KR101170859B1 - 병원균 및 입자 탐지기 시스템과 방법 - Google Patents

Abstract

입자 탐지기는 환경 유체를 포함하기 위하여 약 2 ㎜를 초과하지 않은 단면적의 샘플 영역, 광-빔의 일부분이 공기 또는 물에 존재하는 임의의 입자들에 의하여 산란되는 한편 나머지 부분들이 산란되고 유지되도록 하기 위하여 샘플 공기 또는 물을 통하여 평행 광 또는 준평행광을 유도하기 위하여 샘플 영역의 한쪽 면에 설치된 광원, 및 광-빔의 적어도 산란되지 않은 부분을 분기시키거나 또는 차단하고 그리고 산란된 광의 적어도 일부를 탐지기 위에 유도하도록 하기 위하여 샘플 영역의 맞은편에 설치된 빔 분기 장치를 가진다. 탐지기는 각각의 펄스가 입자의 크기에 비례하는 출력 펄스를 생성하고 그리고 펄스 높이 분석기는 탐지기 출력으로부터 주어진 시간에 공기 또는 물 샘플 내에서 탐지된 공기 운반 입자들의 크기 분포를 획득한다. 탐지기는 또한 생물 약제와 무기물 입자를 구별하기 위한 장치를 포함할 수 있다.

병원균, 포자, 탄저병, 평행 광, 공기 운반 입자

Description

병원균 및 입자 탐지기 시스템과 방법{PATHOGEN AND PARTICLE DETECTOR SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 공기 중으로 운반되거나 또는 음료수 매개로 전달되는 입자를 탐지하는 시스템 및 방법에 관한 것이고, 구체적으로는 공기 중 운반되거나 또는 음료수 매개로 전달되는 입자를 탐지하고, 크기에 의하여 탐지된 입자를 분류하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유동성 알레르겐들 및 생물 무기(biological warfare agents), 즉 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하고 크기에 의하여 분류하는 것에 유용성을 가지고, 다른 유용성이 보충이 된다고 할지라고 그와 같은 유용성과 관련하여 기술될 것이다.

탄저균(탄저병)과 같은 생물 무기의 방출을 포함하는 도시 테러 공격은 현재 실제 관심사이다. 무기화가 된 탄저병 포자는 인간의 폐 내부를 통과할 수 있기 때문에 매우 위험하다. 인간에 대한 탄저병 포자의 치사 흡입 투입량인 LD₅₀(노출된 사람의 50%를 사망시키기에 충분한 치사량)은 2,500 내지 50,000 포자(spores)로 추산된다(T.V. Inglesby, et, al., "Anthrax as a Biological Weapon", JAMA, vol.281, page 1735, 1999 참조). 다른 잠재적인 무기화된 생물-약제는 에르시니아 페스티스(흑사병), 보툴리뉴스균(보툴리늄독소종), 및 프란시셀라 툴라렌시스이다. 이러한 잠재적 위협의 관점에서, 그와 같은 공격을 탐지할 수 있는 조기 경보 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

레이저 빔이 샘플을 통과하도록 유도되고 샘플을 통하여 전파되는 빛이 탐지되어 샘플 내에서 입자로부터 산란된 빛을 탐지하도록 분석되는 레이저 입자 계수기가 공지되어 있다. 산란된 빛의 탐지를 위하여 설계된 현존하는 탐지 장치 또는 입자 계수기가 가진 한 가지 문제는 산란 신호가 입사하는 조명 광원 신호로부터 추출되어야 한다는 것이다. 이것은 매우 잡음이 심한 배경(레이저 광원의 섬광)으로부터 약한 신호(작은 입자로부터 산란)를 탐지하는 것을 포함한다. 현재, 공지의 방법에 따라 설계된 레이저 입자 계수기는 약하며 고가이고, 이러한 적용에 적합하지 않다. 레이저 입자를 계수하기 위하여 사용되는 공지의 기술은 입자의 속도를 측정하고 크기 정보를 추론하는 레이저 도플러 방법, 입자가 감지 영역을 횡단하기 위하여 필요한 시간을 측정하는 과도 시간 방법(transient time method), 및 단지 작은 입자들을 측정할 수 있는 광각 다중-감지기 설계(large angle multi-sensor design)를 포함한다. 펄스화 된 UV 레이저를 사용하는 레이저-유도 형광에 기초하는 제안된 생물-감지기(bio-sensor)는 문헌(T.H. Jeys, et al., Proc. IRIS Active Systems, Vol.1, p.235, 1998)에 개시되어 있다. 제안된 장치는 공기 리터 당 5개의 입자의 에어로졸 농도를 탐지할 수 있지만, 값이 비싸고 복잡한 기기를 포함한다. 이와 같은 장치를 위하여 문헌(Hairson et al., J. Aerosol Sci., Vol. 28, No.3, p.471-482(1997))을 참조할 수 있다. 다른 입자 계수기가 오리건주 그랜츠 패스에 소재하는 메트 원 인스트러먼트(Met One Instrument)사, 콜로라도 볼더에 소재하는 파티클 미저먼트 시스템즈(Particle Measurement Systems)사, 및 캘리포니아 애너하임에 소재하는 테라 유니버셜 코오포레이트(Terra Universal Corp.)사에 의하여 제조되었다. 이와 같은 장치의 설계에 의하면, 이러한 입자 계수기 구조는 복잡한 감지기 및 전자 공학 뿐만 아니라 정확한 광학 정렬을 필요로 한다. 이러한 제품들은 실험실 용도로 개발되었으며 하나의 유닛을 위하여 수천 달러의 비용을 필요로 한다. 이로 인하여, 이러한 장치들은 야전-배치 탐지기로 적합하지도 않고, 생물 무기의 탐지를 위하여 특별히 설계되지도 않았다.

다양한 탐지기들이 공기 운반 알레르겐 입자들을 탐지하여 공기 샘플 내에 입자의 수가 미리 결정된 최소치를 벗어나는 경우 민감한 개인들에게 경보를 제공하도록 설계되어 왔다. 이와 같은 탐지기들은 햄버거(Hamburger) 등에 의하여 발명된 미국 특허 제5,646,597호; 제5,969,622호; 제5,986,555호; 제6,008,729호; 및 제6,087,947호에 개시되어 있다. 이러한 탐지기들은 모두 광-빔(light-beam)의 일부가 공기 중의 임의의 입자에 의하여 산란될 수 있도록 하기 위하여 환경 대기의 샘플을 통과하도록 하는 광-빔의 방향 관리, 미리 결정된 알레르겐 크기 범위에 해당하는 각 범위에서 산란된 빛만이 전달되도록 하는 빔 차단기 및 전달된 빛을 탐지하기 위한 탐지기를 포함한다. 탐지기에 의하여 탐지된 빛이 미리 결정된 수준 이상으로 된다면 경보가 작동된다. 비록 이러한 장치들은 알레르겐 입자들의 존재에 기초하는 경보 지시를 제공할 목적에는 충분하다고 할지라도, 이러한 장치들은 야전 배치에 적합하지 않고 생물 무기를 탐지하는 병원균 탐지 장치를 위한 엄격한 요구 조건을 충족시키지는 못한다.

