JP2022516217A - 液滴中の不純物を検出および／または測定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置１に関する。この測定装置は、流体流路に沿って流体１１１の流れを生成するための流体源１１と、流体流路の測定体積内に光散乱のためにレーザ光のレーザビーム１２０を放出するように配置された第１のレーザ光源１２と、粒子によって異なる角度に散乱されたレーザビーム光を検出および測定することにより流体流路内における粒子の存在を検出するための散乱光検出手段１３とを備える。測定装置は、さらに、ラマンおよび蛍光励起のために流体流路の測定体積内にレーザ光の第２のレーザビーム１４０を放出するために配置された第２のレーザ光源１４と、第２のレーザビーム１４０によって励起された流体によるラマン散乱信号および第２のレーザビーム１４０によって励起された粒子から放出される蛍光信号を検出するためのラマンおよび蛍光検出手段１５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、液滴中の不純物を検出および／または測定するための方法および装置に関する。より具体的には、エアロゾル化した微小水滴中の有機不純物の濃度すなわち含有量をオンラインで測定するための方法および装置に関する。本明細書に記載された本発明の方法および装置は、水滴のエアロゾル中の有機分子または有機分子の混合物の存在およびその濃度を、水滴が漂っている間に瞬時に検出することを目的とする。

本発明は、流体中の粒子を検出および／または特徴付けるための予防手段および／または保護手段の分野に関する。ここにいう流体中の粒子とは、たとえば、大気汚染や大気生物や化学汚染などの空中粒子、および／または空中アレルゲン、水質汚染や水の生物的および化学的汚染などの水系粒子などのことである。ただし、これらに限定されるものではない。大気中のさまざまな種類のエアロゾルの濃度の増加、たとえば大気中の花粉の増加は、ますます公衆衛生上の重要な問題になっている。さらに、炭疽菌などの空中の生物学的および化学的病原体やマスタードガスを大規模な破壊の武器として使用するバイオテロリズムのような新しい脅威が、最近出現した。したがって、高信頼性で、操作者なしで、高い費用対効果のもとで、流体中の粒子を検出する検出器、例えばエアロゾル検出器は、高速かつ高識別力を備えており、市場で非常に望ましいものとされている。特定の流体環境、たとえば、大気中、水路中、飲料水分配システム中などに存在する粒子をリアルタイムで検出可能な検出器が必要である。

花粉や胞子などのエアロゾル粒子の種（しゅ）は、人間の健康に大きな影響を与える。それらのいくつかは、統計分析によると、ヨーロッパの人口の約２０％に影響を与えるアレルギのような健康問題の原因となっている。

これらの粒子の計数と識別とは、依然としてほとんど顕微鏡下において手動で行われている。空中浮遊粒子のサイズは、数分の１マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲であり、このために粒子の検出と識別とがさらに困難になっている。

空中浮遊粒子を検出するための測定装置および測定方法が存在する。これらにおいては、個々の粒子によって散乱された光の測定に基づいて、エアロゾルに含まれる粒子のサイズを推定することが可能である。これらの装置および方法は、空気の流れに向けられた光源（レーザ、レーザダイオード、ＬＥＤなど）と、個々の空中浮遊粒子によって大きな角度で散乱された光を収集するための光検出器、または場合によっては、粒子から異なる方向に独立して散乱した光を収集するための複数のまたはアレイ式の検出器（一次元（１Ｄ）または二次元（２Ｄ））とを使用する。収集された散乱光は、浮遊粒子を静的に描写する。単一検出器を備えた装置では単一粒子の形態についての非常に限られた決定しかできないが、複数のまたはアレイ式の検出器を備えた装置では、通常、これらのパラメータをより正確に決定することが可能である。

