５（図１）を介して送信する。好ましい実施の形態で、通信リンク１０５は無線通信を介して実現される。

無線通信は、ブルートゥースプロトコルおよびＷＡＰプロトコルを含む、ただしこれに限定されることはない、無線論理プロトコルを内蔵したプロセッサを介在して実現してもよい。これらのプロトコルは、通信リンクがコンピュータで読み取り可能なフォーマットでデータを中央コマンド装置に送信することを可能にする。位置、時間および気象などのデータが送信され、取得されたサンプルと相関が対応づけられる。無線データを送信する装置と、無線通信のために必要なアンテナは当業者には公知であり、簡単に採取装置に統合し、不要な実験をせずに生成したデータを送信することが可能である。このようなシステム、方法プロトコル、および装置は、米国特許番号第６，３３０，４５４号「無線通信システム内で動作する移動装置を特定するシステムおよび方法」、米国特許番号第６，３３０，４４７号「無線通信システム内で信頼性の高い通信を維持する方法」、米国特許番号第６，３２４，５６４号「最適化された無線通信システム」、米国特許番号第６，３２９，９４８号「無線通信端末の位置を決定する方法」、米国特許番号第６，２４０，１２６号および米国特許番号第６，２０８，８７６号「無線通信装置」、米国特許番号第６，１３１，０４０号「複数のソースから環境設定データを受信する無線通信装置」、米国特許番号第５，９１４，６８９号「携帯式、無線通信装置用アンテナ」、および米国特許番号第５，７３９，７９２号「電気接点付き無線通信装置」、に開示されたものを含み、これらはすべて全体として引用され、本書に含まれている。環境から自動的にデータを捕捉し、その情報を送信するために使用される装置は公知のものである。

さらに、中央コントローラは、キーボード１０８などの入力装置とモニタ１１０、コマンドおよび制御装置１１２を有している。コマンドおよび制御装置は、好ましくは移動可能な装置で、目標とする生物病原体を迅速に識別する定性分析装置１１５を備えている。好ましい実施の形態では、移動型コマンド装置１１２はさらに、風向計および風速メータを備えた気象観測ステーション１１８を備えている。

本実施の形態において、図２に示されるように、各採取装置２００は、少なくとも、１つの粒子検出器２０２、採取フィルタ２０４、コントローラ２０６、全地球測位システム（ＧＰＳ）２０８、粒子データを送信する通信リンク２０９、電源２１２を備えている。任意の通信システムで本発明の目的を達成することができるが、特に、システムを一時的な場所に設置するなどの現実的な場合を考慮すると、無線技術が好ましい。

好ましい実施の形態では、採取ステーションの粒子検出器とサンプル収集装置は両方とも、１２時間までの間隔で予備のバッテリで動作するように設計されている。粒子検出器と、採取フィルタを介して周囲の空気を吸引する真空ポンプに加えて、バッテリパックは、コントローラ、通信システムおよびＧＰＳを動作するために十分な電力を有している必要がある。採取ステーションは、モータ２１４に命令を与えて１５分から３０分ごとにサンプルの空気流内でマガジンからフィルタを定期的に回転させるコントローラ２０６（図２）を有している。空気は、真空ポンプ３０２（図３）によりフィルタを介して吸い込まれ、空気の流れは一定のレートに維持される。維持される流れのレートは、典型的な成人の人間の呼吸のレートと類似していることが好ましい。各フィルタが曝される時間は制御されて監視されるため、この採取システムはまた、事が起こった場合に、１人の人間が汚染される可能性のある粒子の数を概算で見積もる、または外挿により推定することが可能であり、この情報を使用して対象とする大衆に配布すべき薬品の投与量の近似値を見積もることもできる。