본 발명은 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하여 분류하기 위한 새롭고 개선된 입자/병원균 탐지기 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 한 가지 특징에 따르면, 입자 탐지기 시스템이 제공되고, 입자 탐지기 시스템은 샘플 공기 또는 물을 담기 위한 샘플 영역을 가지는 외부 하우징, 샘플 공기 또는 물을 통과하는 초점이 잡힌(focused) 광-빔을 유도하여 그로 인하여 광-빔의 일부가 샘플 영역 내에 존재하는 다양한 크기의 입자에 의하여 다양한 각도로 산란되고 광-빔의 산란되지 않은 부분은 산란되지 않은 상태로 유지되도록 하는 광원, 광-빔의 산란되지 않은 적어도 일부분을 차단하고 광 경로를 따라 산란되지 않은 빛의 적어도 일부분을 유도하는 빔 차단기, 인접하여 위치하는 빔 차단기에 의하여 유도된 빛을 탐지하고 각각의 펄스가 입자의 크기에 비례하는 높이를 가지는 출력 펄스를 생성하기 위하여 광-빔 차단기의 뒤쪽으로 광 경로에 설치된 탐지기, 주어진 시간에 샘플 내에 있는 공기 운반 또는 음료 매개 입자의 크기 분포를 얻기 위한 펄스 높이 판별기, 및 만약 미리 결정된 관심 크기 범위 내 입자의 수가 되는 경우라면 경보 신호를 제공하기 위한 경보 유닛을 포함한다. 빔 차단기는 산란되지 않은 입사 레이저 빔을 중단시키고, 광원에 의하여 발생된 배경 노이즈를 효과적으로 제거하고, 이후 공기 또는 물 샘플 내에 있는 입자들에 의하여 산란된 빛의 각 분포 및 강도를 탐지하고, 탐지기의 결과를 입자 크기 분포 히스토그램으로 변환하고, 만약 히스토그램이 미리 결정된 입자 범위 내에서 비정상적으로 큰 입자의 수를 나타낸다면 경보 신호를 발생시킨다. 미리 결정된 입자 범위는 관심 입자에 따라 다를 것이다. 공기 운반 곰팡이(mold)에 대하여, 관심 크기 범위는 전형적으로 약 1 내지 3 ㎛가 되고; 공기 운반 생물-제제에 대한 관심 크기 범위는 전형적으로 약 1 내지 7 ㎛가 되는 한편, 공기 운반 알레르겐 또는 베릴륨 먼지(dust) 또는 석면과 같은 다른 유해한 물질에 대한 관심 크기 범위는 전형적으로 약 5 내지 50 ㎛가 된다. 관심 음료 매개 입자의 경우, 관심 크기 범위는 전형적으로 약 1 내지 20 마이크론이 된다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 펄스 높이 판별기의 출력은 각각 펄스의 높이에 기초하여 주어진 시간에 입자 크기 분포를 처리하고, 공기 운반 또는 음료 매개 입자 크기 분포의 히스토그램을 생성하고, 출력 장치에 히스토그램을 표시하기 위하여 처리 유닛에 연결된다. 상기 분석기는 입력되는 펄스 높이 측정을 위한 피크 탐지기, 및 각각 펄스 높이에 있는 펄스의 수를 기록하기 위한 비교 기록기를 포함할 수 있다. 이후 각각의 펄스 높이들은 입자 크기로 변환되고, 입자 크기 분포의 히스토그램은 발광 다이오드(LED) 또는 LCD(Liquid Crystal Display) 또는 컴퓨터 스크린과 같은 적당한 디스플레이 유닛에 표시된다.

경보 장치가 또한 제공될 수 있고, 만약 어떤 입자 크기 범위 내에 있는 펄스의 수가 미리 결정된 정상 배경 값을 벗어나는 경우 경보 장치는 청각 및/또는 시각 경보 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 생물-제제가 관심 대상이 되는 경우 1 내지 7 ㎛의 크기 범위에 있는 공기 운반 입자 계수의 수치가 갑자기 국부적으로 증가하는 것은 보통의 경우 적대적인 생물-제제의 고의적인 방출을 알리는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 입사 광-빔의 산란되지 않는 부분의 일부분을 반사하기 위하여 반사경이 빔 차단기 위 또는 전방에 설치되고, 반사경으로부터 반사된 빛을 검출하기 위하여 제2 광탐지기가 설치된다. 광탐지기의 기능은 레이저 다이오드가 될 수 있는 광원의 출력을 감시하는 것이다. 이것은 장치의 자체-보정(self-calibration)을 허용한다. 입자 크기 측정은 전기 펄스 높이 측정에 의존하고, 이로 인하여 레이저 다이오드 전력 출력에 있어 임의의 변동을 고려하는 것이 중요하다. 제1 탐지기로부터 전기 펄스 신호는 결과가 임의의 레이저 전력 변동에 의하여 영향을 받지 않는다는 것을 보장하기 위하여 제2 탐지기의 감시 신호에 의하여 분리될 수 있다. 제2 광탐지기의 출력이 레이저 다이오드의 성능을 나타내기 위하여 탐지된다. 제2 광탐지기로부터 신호가 개시 전력 수준의 50%와 같이 미리 결정된 수준 아래로 떨어지는 경우, 유지 요청(maintenance call)을 개시하기 위하여 “레이저 전력 저하”경보가 울릴 것이다.

투명 파티션 슬라이드가 샘플 영역 및 빔 차단기 사이에 제공될 수 있다. 슬라이드의 목적은 먼지 또는 다른 환경 오염물질이 광학 기기 또는 광탐지기에 도달하는 것을 방지하는 것이다. 이것은 시스템이 거친 야전 배치 조건에서 사용되는 경우 특히 유리할 것이다. 슬라이드가 너무 더러워져 충분한 빛이 투과하는 것을 허용하지 않는 경우 슬라이드는 교체될 것이고, 이것은 제2 광탐지기에 의하여 결정될 것이다. 이로 인하여, 레이저 전력 경보는 레이저 다이오드가 전력을 손실시켰거나 슬라이드가 너무 더러워졌다는 것 중 어느 하나를 나타낼 것이다. 약간 더러워진 파티션 슬라이드는 광-빔의 산란되지 않은 부분 및 산란된 광-빔 양쪽을 모두 감소시킬 것이고, 이들 두 신호의 비가 기록이 되므로 약간 더러워진 파티션 슬라이드는 입자 탐지의 정확성에 영향을 미치지 않을 것이다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 크기에 의하여 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하여 분류하는 방법이 제공되고, 상기 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다:

광-빔의 제1부분이 샘플 내에 존재하는 입자들에 의하여 산란되고 제2부분이 산란되지 않은 상태로 유지되도록 공기 또는 물 샘플을 통하여 광-빔을 유도하는 단계;