粒子の化学物性を調査するときに、光散乱のような非侵入的な方法では、粒子の組成に関する情報を、ほとんど、またはまったく得ることができない。いくつかの侵入的（破壊的）な手法、たとえば質量分析（ＭＳ）、レーザ誘起破壊分光（ＬＩＢＳ）、原子発光分光（ＡＥＳ）などによれば、分子レベル（ＭＳの場合）および原子レベル（ＬＩＢＳおよびＡＥＳの場合）での、漂っている間における極めて良好な分析を行うことができる。ただし、これらの方法は、侵入的であるだけでなく、いくつかの技術的な問題（粒子サイズの範囲の制限、非常に汚染された状態における操作の難しさ、継続的な監視の短かさ、コスト、専門知識を必要とする複雑なデータ出力、など）を呈して、大規模な展開とコストとについての妨げとなっている。

水に封じ込まれた粒子を漂っている間に分析する場合に、その形態は、封じ込まれた粒子の性質に関する情報をほとんど問題にしない。これは、ほとんどの場合、水のために完全な球体になる傾向があるためである。ＭＳ、ＬＩＢＳ、ＡＥＳを使用する場合は、これらの方法のすべてが強力なレーザ放射または炎による浮遊粒子の蒸発に基づいているため、水の存在によって影響を受けたり妨害されたりする。最も有望な結果は、レーザ誘起蛍光やラマン散乱などの、化学組成を調べることができる非侵入的方法によって得ることができる。

たとえば、特許文献１および特許文献２には、レーザ光が照射された後の粒子の時間分解蛍光を使用して粒子を特徴付けるための装置および方法が記載されている。

アメリカ特許第５２７０５４８号明細書 アメリカ特許第５３１５１２２号明細書

これらの装置および方法の欠点は、個々の粒子の性質および特性について得ることができる情報が限られていることである。ほとんどの場合、それは、一般に炭化水素を含む非生物学的粒子に起因する数十ナノ秒のオーダの遅い蛍光減衰を有する粒子と、一般的に生物学的と見なされる数ナノ秒以下のオーダの短い蛍光減衰を有する粒子との区別を可能にするだけである。蛍光減衰のみを考えると、このバイオおよび非バイオ分類において誤った応答を与えるところの、非常に多くの分子組成を見つけることができる。

これに関して、本発明の主な目的は、上記の問題を解決することであり、より具体的には、エアロゾル水滴中に有機分子が存在していることの検出、およびその濃度を概算したうえでのその濃度の検出を、漂っている間に瞬時に行うことが可能な装置および方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、個々の粒子の化学組成をより良好に識別し、したがって誤計数率をより低減させたうえで、個々の流体中の粒子についての、費用低減効果の高い検出および／または特徴付けのための、装置および方法を提供することにある。

これらの目的、および他の利点は、対応する独立した請求項に従った装置および方法で達成される。

上記の課題は、本発明によって解決される。

本発明の第１の態様は、流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置である。この測定装置は、流体流路に沿って流体の流れを生成するための流体源と、流体流路の測定体積内に光散乱のためにレーザ光のレーザビームを放出するように配置されたレーザ光源と、粒子によって異なる角度に散乱されたレーザビーム光を検出および測定することにより流体流路内における粒子の存在を検出するための散乱光検出手段とを備える。

同時に、前述のレーザ光源は、レーザ光と粒子内に存在する分子との相互作用によって蛍光とラマン放射とが生じることを導き出す。この態様では、このレーザビームの強度および波長、ならびにすべての検出器の感度は、すべてのそれぞれの信号対雑音比を最適なレベルに保ち、かつ同時に飽和を回避するように、調整される。

好ましくは、この点に関して、レーザ光の中心波長は、２００から４００ｎｍの領域にあり、このため光子吸収効率が高くなり、したがって高度の蛍光発光を得ることになる。さらに、ラマン散乱効率は光の波長の４乗に反比例するため、前述の領域が最も都合の良い選択になる。レーザ光源の波長スペクトル幅は、ラマン発光スペクトルに干渉しないように、十分に狭くする必要がある。