空気中に浮遊する、または煙霧状の生物剤を検出する場合、検出ステップと識別ステップという２つの基本的な工程がある。検出ステップでは、装置は、生物病原体に関係する粒子の大きさの典型的な範囲である、約０．５から２０ミクロンの範囲、好ましくは０．５から５ミクロンの範囲（この大きさの粒子が最も肺胞の疾病または顕在的な疾病を引き起こしやすい）の粒子の数に関する情報を取得するように設計されている。埃、花粉、カビ、胞子の多くは、通常、さらに小さく、０．０１ミクロンから０．５ミクロンの範囲である。粒子の大きさがこれよりも大きくなると、呼吸器系内の粘膜により効果的に捕捉され、０．５ミクロンより小さい粒子は肺胞に定着しにくくなり、通常の呼吸で吐き出される。この初期の粒子検出ステップは、厳密に定量的または実験的な根拠、またはバックグラウンド計数を超える粒子の数の比較的な増加に基づいて実行される。好ましい実施の形態で、粒子検出は、赤外線光源と、フローセル内のサンプル流に浮遊する粒子状物質の透過性と反射性の両方を測定する複数の光検出器を使用して実行される（前述のＬＩＤＡＲシステムを参照）。粒子の数と大きさに関する情報は、検出器２０２により収集され、最終的には通信リンク２０９（図１の通信リンク１５０と等価）により中央コマンド装置１１２（図１）に処理と分析のために送信される。例えば、粒子束モニタなどの光散乱方法は、レーザダイオードから発光されるレーザビームを粒子検出ゾーンに収束レンズにより収束させ、粒子がビームを横切る際にレーザビームが発散し、光ダイオードの手段により発散された光を収集して、潜在的な生体粒子の数と大きさを測定することができる。

通信リンク１５０（図１）は、中央コマンド装置１１２から遠隔採取ステーションを介した、遠隔監視および複数の機能の制御を可能にする。この機能は、潜在的な脅威を組織的に分析することを実現し、オペレータが、認められた条件（例えば、所定の空気のサンプル当たりに検出された粒子の数および大きさ）の情報または悪い事態に基づいて早急な実地検査のために識別可能な採取装置の正確な位置を迅速に特定することを可能にする。採取ステーションから粒子の検出特性および位置に関する情報の形式で入力を受けるだけでなく、コマンド装置１１２は、通信リンク１０５を介して複数の採取装置に、採取間隔の頻度を変更する指示などのコマンドを出力することができる。このようにして、前述の採取装置内の粒子検出器が、個別のステーションで目標とする粒子の大きさを有する粒子の数が大幅に増加したことを示した場合、オペレータは、迅速にその位置を特定し、採取の頻度を増加するコマンドを与えることができる。また、コマンド装置１１２のオペレータは、分析するために、ただちに人員を派遣して、採取装置からサンプルを有する採取フィルタ３１８および３２０に物理的に回収してもよい。さらに、爆破装置の爆発の検知、情報源から疑わしい行動が認められるなど、悪い状況が検出された場合、ただちに分析のために採取フィルタを回収することができる。

設置されて起動すると、本システムは動作し、サンプル収集システムが所定の期間、通常は約１５分間の間隔で作動する。継続して空気中の粒子物質の存在が監視される。代替の実施の形態では、採取時間間隔は、粒子計数器から受信したデータに依存する。粒子検出器が目標とする粒子の増加を検出した場合、または、人手による情報など、他の情報筋から生物剤が検知された場合、フィルタの分析を加速してもよい。採取装置の位置する粒子計数器からのデータは、オペレータまたは技術者が特定のサンプルが粒子の計数に大幅な増加のあった時間間隔で採取されているのか判断できるように、個別の時間間隔の間機能するフィルタと相関をとってもよい。フィルタによる空気流のレートを増加させ、フィルタの大きさを増加させ、フィルタを変更する時間期間を短くすることにより、システムの感度を増加することができる。

他の実施の形態では、本書に記載されたシステムは、公共と捜査関係者の両方に対する脅威および脆弱性を分析することを含めた補助的なサービスと組み合わせて実施される。この分析には、道路の閉鎖など、問題の近くの特定の場所への出入りの制限、問題が予想される日時における制限など、脅威を最小にする勧告も含むことができる。技術の分析および検討を行い、フィルタの最適な設置場所、移動実験室内の配備と装置、および関係するコマンド機能および制御機能を決定することができる。問題の性質に応じてフィルタの位置と収集に関する運用計画を作成することができる。本発明のこの態様は、気象条件がほとんど同じである、１平方マイルより小さい地理的地域を監視するために使用することを意図している。例えば、新年の祭典、７月４日の祭典、およびパレードに本システムを配置することができる。採取ステーションの位置は河川、湾、およびその他の境界の特徴などの物理的特徴および風の条件に依存してよい。採取フィルタシステムは、ＪＢＰＤＳ（Joint Biological Point Detection System）およびＢＡＷＳ（Biological Aerosol Warning System）と統合して総合的な検出および分析ネットワークを形成することができる。このように、採取および検出ステーションの数を含めた本システムの正確な配置は、脅威の性質、問題の規模、標的となる地理的地域の地理的特性に基づく。