샘플을 통과한 광-빔의 양쪽 부분을 수신하여 빔 차단기에 광-빔 부분들을 유도하는 단계;

빔 차단기에서 광-빔의 적어도 제2 부분을 차단하고 제1 탐지기로 광-빔의 제1부분의 적어도 일부를 유도하는 단계;

제1 탐지기로부터 전기 펄스 출력의 펄스 높이를 측정하는 단계;

미리 결정된 시간 간격으로 각각 펄스 높이의 펄스들의 수를 계수하는 단계;

펄스 높이를 입자 크기로 변환하는 단계;

각 입자 크기에 해당하는 펄스들의 수를 계수하는 단계; 및

만약 미리 결정된 크기 범위 내에서 탐지된 펄스의 수가 초과된다면 경보 신호를 발생시키는 단계.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 각 입자 크기에 대한 펄스의 수와 관련되는 자료는 탐지된 입자 크기 분포의 히스토그램으로 변환된다. 이후 이것은 공지된 생물-제제 입자 크기 분포와 비교될 수 있고, 만약 탐지된 분포가 임의의 공지된 생물-제제 입자 크기 분포와 일치한다면 경보가 발생 될 것이다. 입자 분포는 또한 특별히 탐지된 생물-제제를 확인하기 위하여 사용될 수 있고, 무기화가 된 생물-제제가 생산된 제조 공정을 확인하기 위한 과학 수사 도구를 제공할 수 있다.

본 발명의 입자 탐지 시스템 및 방법은 곰팡이, 박테리아, 박테리아 포자, 및 베릴륨 및 석면과 같은 먼지들을 포함하는 공기 운반 또는 음료 매개 생물 무기 또는 다른 유해한 물질의 존재를 탐지하기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 선택된 크기 범위 내에 있는 공기 운반 또는 음료 매개 입자의 존재를 탐지하고 이와 동시에 선택된 입자 크기 범위 내에서 생물 유기체 또는 생물 제제 및 불활성 또는 무기체 물질을 식별하기 위하여 사용될 수 있는 향상된 시스템 및 방법이 제공된다. 구체적으로, 본 발명은 불활성 물질로부터 살아 있는 유기체 또는 생물-제제의 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하여 식별하기 위한 형광 센서와 함께 공기 운반 또는 음료 매개 입자 탐지기를 제공한다. 본 발명의 시스템은 예를 들어 약 1 내지 7 ㎛의 주어진 관심 크기 범위의 입자를 탐지하고, 크기 범위 내에서 생물 유기체 또는 생물 제제 및 불활성 또는 무기 물질을 식별한다.

또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 선택된 크기 범위 내에서 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하고 이와 동시에 선택된 크기 범위 내에서 생물 유기체 또는 생물 제제와 불활성 또는 무기 물질을 식별하기 위하여 사용될 수 있는 향상된 탐지 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는 다수 개의 탐지 하우징을 이용하는 것에 의하여 개선된 형광 탐지기 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 생물 유기체 또는 생물 제제를 포함하는 유체가 흐를 수 있는 통로가 일련의 하우징을 연결하기 위하여 사용될 수 있다. 각각의 하우징은 유체를 통하여 빛을 전송할 수 있는 광원, 형광 및 생물 유기체 또는 생물 제제의 입자 크기를 탐지하여 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 광 경로에 위치시킨 탐지기를 수용한다. 적절하게, 광원은 하나 또는 그 이상의 대사 물질(metabolites)의 최적 여기 파장(excitation wavelength)의 빛을 생성하기 위하여 조정된다. 예를 들어, 광원은 트립토판, 피리독신, 니코티나미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH), 또는 리보플라빈의 여기 파장에 해당하도록 조정될 수 있다. 추가로, 하우징은 일치된 입자 크기 측정을 보장하기 위하여 공통 파장을 가지는 각각의 하우징 내에 하나의 광원을 다수 개의 광원들을 수용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따르면, 입자/형광 탐지 시스템은 유체 내에 상기 생물 유기체 또는 생물 제제의 형광을 여기하기(excite) 위하여 유체를 통하여 광-빔을 전송하는 다수 개의 광원을 사용한다. 다수 개의 광원은 광 커플러 또는 다른 연결기를 사용하여 연결된다. 적절하게, 광학 커플러는 서로 다른 주파수로 다수 개의 광-빔을 변조한다. 탐지기가 형광 및 상기 생물 유기체 또는 생물 제제의 입자 크기를 탐지하여 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 광 경로에 설치된다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따르면, 반사 기구가 빛이 유체를 수용하는 샘플 영역을 통과한 후에 형성되는 광 경로에 설치된다. 반사 기구는 일정 각 범위에서 산란된 빛의 적어도 일부분을 제2 광 경로 내로 반사한다. 제1 탐지기가 산란된 빛의 일부를 탐지하여 출력 신호를 생성하기 위하여 제2 광-경로에 설치된다. 제1 탐지기는 예를 들어 0.1 내지 1.0 ㎛ 크기 범위의 제1 크기 범위의 입자를 측정하기 위하여 최적화되는 것이 바람직하다. 제2 탐지기는 더 큰 각으로 산란된 빛의 일부를 탐지하여 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 반사 기구의 뒤쪽 광 경로에 설치된다. 제2 탐지기는 예를 들어 크기가 1 내지 10 ㎛와 같은 제2 크기 범위의 입자를 측정하기 위하여 최적화되는 것이 바람직하다.

추가로 이러한 실시 형태에서, 파장 선택 필터 또는 빔 분리 기구가 빔을 다수 개의 광-빔들로 분리하기 위하여 반사 기구 뒤쪽으로 상기 광-빔 내에 설치될 수 있다. 적절한 실시 형태에 따르면, 파장 선택 필터는 이색성 필터가 된다. 제3탐지기가 동일한 영역 내에 있는 입자의 형광을 탐지하기 위하여 다수 빔들 중 하나의 광 경로에 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 입자 탐지 센서를 위한 시험 시스템을 위한 테스트 기구를 포함하고, 시험 시스템은 아래와 같은 것을 포함한다:

테스트 분말을 수용하기(loading) 위한 챔버; 및

상기 챔버에 연결된 미리 결정된 크기보다 더 큰 입자를 제거하기 위한 필터 기구;

상기 필터의 출구는 입자 탐지 센서 시스템에 연결된다.

이러한 탐지 시스템은 민감하고, 값이 싸고, 야전 배치가 될 수 있을 만큼 충분히 거칠다. 시스템이 항상 필요하도록 정확한 입자를 탐지 또는 확인하지 못한다고 할지라도, 시스템은 생물-제제 공격에 대한 민감하고 비용 효율적인 조기 경보를 제공할 수 있다. 시스템은 또한 석면 및 베릴륨 먼지와 같이 폐질환을 유발할 수 있는 유해한 공기 운반 입자 또는 유해한 음료 매개 입자들에 대한 조기 경보를 제공하도록 배치될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 주어지는 발명의 예시적인 실시 형태에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해되고, 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타내며, 도면은 아래와 같은 설명하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 입자 탐지기 시스템의 광학 부분의 개략적인 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

도 1A는 도 1의 탐지기 시스템의 샘플 영역 부분의 상세도를 도시한 것이다.