本発明の他の態様は、流体中の粒子を検出および／または測定するための別の測定装置である。この測定装置は、流体流路に沿って流体の流れを生成するための流体源と、光散乱のためにレーザ光の第１のレーザビームを流体流路の測定体積内へ放出するために配置された第１のレーザ光源と、粒子によって異なる角度に散乱されたレーザビームの光を検出および測定することによって流体流路内における粒子の存在を検出するための散乱光検出手段とを備える。前記測定装置は、さらに、ラマンおよび蛍光励起のために流体流路の測定体積内にレーザ光の第２のレーザビームを放出するために配置された第２のレーザ光源と、第２のレーザビームによって励起された流体によるラマン散乱信号および第２のレーザビームによって励起された粒子から放出される蛍光信号を検出するためのラマンおよび蛍光検出手段とを備えることを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２のレーザ光源は、散乱光検出手段による光散乱の検出時にのみ起動される。

流体源は、ノズルであって、このノズルを超える流路を有する水滴の流れを生成するためのものであることが有利である。

流体源は、管であって、この管に沿った流路を有する水滴の流れを生成するためのものであることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、測定装置は、流体の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱された第１のレーザ光を収集するための第１のレンズセットをさらに備える。

第１のレンズセットは、このレンズセットの焦点距離において散乱光を線状に集束させるように構成され、前記の線は、測定体積内の流体の流れ方向を横切る方向とされていることが有利である。

第１のレンズセットは、散乱光を流れ方向に平行な方向に集束させることによって前記散乱光を一列に集束するように構成されているとともに、前記散乱光の光線を前記流れ方向に垂直な面内において互いに平行にするように構成されていることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、散乱光検出手段は、マルチピクセル構造の光散乱検出器である。

測定装置が、流体分子によって放出されたラマン信号と、第２のレーザビームによる励起時に粒子によって放出された蛍光信号とを収集するための第２のレンズセットをさらに備えることが有利である。

本発明の好ましい実施形態によれば、ラマンおよび蛍光検出手段は、第２のレンズセットによって収集されたレーザ光を検出するために配置された光検出器である

好ましくは、光検出器は、レンズセットによって集束されたレーザ光を捕捉するための線形のマルチピクセル検出器であり、この線形のマルチピクセル検出器は、レンズセットの焦点距離から距離をおいた位置に配置されるとともに、その長手方向の軸が前記の線に平行になるように配向されている。

第１のレーザ光源は、連続レーザビームを放出するように構成されていることが有利である。

第１のレーザ光源は、波長が２００～８００ｎｍのレーザビームを放出するように構成されていることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１のレーザ光源は、発光スペクトルが最大数十ｎｍのレーザビームを発光するように構成されている。

第１のレーザ光源が、出力光パワーの範囲が数ｍＷから数Ｗまでであるレーザビームを放出するように構成されていることが有利である。

第２のレーザ光源がパルスレーザビームを放出するように構成されていることが有利である。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２のレーザ光源は、波長が２００～４５０ｎｍのレーザビームを放出するように構成されている。

第２のレーザ光源が、パルス当たりの光ピークパワーが数ｋＷを超えるレーザビームを放出するように構成されていることが好ましい。

第２のレーザ光源が、発光スペクトルが数ｎｍ未満のレーザビームを発光するように構成されていることが有利である。

本発明の好ましい実施形態によれば、測定装置は、波長分離用の回折格子をさらに備える。

本発明の第２の態様は、流体中の粒子を検出および／または分析するための測定方法である。この測定方法は、検出されるべき流体中の粒子を潜在的に含む流体の流路に沿って流体の流れを生成し、流体の流路における測定体積内にレーザ光の第１のビームを放出するとともに、流体の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱されたレーザの第１の光を収集して、散乱された光を一列に集束させ、散乱された第１のレーザ光を散乱光検出手段で検出して、光散乱パターンを取得し、流体の流路における測定体積内にレーザ光の第２のビームを放出し、流体の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱されたレーザの光を収集して一列に集束させ、散乱レーザ光をラマンおよび蛍光検出手段により検出して、ラマン信号強度および蛍光信号強度を取得し、そして不純物粒子の測定数を計算する。本発明のこの装置の特別な利点は、本発明の第１の態様の方法のものと類似しているので、ここでは繰り返して説明しない。