収集システムからフィルタを取り外すと、第１フィルタは、即時の分析のため、採取位置、または採取位置の近くに配置された移動実験室に運ばれる。フィルタは逆洗され、フィルタに集積された粒子状物質は溶液に浮遊させる。フィルタから溶解した粒子は当業者には公知の方法による分析のために準備される。通常、少量の細菌（またはウィルス）のタイターであっても細菌の溶解した溶液を検体に使用して核酸物質を抽出することができる。サンプル準備キットして、例えば、Qiagenョ（QIAmp DNA Mini Kit）のものが広範囲に利用可能である。次に、溶液から抽出されたＤＮＡは、生物剤の所定のマーカーを目標とする所定のプライマーを使用する既知の増幅方法により増幅される（ポリメラーゼ連鎖反応または誘導体）。炭疽菌の場合、炭疽菌の浮腫因子、炭疽菌の致死因子、
炭疽菌の予防用の抗原の符号化核酸は分離されており、マーカーに固有のプライマーは当業者には公知の方法を使用して容易に合成することができる。Bradley et al., (2001) Nature, Volume 414 in Letters to Nature.本書で引用されているMergerleの特許、米国特許番号第５，８７４，０４６号も参照。

ＤＮＡの準備およびＰＣＲの増幅処理で使用される実験室の装置（すなわち、
サーモサイクラ、試験管、クリーンルーム、冷凍装置）は、移動コマンド装置に収容されており、脅威の初期情報の特徴は、その場所または近くの場所で得ることができる。本発明は、１つの種類の移動実験室に限定されない。類似した移動実験室として、全体として引用され本書に含まれている、Saito et al.の米国特許番号第４，８５０，２６８号に記載されたものも使用することができる。Saitoは、移動を用途とした多目的実験室を記載している。この実験室は、気密性のある実験室部と入り口部を有した収容構造体と、収容構造体の上部に配置された空調および排気装置部と、気密性の実験室部に備えられるドレン処理装置部とから構成されている。実験室部およびドレン処理装置部のクリーンレベルは、電気信号制御により複数の段階に選択可能である。実験室ルームは、中空の壁構造と、床と天井とから構成され、中空部の空気圧は制御されている。フィルタには加熱装置が備えられている。さらに、オートクレーブ自動滅菌装置がドレンの処理用に組み込まれている。また、サスペンション型の防振装置も備えられている。

好ましい実施の形態では、移動実験室はまたクリーンルームも装備されている。採取装置から実験室に運び込まれる可能性のある生物病原体の潜在的な重大度に対応する。好ましくは、移動装置の残りから区画化されたクリーンルームは、真空密封され、さらに、外部から密封されている。好ましいクリーンルームの構成の１つとして集積回路の製造用に実施されているものがある。

米国連邦規格Std-209Eは、クリーンルームの分類用によく定義された規格である。この規格は、新たに設けられたクリーンルームを受け入れる際に、粒子計数のチェックを推奨し、その後も定期的なチェックを提案している。業界の規格では、「施行完了時」または「装置設置時」のチェックを最初に行い、その後「運用時」のチェックを行うようになっている。