도 2는 공기 운반 입자 크기의 입사광의 미 산란(Mie scattering) 단면적의 관계를 예시하는 그래프이다.

도 3은 도 1의 광학 시스템과 결합하는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 입자 탐지기 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

도 4는 펄스 높이 측정 및 표시 회로의 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

도 5는 도 4의 회로의 아날로그-디지털 컨버터 부분의 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

도 5A는 회로 내 다양한 지점에서 펄스 파형을 예시하는 다이어그램이다.

도 6은 미리 결정된 크기 내에 있는 입자 계수가 미리 결정된 양을 초과하여 경보 조건을 개시시키는 상황에 있는 도 3 및 도 4의 시스템에 의하여 표시되는 예시적인 출력 히스토그램을 예시하는 것이다.

도 7 및 도 7A는 UV LED가 레이저 광원을 대신하여 사용되는 본 발명에 따른 입자 탐지기의 대안적인 형태의 도 1과 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 8은 공기 운반 입자들을 탐지하기 위하여 특별히 설계된 본 발명의 대안적인 실시 형태에 따른 입자 탐지기의 도 1과 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 9는 도 7 및 도 7A에 따른 UV LED가 레이저 광원 대신에 사용되는 본 발명의 도 8의 대안적인 실시 형태에 따른 음료 매개 입자 탐지기의 도 8과 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 10은 그리드 내에 있는 본 발명의 다수 개의 탐지기를 예시하는 평면도이다.

도 11은 사시도이고, 도 12는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 공기 운반 병원균 탐지기 및 특징 시스템의 개략적으로 도시한 것이다.

도 13은 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따른 공기 운반 병원균 탐지기 및 특징 시스템의 개략적인 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

도 14 내지 17은 각각 티로신, 트립토판, 니코티나미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH) 및 리보플라빈; 포자, 도로 먼지, 질산암모늄, 황산암모늄, 카본 블랙; 효모 에어로졸(saccharomyees cerevisial aerosols); 및 디젤 배기의 형광 강도와 관련된 파장의 관계를 예시하는 그래프이다.

도 18은 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따른 공기 운반 병원균 탐지기 및 특징 시스템의 도 12와 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 음료 매개 병원균 탐지기의 도 18과 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 20은 UV LED가 레이저 광원의 위치에 사용된 도 19와 유사한 도면을 도시한 것이다.

도 21은 NADP에 대한 파장의 작용의 형광 발산 그래프이다.

도 22는 리보플라빈에 대한 파장의 작용의 형광 발산 그래프이다.

도 23은 Hg 아크 램프에 의하여 여기 된(excited) 4개의 대사 물질에 대한 형광 발산 스펙트럼의 그래프이다.

도 24는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 입자/형광 탐지기 시스템의 이중 여기 파장 직렬 모듈 설계의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 25는 두 개의 광-빔이 두 개의 신호의 동시 측정을 허용하도록 결합 된 본 발명의 예시적인 형태에 따른 입자/형광 탐지기 시스템의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 26A 내지 도 26B는 도 25의 입자/형광 탐지기 시스템에서 사용되는 광 커플러의 예시적인 형태를 도시한 것이다.

도 27은 광 신호에 잡음(noise)을 감소시키기 위한 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태 및 광학 시스템의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 28은 입자 탐지기 시스템과 함께 사용되는 시험 시스템의 예시적인 실시 형태를 도시한 것이다.

도 1, 1A, 및 3 내지 5는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 공기 운반 탐지기 시스템을 예시한 것이고, 도 6은 시스템으로부터 출력을 예시적으로 나타낸 것이다. 시스템의 이러한 실시 형태는 특별히 테러리스트 또는 다른 사람들에 의해 고의적으로 방출된 공기 운반 또는 음료 매개 생물-테러 약제를 탐지하도록 의도된 것이지만, 곰팡이 또는 박테리아와 같이 자연적으로 존재할 수 있거나 우연히, 의도적으로, 자연적으로, 또는 고의적으로 방출된 다른 공기 운반 또는 음료 매개 입자들의 유해 수준을 탐지하기 위한 비군사적 적용을 위하여 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 “유동성 입자(fluid borne particle)”란 공기 운반 입자 및 음료 매개 입자들 모두를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 “평행광(collimated light)”이란 평행광 또는 준(near)평행광 모두를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 “병원균(pathon)”이란 만약 입자가 충분한 양으로 공기 또는 물에 존재한다면 잠재적으로 유해할 수 있거나 심지어 그러한 입자에 노출된 사람을 살상할 수 있는 임의의 공기 운반 또는 음료 매개 입자, 생물 약제, 또는 독소를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 것처럼, “생물 약제”는 임의의 미생물, 병원균, 전염성 물질, 독소, 생물 독소, 또는 임의 형태로 자연적으로 발생하거나, 생물 공학적으로 또는 합성된 임의의 미생물, 병원균, 전염성 물질로 정 의되고, 그것의 기원 또는 생산 방법에 상관없다. 그와 같은 생물 약제는 이 분야에서 공지된 다른 것뿐만 아니라 예를 들어 생물 독소, 박테리아, 바이러스, 리케차(rickettsiae), 포자(spores), 균류(fungi), 및 원충을 포함한다.

“생물 독소(biological toxins)”는 살아 있는 식물, 동물, 또는 미생물로부터 생산되거나 또는 유도된 독성을 가진 물질이 되지만, 화학적 수단에 의하여 생산되거나 변형된 것이 될 수 있다. 그러나 독소는 일반적으로 숙주 유기물에서 자연적으로 발생하지만(예를 들어, 색시톡신(saxitoxin)은 해양 조류에 의하여 생성되지만), 유전적으로 변형되거나 및/또는 합성에 의하여 제조된 독소는 실험실 환경에서 생산되어 왔다. 유기물과 비교할 때, 독소는 상대적으로 간단한 생화학적 구조를 가지고, 자체적으로 번식할 수 없다. 많은 특징에서, 그들은 화학 약제와 비교된다. 그와 같은 생물 독소는 공지된 다른 독소뿐만 아니라 보툴리움 및 파상풍(tetanus) 독소, 포도 구균 장독소 B(staphylococcal enterotoxin B), 트리코테신류 곰팡이독(tricothecene mycotoxins), 리신독소, 색시톡신, 시가 및 시가-유사 독소(Shiga-like toxins), 덴드로톡신(dendrotoxins), 에라뷰톡신 b(erabutoxin b)가 된다.