本発明の好ましい実施形態によれば、測定方法は、測定されたストックフォトンの数と予想されるストックフォトンの数との比率をとることによる補正係数計算ステップを含む。したがって、測定はさらに正確になる。
本発明の方法は、不純物の質量濃度を計算するステップをさらに含む。このようにして、液滴内の不純物量を正確に示すことができる。

本発明の第１の実施の形態の測定装置を表す図である。 本発明の第２の実施の形態の測定装置を表す図である。 直径０．５、１、２μｍの球状粒子から予想される光散乱パターンの例を表す図である。水の屈折率は１．３３１である。 蒸留水の典型的なラマン発光スペクトルを模式的に表す図である。

本発明のさらなる特定の利点および特徴は、添付の図面を参照した本発明の少なくとも１つの実施の形態についての、以下の非限定的な説明からより明らかになる。

本明細書における発明の詳細な説明は、非限定的な方法で本発明を説明することを意図している。なぜなら、本発明の実施の形態の任意の特徴は、異なる実施の形態における他の任意の特徴と有利な方法で組み合わせることができるためである。

前述のように、本明細書に記載された方法および装置は、好ましくは水滴中において有機分子または有機分子の混合物が存在することの検出とその濃度の測定とを、漂っている間に瞬時に行うことを目的とする。

基本的に、本発明の方法および装置は、次の３つの基本的な物理的効果を同時に使用する。
・弾性光散乱としても知られている、角度分解された光のミー散乱
・非弾性光散乱としても知られている、水分子のラマン散乱
・レーザ誘起蛍光。

より具体的には、本発明の方法は、弾性光散乱および蛍光発光を使用して、水滴の内部に存在する不純物分子の量を推定する。一方、ラマン散乱を、レーザビーム内の粒子の位置、レーザビームの強度の不均一性、集光効率に影響を与えるその他の要因、に起因する最終的なエラーを修正するための参照信号として使用する。

図１は、流体中の粒子の検出および／または測定のための、１つのレーザを備えた本発明の第１の実施の形態の測定装置１を概略的に示す。この装置１は、流体の流路に沿った流体の流れ１１１を生成するための流体源１１を含む。この流体源１１は、ノズルであって、このノズルを超える形の流路を有する水滴の流れを生成するためのものであり得るか、または管であって、この管に沿った流路を有する水滴の流れを生成するためものであり得る。より具体的には、測定装置１は、好ましくは１つのレーザ光源１２、好ましくは、光散乱、ラマン、蛍光励起に使用される連続レーザ光源を含む。

第１のレーザ光源１２は、波長が２００～４５０ｎｍ、好ましくは２００～４００ｎｍ、発光スペクトルが数十ｎｍまでの狭い範囲、流体流路の測定体積において出力光パワーが数百ｍＷから数十Ｗの範囲の、好ましくは連続的な、レーザビーム１２０を発するように配置される。このレーザは、有機分子からの蛍光応答を効率的に誘導するために、中心発光波長が短いＵＶ領域であることが必要である。さらに、ラマン散乱励起（～λ^４）に対しても、波長が短いほど効率的である。レーザ光源１２はまた、好ましくは、たとえば数ｎｍという、狭い発光スペクトルを有する。

装置１はまた、好ましくはマルチピクセル光の散乱の検出器であるところの、散乱光検出手段１３を含む。この検出手段１３は、粒子によって異なる角度に散乱されたレーザビーム光の検出および測定を通して、流体流路内における粒子の存在を検出する。そして装置１は、流体によって放出されるラマン散乱信号と、前記レーザビーム１２０による励起時に前記粒子によって放出される蛍光信号とを検出するための、ラマンおよび蛍光検出手段１５を含む。

また装置１は、流体の流れ１１１に含まれる粒子によって測定体積内で散乱された第１のレーザ光１２１を収集するための第１のレンズセット１６をさらに備える。この第１のレンズセット１６は、好ましくはこのレンズセット１６の焦点距離ｆ２において散乱光１２１を線状に焦点を結ばせるように構成されている。この線は、前記測定体積内の流体の流れの方向に対して横方向である。