続けて、生物病原体から特定の核酸配列順序の定性検出を、例えば、蛍光発生５’ヌクレアーゼアッセイを使用して実行することができる。この方法は、ＰＣＲ反応混合物に付加する特性核酸目標配列順序を補完する蛍光発生プローブを使用して行う。このプローブは、レポータと消光剤染料とを有したオリゴヌクレオチドから構成されている。目標とする配列が存在する場合、ＰＣＲ処理の間、プローブは前方と後方のプライマーのサイトの間に核酸をアニールする。ポリメラーゼの核酸分解活動は、プローブを切断するため、レポータ染料の蛍光発光強度が増加することになる。この処理は、ＰＣＲ処理の各サイクルで発生するが、ＰＣＲ生成物の集積を妨害することはない。ＰＣＲの間、蛍光発光性を誘導するため、光ファイバの配列を使用してレーザ光がＰＣＲプロセッサに含まれるサンプルウェルに分散される。この結果、蛍光照射光は、ファイバを介して戻り、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを備えた分光器に誘導される。米国特許番号第６，３２２，９８０号、「蛍光性配列の劣化を使用した単一ヌクレオチド検出」、第６，２８０，９３３号、「ＤＮＡ層間化合物を使用した多発色性蛍光プローブ」、および第６，２６８，１３２号、「蛍光Ｎ―ヌクレオシダーゼおよびＮ―ヌクレオシダーゼの蛍光性類似体」は、蛍光発生５’ヌクレアーゼアッセイを実行する典型的な方法および技術を提供している。また、Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: A laboratory Manual, 2^nd Edition, Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989, およびAusbel, F.M. et al. Current Protocols in Molecular Biology, Vol.2, Willey-Interscience, New Yorkも参照されたい。これらは全体として引用され、すべて本書に含まれている。

市販されているＰＣＲ装置は、同時に複数のサンプルを処理することができるため、複数の抗原および生物剤を分析することができる。核酸プローブと組み合わせたＰＣＲ処理を使用した定性分析は、極めて限定的であるとともに極めて感度が高い。陽性と検出された場合、治療の選択、感染に関する教育、避難および検疫処置を含めた、即時で的確な対応を連携することが可能である。

代替の実施の形態では、サンプルにはフローサイトメトリを行う。さらに、酵素免疫測定法（ＥＩＡ）または潜在的な脅威である所定の生物剤の特定の抗原特性を試験するために選択された迅速試験技術をさらなる分析方法とすることもできる。従来のＥＩＡ試験および迅速試験方法は両方とも、特定の光の波長における反射率により目標とする生物剤の存在を自動的に検出することを可能にするように設計されているため、病原体または抗原の存在を反映する色の存在を検出する。

本発明の採取装置による長所は、並列して動作する二重のフィルタにより採取を行うことである。この並列システムの長所は、第２のフィルタが対照用として働くことである。対照フィルタ３２０は、採取位置から、ＰＨＳ実験室などの適当な実験室、またはアメリカ軍伝染病研究機関へ運ばれる。この第２のサンプルは、粒子の変更を検出する場合の基準試料として、およびさらなる評価のために取得可能な未試験の粒子の保管として提供される。

生物剤による攻撃が切迫している緊急状況では、サンプルを分類して、評価のために必要な量、保管可能な量を決定するための時間はほとんどない。ここで実行するＤＡＮ抽出および遺伝子型処理の評価の性質から、フィルタから得られた細菌またはウィルスサンプルは溶液に溶解される（またはウィルスの場合は変成される）ため、破壊される。これは、証拠手続きのため、またはそれらの起点を特定する細菌の評価をするための、サンプルのさらなる評価、およびサンプルの利用可能性を妨げる。従って、第２のフィルタがこのまだ対処されていない必要性のために提供されている。

さらに、統合されたシステムは、ユーザごとの必要要件と予算に合わせたサービスとして設置される。本システムをサービスとして提供すると、地方自治体およびその他の組織が、システムの運用および保守のために必要なハードウェアおよび訓練された人員の両方に対する大幅な設備投資を回避することを可能とする。そのようなサービスは、パレード、マーチ、大会、公共行事などの短期間の契約に基づいても、または、特定の建物または施設の近隣で空気サンプルを監視するなどの長期的な契約に基づいても実施することができる。このサービスを提供することは、地理的な考察を含めた脅威の個別の性質の要件を満たし、考えられる目標とする生物剤の試験を行うこともできる。

他の実施の形態では、サンプル収集システムは、サンプルを環境表面から採取するように設計された移動装置として提供される。この実施の形態では、調査または疑わしい場合、サンプル技術者が、吸気口の位置を個別の環境表面に向けることができる。この実施の形態を熟慮した用途に用いた場合、技術者は、検査または探索の場合、移動実験室を使用して特定の場所で生物活性剤の試験を行ってもよい。

本発明のさらなる実施の形態では、上述のサンプル収集システムは、特定の建物または船上の暖房換気および空調（ＨＶＡＣ）システムなどの建物の環境システム内に設置される。