탐지 시스템은 특정 크기 범위 내에 있는 공기 운반 또는 음료 매개 입자들을 탐지하고, 생물 약제 및 불활성 또는 무기 물질과 구별하고, 샘플 내에 탐지된 범위 내에 있는 각각의 크기의 입자의 수를 나타내는 출력을 만들고, 입자들이 생물 또는 무생물인지 여부를 나타내고, 만약 입자들의 수가 정상 배경 수준을 초과하여 미리 결정된 값을 초과한다면, 그리고/또는 생물 유기체 또는 생물 약제가 잠 재적으로 위험하다면 경보신호를 발생하도록 설계된다.

도 1 및 3에 예시된 것처럼, 시스템의 제1실시 형태는 기본적으로 광학 유닛(10), 평행광 또는 준평행광을 광학 유닛(10) 내부로 유도하는 레이저 다이오드 또는 다른 광원(12), 유닛을 통하여 전달된 빛을 탐지하는 광학 유닛 출력에 위치하는 제1 광탐지기(14), 레이저 다이오드의 광 출력을 탐지하기 위한 제2 광탐지기(16), 광탐지기(16)의 출력으로 광탐지기(14)의 출력을 분리하기 위한 신호 분리기(18), 미분 증폭기(18)의 출력에 연결된 증폭기(26), 아날로그-디지털 컨버터(22), 윈도우 비교 회로(24), 및 회로(24)의 출력에 연결된 제어 및 출력 표시 유닛(25)을 포함한다. 저위(low) 신호 탐지 회로(26)는 레이저 다이오드 전력을 탐지하는 광탐지기/모니터 탐지기(16)의 출력에 연결되고, 회로의 출력은 또한 유닛(25)을 제어한다. 경보기(28)가 또한 유닛에 연결된다. 제어 유닛(25)은 컴퓨터 또는 시스템을 제어하기 위한 맞춤 설계된 하드웨어/소프트웨어가 될 수 있다.

시스템의 광학 부분(10)이 도 1 및 도 1A를 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 이러한 시스템 부분은 햄버거 등에 의하여 발명된 미국 특허 제5,986,555호 및 제6,087,947호에 기술된 광학 시스템과 유사하고, 위 발명의 내용은 참조로 본 명세서에 결합된다. 광학 시스템은 튜브 또는 다른 형태가 될 수 있는 외부 하우징(30)에 수용될 것이다. 광원(12)은 하우징 내에 있는 공기 샘플 영역(34)을 통하여 평행 레이저 빔(32)을 유도한다. 평행 레이저 빔(32)이 공기 샘플 내부에 있는 입자(35)와 충돌할 때, 빔(36)의 일부는 편향되거나(deflect) 또는 산란되고, 편향 각은 입자의 크기에 따른다. 그러므로 광-빔의 산란된 부분(36)은 샘플 내의 입자 의 존재를 확인시킨다.

주위 공기가 위에서 언급된 특허에 기술된 것과 동일한 방법으로 팬과 같은 유체 이동 유닛(37)에 의하여 도 1에 화살표 방향으로 샘플 영역(34)을 통하여 계속적으로 유입된다.

도 1A를 참조하면, 정확한 입자 탐지를 보장하기 위하여 샘플 영역(34)을 통과하는 흐름 채널은 비교적 작아야 하고, 바람직하게는 약 1 내지 2mm의 횡단 길이가 된다. 흐름 채널의 단면적을 너무 작게, 예를 들어 1mm 미만으로 만드는 것은 샘플링을 정확하도록 하기 위하여 너무 많은 후방 압력(back pressure)을 발생시킬 수 있다. 다른 한편으로, 약 2mm를 초과하는 흐름 채널은 이중 층 또는 흐름 채널 벽에 인접하는 정지 층을 발생시킬 수 있다. 이상적으로 흐름 채널은 약 1.5 내지 2.0㎜의 단면적을 가질 것이다. 적절한 실시 형태에 따르면, 샘플 영역(34)은 입구 끝(102) 및 출구 끝(104)을 가지는 몸체를 포함하는 흐름 셀(100)을 포함한다. 입구 끝(102) 및 출구 끝(104)은 각각 동일하거나 또는 서로 다른 형태가 되는 끝이 잘린 원뿔(truncated cones) 형태가 된다. 단면이 약 1 내지 2㎜가 되는 채널(106)은 광-빔(32)이 유도되는 광학 윈도우(108)를 포함한다. 채널(106)은 끝이 잘린 원뿔의 정점에서 입구 끝(102) 및 출구 끝(104)을 연결한다. 입구(102)는 주변 공기에 개방된다. 예를 들어 팬과 같은 유체 이동 유닛(37)이 출구에 연결된다. 후방 흐름 압력을 감소시키기 위하여, 하나 이상의 추가적인 도관(110)이 적절하게 입구 끝 원뿔의 원뿔 표면과 출구 끝 원뿔 표면의 중심 사이에 형성되어 공기가 흐르도록 하고, 그에 의하여 더 많은 균일 공기 유체 샘플링이 허용된다. 적절하게, 흐름 셀(100)의 외부 표면은 잠재적인 정전하가 축적되는 것을 방지하기 위하여 접지에 연결된 금속제 코팅(112)을 이용하여 코팅된다.

렌즈(38)는 샘플 영역으로부터 발산되는 광-빔의 산란되지 않은 부분과 산란된 부분 양쪽의 경로를 따라 하우징 내부에 설치된다. 렌즈(38)는 빛을 흡수하도록 설계된 미리 결정된 직경의 중앙 차단 멤버(central, blocking number)(40)를 가진다. 본 발명의 제1 예시적인 실시 형태에 따르면, 다른 빔 분산기가 대안으로 사용될 수 있지만, 차단 멤버(40)는 렌즈(38)의 전방에 부착된 검은 조각의 비닐을 포함한다. 차단 멤버(40)의 직경은 적어도 초점이 잡힌 광-빔의 산란되지 않은 부분이 차단되어 유닛(10)을 통한 더 이상의 이동을 방지하도록 한다. 원형의 차단 멤버(40)의 직경은 집중되지 않은 광-빔의 직경보다 더 큰 약 2㎜가 될 수 있고, 산란되지 않은 빛 및 50 ㎛처럼 미리 결정된 크기보다 더 큰 입자에 의하여 산란된 빛을 차단하도록 설계될 수 있다. 만약 필요하다면, 심지어 더 큰 차단 멤버가 50 ㎛보다 더 작은 입자에 의하여 산란된 빛을 추가로 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 렌즈는 예를 들어 상기 언급된 미국 특허 제6,087,947호에 개시된 것과 같은 중앙 차단 멤버(40)의 주위를 둘러싸고 있는 빛 차단 소재의 환형 링(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 이것은 미리 결정된 최소치보다 더 작은 입자에 의하여 산란된 빛을 차단하는 기능을 할 것이다. 그러나 렌즈 및 하우징 직경은 대안으로 그와 같은 입자에 의하여 산란된 빛이 전달되지 않도록 설계될 것이다.