また、第１のレンズセット１６は、前記散乱光を前記流れ方向ｙに平行な方向に集束させることにより前記散乱光を一列に集束させ、かつ散乱光線を流れに垂直な平面内で互いに平行とするように構成される。

さらに装置１は、流体分子によって放出されるラマン信号と、レーザビーム１２０による励起時に粒子によって放出される蛍光信号とを収集するための第２のレンズセット１７を含む。好ましくは、ラマンおよび蛍光検出手段１５は、第２のレンズセット１７によって収集されたレーザ光１４１を検出するために配置された光検出器である。

図２は、本発明の方法の第２の実施の形態による装置１の概略図を示す。ここで、１１は噴射ノズルであり、１３はマルチピクセル光散乱検出器であり、１６は光散乱信号用の収集レンズである。１７はラマンおよび蛍光信号用の収集レンズ、１８は波長分離用の回折格子、１５はマルチピクセル式のラマンおよび蛍光信号検出器、１２は光散乱用のレーザ、１４はラマンおよび蛍光励起用のレーザである。

より具体的には、本発明の測定装置１は、好ましくは、光散乱に使用される第１のレーザ光源１２であって好ましくは連続レーザ光源であるものを含むとともに、ラマンおよび蛍光励起用の第２のレーザ光源１４であって好ましくはパルスレーザ光源であるものを含む。

第１のレーザ光源１２は、たとえば３００～８００ｎｍといった中心波長、および比較的広い発光スペクトル、たとえば最大数十ｎｍを有する。光散乱にのみ使用されるためである。出力光パワーは、好ましくは数ｍＷから数百ｍＷの範囲である。

第２のレーザ光源１４は、好ましくは、たとえば２００～４５０ｎｍといった紫外線または深紫外線波長であるとともに、パルスあたりの高い光ピークパワー、好ましくは数ｋＷを超えるピークパワーを有する。第２のレーザ光源１４は、有機分子からの蛍光応答を効率的に誘導するのに必要な短波長であることが好ましい。さらに、ラマン散乱励起（～λ^４）に対しても、波長が短いほど効率的である。第２のレーザ光源１４は、また、好ましくはたとえば数ｎｍ未満の狭い発光スペクトルを有する。

本発明の測定装置は、また好ましくは、第１のレーザ光源１２のビーム中における個々の粒子の存在を検出するための検出器１３を含んで、異なる角度で散乱された光を測定する。同時に、粒子が検出されると、２番目のレーザ光源１４が粒子に単一パルスまたは複数パルスを照射する。これにより、液滴に有機不純物が存在する場合は、水分子にラマン散乱が発生し、かつ蛍光発光する有機不純物が発生する。

以下においては、上記のデバイスによって実行される測定方法をより詳しく説明する。本発明の測定方法は、装置のレーザ光源の制御に加えて、光散乱測定ステップと、ラマン散乱検出ステップと、蛍光測定ステップとを含む。

光散乱測定は、ミー光散乱によることが好ましい。ミー光散乱は、微粒子を正確に測定するために一般的に使用されていて非常に強力なツールである。この方法の光散乱測定は、好ましくはマルチピクセル検出器Ｄ１を使用して、好ましくはレーザ方向に対して６０度から１２０度（側方散乱）の角度の範囲で、非偏光または円形偏光レーザ光源Ｓ１を用いて、解像度が２度／ピクセルで、散乱光を測定する。すると、予想される散乱パターンは、図３に示すグラフのようになる。このグラフは、直径０．５、１、２μｍの球状粒子、水の屈折率１．３３１からの、予想される光散乱パターンの例を示す。

さらに、この測定ステップでは、勾配ブースティングツリーやサポートベクターマシンなどの高度なパターン認識アルゴリズムを使用することが好ましく、それによって非常に正確なサイズ推定（±０．１μｍ）を行うことができる。

このような測定により、等価光学直径を瞬時に正確に推定できる。水滴は表面張力により常に完全な球形をしていることを考慮して、この測定により、直接的な水滴のサイズと体積との推定が行われる。標準の水密度１０００ｋｇ／ｍ^３と、約３×１０^－２６ｋｇ／モルの分子量とを使用すると、次の式によって、液滴の質量とＨ_２Ｏ分子のおおよその数とを推定することもできる。