図１は、複数の採取装置が中央コマンド装置と通信をする、本発明のシステムを表した、本発明に係るシステムの概略図である。 図２は、本発明の好ましい実施の形態に係る採取システムの概略図である。 図３は、本発明の好ましい実施の形態に係る二重式空気採取装置の概略図である。

Claims (11)

1. （ｉ）お互いに近接し、それぞれが吸気口を有した、２つの並列した実質的に同一の吸気通路と、
   （ｉｉ）前記吸気通路をそれぞれ横切る、フィルタマガジンに取り付けられた採取フィルタと、
   （ｉｉｉ）周囲の空気を各吸気口と前記採取フィルタを介して吸引する手段と、
   （ｉｖ）前記フィルタマガジンは、複数の採取フィルタと、前記採取フィルタ１つずつを前記フィルタマガジンから前記吸気通路の１つに移動する手段とを備え、
   （ｖ）前記採取装置は、前記並列の吸気通路から実質的に同一のサンプルを捕獲可能であることを特徴とする空気中に浮遊する粒子を検出する採取装置。
2. さらに、少なくとも１つの粒子検出器を備え、前記粒子検出器は前記吸気口と前記採取フィルタの間の前記通路に配置され、目標とする粒子の数と大きさを反映するデータを出力として提供することを特徴とする請求項１に記載の空気中に浮遊する粒子を検出する採取装置。
3. さらに、前記採取装置により収集された粒子データを遠隔の場所に送信する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の空気中に浮遊する粒子を検出する採取装置。
4. 前記通信手段は、無線通信システムであることを特徴とする請求項１に記載の空気中に浮遊する粒子を検出する採取装置。
5. さらに、全地球測位システムを有することを特徴とする請求項１に記載の空気中に浮遊する粒子を検出する採取装置。
6. （ａ）請求項１または請求項２に記載の複数の採取装置と、
   （ｂ）複数の採取ステーションの１つずつに機能的に連結した前記採取装置から収集された粒子データを送信する手段と、
   （ｃ）中央コマンド装置とを備え、前記中央コマンド装置は、
   （ｉ）移動用車両と、
   （ｉｉ）粒子データを送信する前記手段に機能的に連結された中央処理装置を含む中央コマンド装置と、
   （ｉｉｉ）前記採取装置の採取フィルタにより捕獲されたサンプルの内容を分析可能な装置を有した実験室とを備えたことを特徴とする空気感染性生物病原体を検出する統合移動システム。
7. 前記中央コマンド装置の前記移動用車両は、トレーラーまたはレクリエーション用車両であることを特徴とする請求項６に記載の統合移動システム。
8. 前記中央コマンド装置は、前記採取ステーションからのフィルタを有し、前記フィルタは、前記中央コマンド装置に物理的に移動されたことを特徴とする請求項６に記載の統合システム。
9. （ａ）請求項１または請求項２に記載の複数の採取装置を地理的地域に配置するステップと、
   （ｂ）前記採取装置内の複数のフィルタにより所定の時間間隔で並列して空気のサンプルを継続して採取するステップと、
   （ｃ）少なくとも１つの粒子検出器により前記空気について約０．５ミクロンから５ミクロンの大きさの粒子の存在を監視するステップと、
   （ｄ）前記粒子検出器により収集されたデータを中央コマンド装置に、前記粒子データを送信する手段を介して報告するステップと、
   （ｅ）前記空気フィルタを収集し、前記中央コマンド装置に移動するステップと、
   （ｆ）前記フィルタにより捕獲された粒子を空気感染性生物病原体の存在について分析するステップとを有したことを特徴とする地理的地域を空気感染性生物病原体の存在について監視する方法。
10. 前記並列して採取するステップは、前記空気を第１の空気フィルタで、次に第２の空気フィルタで採取する二重式採取ステップを有し、前記方法はさらに、前記第１空気フィルタおよび第２空気フィルタを２つの別々の中央コマンド装置に移動するステップを有し、前記第２フィルタからのサンプルは、前記第１フィルタからのサンプルの対照用であり、前記二重式サンプルは状況に応じて比較されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. さらに、前記時間間隔の時間と前記採取装置の位置に関するデータを送信するステップと、前記データと前記採取フィルタとの物理的相関を対応付けるステップとを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。

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