위에서 언급한 선행 특허에 따르면, 렌즈 및 빔 차단 멤버(및 존재하는 경우 환형 빔 차단 링)를 포함하는 빔 차단기는 5 내지 50 ㎛의 미리 결정된 입자 크기 범위의 벗어나는 입자에 의하여 산란된 빛의 전달을 차단하기 위하여 설계되었다. 그러나 본 발명에 따르면, 관심 입자는 서로 다른 크기 범위, 구체적으로 공기 운반 곰팡이, 생물 약제, 또는 유해한 먼지와 같이 서로 다른 크기 범위를 가질 수 있다. 입자들은 1 ㎛ 또는 심지어 5 ㎛ 크기로 작을 수 있기 때문에, 렌즈(38), 하우징(30), 및 빔 차단 멤버(40)는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛의 크기 범위를 벗어나는 입자에 의하여 전달된 빛을 차단하도록 미리 결정된 규격이 되는 한편, 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 크기 범위 내에 있는 입자에 의하여 산란된 광-빔의 부분(42)은 차단 멤버(40)를 둘러싸고 있는 렌즈의 환형 링 부분을 통하여 전달된다. 만약 렌즈(38)를 통하여 전달된 광-빔 부분을 추가로 제한하거나 확장하는 것이 요구된다면 차단 멤버의 규격은 다양하게 만들어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

초점이 잡힌 광-빔(32)에 추가하여, 광원(12)이 표면으로부터 일정 양의 노이즈를 발생시킨다. 그와 같은 노이즈는 렌즈(38)에 의하여 제2 렌즈(44)의 중앙에 있는 원형의 차단 멤버(45) 위에 집중되고, 이에 따라 탐지기(14)에 도달하는 것이 방지된다. 그러나 렌즈(38)에 의하여 산란된 광-빔의 산란된 부분(42)은 렌즈(44)에 의하여 탐지기(14)에 집중되고, 이것은 도 1에 도시되어 있다. 원형의 차단 멤버(45)는 차단 멤버(40)와 동일한 형태가 될 수 있다.

이미 언급한 차이 이상으로, 광학 유닛(10)은 아래와 같은 점에서 이미 언급한 두 개의 특허들에서 기술된 광학 유닛과는 차이를 가진다.

먼저, 반사기(46)가 빔 차단 멤버(40) 위 또는 전방에 설치된다. 반사기는 코팅된 경사 거울 또는 프리즘 셋(set)이 될 수 있다. 이러한 반사기는 제2, 또는 감시 광탐지기(16)에 입사하는 산란되지 않은 레이저 빔을 반사하도록 설계된다. 두 번째로, 투명 파티션 슬라이드가 샘플 영역(34) 및 빔 차단기(38, 40) 사이에 설치된다. 슬라이드의 목적은 먼지 또는 다른 환경 오염물이 광학 기구 또는 광탐지기에 도달하는 것을 방지하기 위한 것이다. 이것은 특별히 시스템이 거친 야전 배치 조건에서 사용되는 경우 유리하다. 슬라이드는 너무 더러워져 충분한 전달이 허용되지 않는 경우 교체될 수 있도록 하우징 내에 제거 가능하도록 설치되고, 교체 여부는 제2 광탐지기에 의하여 결정될 것이다. 이로 인하여 레이저 전력 경보는 레이저 다이오드가 전력을 손실하였거나 또는 슬라이드가 너무 더러워졌다는 것 중 어느 하나를 나타낼 것이다. 약간 더러워진 파티션 슬라이드는 광-빔의 산란되지 않은 부분 및 산란된 광-빔 부분 양쪽을 모두 감소시키고, 이들 두 개의 신호들의 비율이 기록되기 때문에 입자 탐지의 정확성에 영향을 미치지 않을 것이다.

제시된 실시 형태에서 빔 분산 기기는 중앙 차단 영역 및 선택적으로 외부 차단 링을 가진 렌즈가 되고, 이로 인하여 단지 미리 결정된 각 영역에서 산란된 빛만이 렌즈로 전달이 된다고 할지라도, 대안적인 실시 형태에서 차단기는 위와 같이 중앙 빛 흡수 빛 차단기(absorbing blocker)를 가지는 원뿔 형태의 거울 또는 미리 결정된 중앙 입구가 될 수 있다. 이러한 경우 탐지기(14)는 참조로 본 명세서에 결합되는 미국 특허 제6,008,729호에 개시된 것처럼 원뿔형 거울로부터 반사되는 빛을 탐지하도록 설치될 것이다. 각을 가진 거울(angled mirror) 또는 프리즘이 또한 빔의 산란되지 않은 부분을 제2 탐지기로 유도하기 위하여, 도 1에 도시된 것과 완전 동일한 방법으로 사용될 수 있다.

시스템 설계는 빛의 파장에 비교되는 크기를 가지는 입자에 의한 빛의 미 산란(Mie scattering)의 원칙에 기초한다. 미 산란 영역에서, 산란된 빛의 각 분포 및 강도는 모두 입자의 크기 및 형태에 크게 의존한다. 미 산란은 아래와 같은 성질을 특징으로 한다: 1) 산란된 빛은 전방 방향으로 초점이 잡힌다; 2) 산란된 빛 강도의 각 분포는 산란시키는 입자 크기에 매우 민감하다; 및 3) 입자의 산란 단면적은 단일하게 그러나 복합적인 방법으로 입자 크기에 비례한다. 0.67 ㎛의 가시 레이저 다이오드 빛 출력 빔과 같은 가시광선을 사용하여, 미 산란 방법은 이상적으로 마이크론 범위에 있는 공기 운반 입자들을 탐지하고 특징을 지우기에 적합하다. 입자 반지름에 대한 미 산란 단면적이 도 2에 도시되어 있다.

시스템의 광학 유닛(10)은 샘플을 통하여 전달되는 빛의 경로에 위치하는 빔 차단기(36)를 사용하여 미리 결정된 범위를 벗어나서 산란되는 빛을 제거하기 위하여 산란각은 입자 크기에 비례한다는 원리를 사용한다. 위에서 기술하고 도 2에 예시된 것처럼, 입자의 산란 단면적은 단일하지만 복합적인 방법으로 입자 크기에 비례하므로, 시스템의 나머지 부분은 시스템에서 탐지된 서로 다른 높이의 펄스들을 식별하는 것에 의하여 샘플 내에 입자 크기 분포를 탐지하도록 설계된다. 그러므로 탐지기(14)로부터 전기 펄스 출력의 높이들은 입자 크기에 의존한다.