ここで、Ｄは測定された粒子の直径、ρ_ｗは水の密度である。

本発明の方法の２番目のステップは、ラマン散乱による検出である。このステップでは、第２のレーザ光源Ｓ２は、ラマン散乱を誘発するために液滴に当たるパルスレーザ光を放出するパルスレーザ光源である。検出器Ｄ２で検出されたストック光子（ラマン散乱から生じた光子）の数は、次式にもとづいて推定することができる。

ここで、σ_Ｒはラマン散乱断面積であって、通常、共鳴散乱の場合は１０^－２９、非共鳴散乱の場合は１０^－３３である。ｍは分子内の原子数、Ｎ_ｍｏｌはＨ_２Ｏ分子の数、Ｅはレーザ（Ｓ２）のパルスエネルギ、Ａはレーザ（Ｓ２）の断面積、ｈはプランク定数、νはレーザ（Ｓ２）の電磁場の周波数、σ_Ｄは光学系の検出効率（Ｌ２＋Ｇ１＋Ｄ２）である。

。
直径１μｍの水滴から予想される光子の数を大まかに見積もるために、次の仮定を行う。

すなわち、水のラマンスペクトルへの主な寄与は、３４００ｃｍ^－１の原子価バンドに由来する。図４に示す典型的なスペクトルは、蒸留水の典型的なラマン発光スペクトルである。

好ましくは、測定は、たとえば３３７ｎｍの発光波長を有する窒素レーザ光源を用いて行われる。そのような場合、１μｍの水滴によるラマン散乱から生じるストック光子のほとんどは、約３８０ｎｍの波長を有する。これは、レーザの励起波長から回折格子Ｇ１によって簡単に分解される。

例として、このラマン放出は共鳴しているので、次のとおりとなる。

ここで、レーザパルスエネルギは１００μＪ、レーザ断面積は８×１０^－９ｍ^２（直径１００μｍの集束ビームに相当）、検出効率は１０％とする。その結果、波長３８０ｎｍ付近で約５０００個のストック光子が検出される。これは、真空管式の光電子増倍管やシリコン光電子増倍管（アバランシェフォトダイオードのマトリックス）などの最新の検出器にとって非常に重要な数である。

このとき、蒸留水は２００～４００ｎｍの波長範囲で励起されている間、蛍光発光を示さないことに注意することが重要である。これは、水分子は、そのような光子を吸収できるπ電子軌道またはσ電子軌道を持たないためである。

したがって、水滴に有機不純物やその他の複雑な不純物が含まれていない場合は、ＵＶ光で励起されたときに観測される信号は、ラマン散乱のみである。

したがって、３番目の測定ステップは蛍光測定である。蛍光発光は、好ましくは以下の式から推定される。

ここで、σ_Ａは、光子吸収断面積で、内因性フルオロフォアの場合は通常１０^－２０である。Ｎ_ｍｏｌは、フルオロフォア分子（有機不純物）の数である。Ｑは、フルオロフォアの放射性脱励起の量子効率で、通常は１０％である。Ｅは、レーザ（Ｓ２）のパルスエネルギ、Ａはレーザ（Ｓ２）の断面積、ｈはプランク定数、νはレーザ（Ｓ２）の電磁場の周波数、σ_Ｄは光学系の検出効率（Ｌ２＋Ｇ１＋Ｄ２）である。

同じ条件下で測定した場合に、蛍光効率は、ラマン散乱と比較して、はるかに高くなる。たとえば、水滴に１０^５個のフルオロフォア分子しか含まれていない場合は、広範囲の波長域に広がる約２×１０^５個の蛍光光子をすでに放出している（室温において）。