도 3에 도시된 것처럼, 탐지기(14)의 출력은 신호 분리기(18)의 하나의 출력에 연결되는 한편, 탐지기(16)의 출력(레이저 다이오드 출력에 해당하는)은 신호 분리기(18)의 다른 입력에 연결되고, 이러한 신호들의 비가 신호 분리기(18)로부터 출력된다. 도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 컨버터 유닛(22), 윈도우 비교기 유 닛(24), 및 제어 및 출력 표시 유닛(25)을 구성하는 펄스 높이 측정 회로의 블록 다이어그램을 도시한 것이고, 도 5는 보다 상세하게 디지털 컨버터 유닛을 개략적으로 예시한 것이다. 광탐지기의 출력은 도 4에 예시되어 있는 것처럼 일련의 아날로그 펄스들의 신호(60)와 같은 펄스 신호가 될 수 있고, 각각의 펄스는 공기 샘플 내에 있는 입자에 의하여 수직으로(right) 산란되는 것을 나타내고, 펄스의 높이는 입자 크기에 비례한다. 광탐지기로부터 입사하는 각각의 펄스는 DC 배경을 제거하기 위하여 고역 필터(62)를 통과하고, 이후 버퍼(64)를 경유하여 입사 펄스의 높이를 측정하는 정점 탐지기(65)에 도달한다. 정점 탐지기(65)의 출력은 펄스 높이 자료를 가진 일련의 펄스 계수 신호들이 될 것이다. 적당한 아날로그-디지털 컨버터 및 정점 탐지기 회로의 실시 예가 도 5에 보다 상세하게 예시되어 있고, 도 5는 회로 내에 있는 다양한 점들에서 펄스 출력들을 제시하고 있다. 도 5에서 출력 신호 “정점 출력(PEAK OUT)”은 분류를 위하여 윈도우 비교기 유닛으로 전송된다. 도 5A에 도시된 다른 펄스들은 시간적 조절이 되고(timing) 신호들이 윈도우 비교기가 계수를 취하고 저장할 것인지 전달하는 것이 가능하도록 한다.

윈도우 비교기 유닛은 일련의 비교기들(66)(예로써 도 4에서 1-10 부호로 도시된)을 가지고, 각각은 미리 결정된 전압 범위(윈도우 전압)에서 펄스들을 탐지하도록 설계된다. 단지 입사되는 펄스 높이가 윈도우 전압 범위 내에 있는 경우에만(예를 들어 비교기 ＃5에 5 mV 내지 7.5 mV), 각각의 윈도우 비교기(66)는 관련 디지털 계수기(68)에 신호를 전송한다. 계수기(68)의 출력은 각각 입자 크기, 상자(bin)에 입자 수를 표시하는 디스플레이 패널(70)에 연결된다. 이로 인하여 출력 디스플레이 유닛(25)은 발광 다이오드(LED) 배열에 의하여 발광되는 막대그래프를 포함하고, 발광 다이오드(LEDs)는 입자 크기 분포의 히스토그램을 생성하기 위하여 관련 계수기로부터 입력에 기초하는 각각 입자 크기를 위하여 연속으로 발광이 된다. 막대그래프는 서로 다른 입자 크기에 대해 서로 다른 색깔이 될 수 있다. 출력은 또한 대안으로 디스플레이 스크린 위에 입자 크기 분포의 히스토그램을 표시하도록 프로그램된 컴퓨터에 연결될 수 있다.

윈도우 비교기 유닛(24)은 다수개의 비교기(66) 및 관심 영역의 입자 크기에 해당하는 펄스를 계수하기 위한 계수기 또는 상자(bins)를 가진다. 도 4에 10개의 그와 같은 상자가 도시되어 있다. 그러나 14개의 상자들이 0.5 마이크론 간격으로 1부터 7 마이크론에 이르는 입자 크기로 제공될 수 있다. 예를 들어 더욱 제한된 1 내지 5 ㎛의 병원균 크기와 같이 더 작거나 또는 더 큰 크기 범위가 요구된다면, 더 작거나 또는 더 큰비교기 또는 계수기가 제공될 수 있다. 도 6은 입자 크기 분포의 히스토그램의 실시 예를 예시한다. 비록 이것은 1 내지 19 ㎛의 범위에 있는 분포를 나타내지만, 제어 유닛은 위에서 개시된 것 이상으로 1 내지 7 ㎛의 더 작은 범위에 걸쳐 또는 임의의 요구되는 범위에 걸쳐 입자 크기 분포 히스토그램을 표시하도록 프로그램될 수 있을 것이다. 제어 유닛(25)의 출력은 또한 하우징 앞에 위치하는 경보 광 및 부저와 같은 육안 및/또는 청각 경보기(28)에 연결될 수 있다.

임의의 적당한 소프트웨어, 예를 들어 텍사스 어스틴에 소재하는 내셔널 인스트러먼츠 코포레이션(National Instruments Coporation)사로부터 구입 가능한 랩 뷰(LabView)와 같은 소프트웨어가 출력 디스플레이 히스토그램을 생성하는데 사용될 수 있다. 만약 병원균 또는 생물-약제 입자 크기에 해당하는 크기 범위에 있는 계수(number of counts)가 정상 수준이상으로 미리 결정된 수준을 벗어난다면, 이러한 소프트웨어는 또한 청각 경보(28)를 작동시키는 출력을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 이것은 잘못된 경보를 감소시키거나 심지어 제거하는 것을 돕는다. 컴퓨터의 출력은 또한 더 많은 복잡한 생물-약제 탐지기, 예를 들어 PCR 기초 탄저병 탐지 기구를 개시시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 조합 탐지 계획은 비용을 효과적으로 만들고 잘못된 경보의 위험을 추가로 감소시킬 것이다.

본 발명의 수정된 배열에 따르면, 공기 운반 입자 크기 분포의 히스토그램은 공지된 무기화가 된 생물-약제의 입자 분포와 비교될 수 있고, 이는 그와 같은 약제를 위한 공정 절차는 공정에서 사용된 기계에 고유한 서명(signature) 입자 분포를 가지는 것으로 알려져 있기 때문이다. 이로 인하여, 본 발명의 탐지 시스템은 생물-약제 제조업자의 가능한 기원에 대한 과학 수사에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

위에서 언급한 것처럼, 테러리스트 공격에서 사용하기 위한 가장 가능성 있는 생물-약제는 1 내지 7 ㎛의 크기 범위를 가진다. 아래의 표 1은 카테고리 A의 특징을 나타내는 것으로, 질병 제어 센터(Center for Disease Control)에 의하여 명시되었다.