この方法の最後のステップは、液滴中の有機不純物の濃度を測定することである。

前述のように、本発明の方法は、水滴中の有機不純物を瞬時に測定することを目的とする。したがって、プロセス全体は、以下のステップに分割することができる。すなわち、流体流路に沿って、流体１１１の流れであって、この流体によって運ばれる検出対象の粒子を潜在的に含む流れを生成し；流体流路の測定体積内に、レーザ光の第１のビーム１２０を放出し；流体の流れに含まれる流体内粒子によって測定ボリューム内で散乱されたレーザ光１２１を収集して、散乱光を一列に集束させ；散乱光検出手段１３を用いて散乱レーザ光１２１を検出し、光散乱パターンを取得し；流体流路の測定ボリューム内にレーザ光の第２のビーム１４０を放出し；流体の流れに含まれる粒子によって測定ボリューム内で散乱されたレーザ光１４１を収集して、散乱光を一列に集束させ；ラマンおよび蛍光検出手段（１５）を用いて散乱レーザ光１４１を検出し；ラマン信号強度および蛍光信号強度を取得し；測定された不純物粒子の数を計算する。

測定された不純物分子の数は、好ましくは次の式で与えられる。

ここで、

は、計算によって求められた、ラマン散乱から生じるストックフォトンの予想数、

は、本装置によって検出された、ラマン散乱からのストック光子の数、

は、本装置によって検出された蛍光光子の数である。

この式に上述の最初の式を代入すると、次のようになる。

この式を簡単化するとともに、Ｈ_２Ｏについての定数を適用すると、次のようになる。

不純物の分子量がわかっている場合は、次の式で質量濃度も推定できる。

この結果は、蛍光発光およびラマン散乱から測定された光子の数と、測定された光学サイズの３乗とにのみ依存することが注目される。これは、２番目のレーザのエネルギやシステムの検出効率には依存しない。この式のすべての定数をグループ化すると、この式は次のようになる。

結果として得られる式により、上述の装置によって検出された各水滴中の不純物分子についての、簡単で直接的な質量推定が可能になる。

上記では、実施形態は、いくつかの実施形態と併せて説明されているが、次のことが明白である。すなわち、多くの代替、変更、変形が、当業者にとって明らかであり得るがまたは明らかである。したがって、本開示は、本開示の範囲内にあるそのようなすべての代替、変更、同等化、変形を包含することを意図している。これは、たとえば、特に、使用することができる別異の装置に関する場合を意味する。

本発明の方法および装置は、以下の分野で多くの用途が見出される可能性がある。すなわち、薬剤製造および品質管理（スプレーおよびエアロゾル中の薬剤濃度の測定）、水の微小な液滴中の有機不純物の検出（公衆トイレやホテルの部屋におけるレジオネラ菌の存在）、クリーンルームで使用されるリアルタイム式の生存可能粒子検出器の品質管理（検出しきい値と反応時間を定量化するための参照機器として）などである。

Claims (24)

1. 流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置（１）であって、前記測定装置は、
   流体流路に沿って流体の流れ（１１１）を生成するための流体源（１１）と、
   前記流体流路における測定体積内にレーザビーム（１２０）を放出するために配置されたレーザ光源（１２）と、
   前記粒子によって異なる角度に散乱されたレーザビームの光の検出および測定することで、流体流路内における粒子の存在を検出するための散乱光検出手段（１３）とを備え、さらに
   流体によって放出されるラマン散乱信号と、前記レーザビーム（１２０、１４０）によって前記粒子が励起されたときに前記粒子によって放出される蛍光信号とを検出するための、ラマンおよび蛍光検出手段（１５）を備えることを特徴とする流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
2. 前記流体源（１１）は、ノズルであって、このノズルを超える流路を有する水滴の流れを生成するためのものであることを特徴とする請求項１記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
3. 前記流体源（１１）は、管であって、この管に沿った流路を有する水滴の流れを生成するためのものであることを特徴とする請求項１記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
4. 流体（１１１）の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱された第１のレーザ光（１２１）を収集するための第１のレンズセット（１６）をさらに備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
5. 前記第１のレンズセット（１６）は、このレンズセット（１６）の焦点距離（ｆ２）において散乱光（１２１）を線状に集束させるように構成され、前記の線は、前記測定体積内の流体の流れ方向を横切る方向とされていることを特徴とする請求項４記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
6. 前記第１のレンズセット（１６）は、前記散乱光を前記流れ方向（ｙ）に平行な方向へ集束させることによって前記散乱光を一列に集束するように構成されているとともに、前記散乱光の光線を前記流れ方向に垂直な面内において互いに平行にするように構成されていることを特徴とする請求項５記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
7. 散乱光検出手段（１３）は、マルチピクセル構造の光散乱検出器であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
8. 流体分子によって放出されたラマン信号と、前記レーザビーム（１２０、１４０）による励起時に粒子によって放出された蛍光信号とを収集するための第２のレンズセット（１７）をさらに備えることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
9. ラマンおよび蛍光検出手段（１５）は、第２のレンズセット（１７）によって収集されたレーザ光（１４１）を検出するために配置された光検出器であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
10. 光検出器（１５）は、レンズセット（１７）によって集束されたレーザ光を捕捉するための線形のマルチピクセル検出器であり、前記線形のマルチピクセル検出器（４）は、レンズセット（１７）の焦点距離（ｆ２）から距離をおいた位置に配置されるとともに、その長手方向の軸が前記線に平行になるように配向されていることを特徴とする請求項９記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
11. 前記レーザ光源（１２）は、連続レーザビーム（１２０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
12. 前記レーザ光源は、波長が２００～８００ｎｍのレーザビーム（１２０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
13. 前記レーザ光源（１２）は、発光スペクトルが最大数十ｎｍのレーザビーム（１２０）を発光するように構成されていることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
14. 前記レーザ光源（１２）は、出力光パワーの範囲が数ｍＷから数Ｗまでであるレーザビーム（１２０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
15. ラマンおよび蛍光励起のために、流体流路における前記測定体積にレーザ光の第２のレーザビーム（１４０）を放出するために配置された第２のレーザ光源（１４）をさらに備え、前記レーザ光源（１２）は光散乱専用であることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
16. 前記第２のレーザ光源（１４）は、散乱光検出手段（１３）による光散乱の検出時にのみ起動されるものであることを特徴とする請求項１５記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。。
17. 前記第２のレーザ光源（１４）は、パルスレーザビーム（１４０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１５または１６記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
18. 前記第２のレーザ光源（１４）は、波長が２００～４５０ｎｍのレーザビーム（１４０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１５から１７までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
19. 前記第２のレーザ光源（１４）は、パルス当たりの光ピークパワーが数ｋＷを超えるレーザビーム（１４０）を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１５から１８までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
20. 前記第２のレーザ光源（１４）は、発光スペクトルが数ｎｍ未満のレーザビーム（１４０）を発光するように構成されていることを特徴とする請求項１５から１９までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
21. 波長分離用の回折格子（１８）をさらに備えることを特徴とする請求項１５から２０までのいずれか１項記載の流体中の粒子を検出および／または測定するための測定装置。
22. 流体中の粒子を検出および／または分析するための測定方法であって、
    検出されるべき流体中の粒子を潜在的に含む流体の流路に沿って流体（１１１）の流れを生成し、
    前記流体の流路における測定体積内にレーザ光のビーム（１２０）を放出するとともに、前記流体の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱された前記レーザの第１の光（１２１）を収集して、前記散乱された光を一列に集束させ、
    前記散乱された第１のレーザ光（１２１）を散乱光検出手段（１３）で検出して、光散乱パターンを取得し、
    前記流体の流れに含まれる粒子によって測定体積内で散乱された前記レーザの第２の光（１４１）を収集して一列に集束させ、
    前記第２の散乱レーザ光（１４１）をラマンおよび蛍光検出手段（１５）により検出して、ラマン信号強度および蛍光信号強度を取得し、
    不純物粒子の測定数を計算することを特徴とする流体中の粒子を検出および／または分析するための測定方法。
23. ストックフォトンの測定数と予想数との比率をとることによる補正係数計算ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の流体中の粒子を検出および／または分析するための測定方法。
24. 不純物の質量濃度を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の流体中の粒子を検出および／または分析するための測定方法。

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