표 1

카테고리 A 생물-테러리스트 약제

약제	크기 특징
탄저균	막대형: 너비 1.0-1.2 ㎛, 길이 3.0-5.0 ㎛(포자 1.0×1.5 ㎛)
에르시니아 페스티스(페스트)	타원 1.0-2.0 ㎛
클로스트리듐 보투리눔	막대형: 너비 0.8-1.3㎛, 길이 4.4-8.6 ㎛
프란시셀라 툴라렌시스	막대형: 너비 0.2 ㎛, 길이 0.7 ㎛

단지 약 1 ㎛ 내지 7 ㎛의 크기 범위에 있는 자연적으로 발생하는 공기 운반 입자들의 매우 작고 일정한 농도가 환경 대기에 존재한다. 대도시 영역에서 스모그 유입의 입자 크기 범위 및 국지적 먼지 공급원의 갑작스런 증가는 각각 0.3 ㎛ 및 5 ㎛에서 정점이 된다. 꽃가루 및 다른 알레르겐들이 또한 개화기 동안 공기 내에 존재할 수 있고, 알레르겐 미립자들의 크기 범위는 약 5 내지 50 ㎛가 된다. 이로 인하여 이러한 자연적으로 발생하는 공기 운반 입자들은 무기화가 된 생물-약제의 전형적인 크기 범위(1 내지 7 ㎛)를 가지는 경우는 거의 없다. 추가로, 곰팡이는 약 1 내지 5 ㎛의 입자 크기를 가질 수 있는 한편, 어떤 특정 지역의 공기 내에 곰팡이 입자의 양은 일반적으로 갑자기 변하지 않는다. 그러므로 본 발명의 탐지기 시스템은 특정한 크기 범위에 있는 입자들을 탐지하고 0.5 ㎛ 간격으로 탐지된 입자 크기들의 범위를 나타내는 출력을 생성한다. 1 내지 7 ㎛의 범위 내에서 공기 운반 입자들의 수의 임의의 갑작스럽고 국지적인 증가는 적대적인 생물-약제 또는 병원균의 의도적인 방출을 나타낼 가능성이 매우 높다. 시스템은 관심 크기 범위 내에 있는 입자들의 자연적인 배경 수준을 탐지하고 저장하도록 설정될 수 있고, 이후 갑작스런 증가의 탐지하는 경우 경보를 작동시키기 위하여 이러한 값을 차후 출력 히스토그램들을 위한 비교 수준으로 사용하도록 설정될 수 있다. 도 6의 입자 크기 분포 히스토그램은 1 내지 7 ㎛의 크기 범위에서 탐지된 입자의 수가 정상 수 준을 넘어서는 과정에 있는 가능한 위험한 상황을 나타낸다.

위에서 기술된 것처럼 비록 입자 탐지시스템은 특정한 입자를 확인하지 않는다고 할지라도, 시스템은 정상적인 기상 조건에서 관심 영역에 있는 공기 운반 입자들의 상대적인 부족으로 인하여 공기 운반 생물-약제 공격의 민감하고 비용-효율적인 경보로 기능을 할 수 있다. 이러한 범위 내에 있는 입자들은 인간의 폐를 관통할 수 있고 이들을 흡입하는 사람들에 대하여 잠재적으로 위험할 수 있고 심지어 치명적으로 될 수 있다. 경보는 즉시 인근 지역의 사람들을 대피시키기 위한 경보를 제공하여 그와 같은 약제에 노출을 감소시킨다.

동일한 탐지 시스템 및 방법이 또한 제조 시설에서 잠재적으로 위험한 먼지들의 위험 수준을 탐지하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 위험한 석면 섬유가 약 5 ㎛의 크기 범위에 있고, 전형적으로 약 5 ㎛의 길이 또는 그 이상, 약 1-2 ㎛의 직경을 가진다. 베릴륨 먼지들은 또한 인간의 폐 내부로 흡입이 되는 경우 유해하고, 이것은 만약 1-5 ㎛의 범위가 된다면 발생할 수 있다. 본 발명의 탐지 시스템은 건물 함유 석면에 또는 작업자들이 그와 같은 건물에서 작업하는 경우 제공되어 공기 중에 석면 섬유의 위험 수준을 지시하는 1 내지 5 ㎛ 내에 있는 비정상적인 상승(spike)이 탐지되는 경우 경보 신호를 제공할 수 있다. 유사하게, 만약 베릴륨 먼지의 위험한 수준의 가능한 존재를 나타내면서 1 내지 5 ㎛ 크기 범위 내에 있는 입자들의 수가 급격하게 증가한다면 경보 신호를 주기 위하여 탐지기는 작업자들이 베릴륨 부품을 작업하는 경우 인근지역에서 사용될 수 있다. 비록 탐지기는 석면 또는 베릴륨 먼지를 동일한 크기 범위에 있는 유해하지 않은 입자와 구별 하지 못한다고 할지라도, 석면 또는 베릴륨과 작업하는 경우 이러한 크기 범위에 있는 탐지된 입자 수준에 있어 임의의 급격한 증가는 지역의 비움(evacuation) 및 추가적인 시험을 요구하는 잠재적인 위험 상황의 지시를 제공할 것이다.

위에서 기술된 탐지기 시스템에 따르면, 2개 국면 탐지 및 식별 공정이 사용되어 시스템의 광학 부분(10)은 먼저 관심 입자 크기 범위를 결합시키는 미리 결정된 각 범위를 벗어나서 산란된 빛을 제거한다. 이후, 탐지된 출력 펄스들이 펄스 높이에 따라 구별되고, 각각 높이의 펄스들의 수가 계산되고, 예를 들어 0.2 ㎛의 범위 내에 있는 입자 크기로 변화되고, 결과가 히스토그램으로 표시되어 새로운 히스토그램이 입자 분포 조건이 변화하고 있다는 것을 예시하기 위하여 적당한 시간 간격으로 생성이 된다. 그러나 입자 크기 분포 히스토그램이 표시되는 대신, 대안으로 탐지 기구의 광학 부분이 탐지기(14)에 대해 1 내지 7 ㎛의 입자 크기 범위에 해당하는 산란된 광 신호의 단지 그에 대한 일부만을 유도하도록 정렬되고, 시스템의 나머지 부분은 이후 만약 탐지기의 출력이 미리 결정된 문턱 수준을 초과한다면 경보를 발생하도록 정렬될 수 있다. 이것은 정확성이 감소된 출력을 제공하고, 탐지된 크기 범위 내에서 입자 크기들의 임의의 식별을 제공하지 않지만, 공지된 공기 운반 병원균들 또는 알레르겐, 또는 예를 들어 베릴륨 먼지 또는 석면과 같이 다른 유해한 입자들에 해당하는 크기 범위 내에 있는 비정상적으로 큰 입자들의 수에 대한 존재에 대한 비교적 정확한 경고를 제공할 수 있다. 도 1의 광학 어셈블리(10)는 단지 약 7 ㎛보다 더 큰 크기를 가지는 입자들에 의하여 산란된 빛을 차단하는 더 큰 차단 영역을 제공하도록 수정하기만 하면 되고, 출력 회로는 탐지기 의 출력에서 문턱 수준 식별 기기를 제공하도록 하기 위하여, 만약 탐지된 신호가 선택된 문턱 값을 초과한다면 경보를 작동시키기 위하여 식별 기기로부터 출력 신호를 제공하도록 수정될 것이다.

본 발명의 병원균 탐지기는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 탐지기는 야전 개인들을 위하여 배터리로 전력 공급되는, 이동 가능한, 휴대용 탐지기로 실행될 수 있다. 그와 같은 경우, 외부 하우징은 크기 범위에 의하여 입자들을 계수할 수 있는 전기 회로뿐만 아니라 광학 유닛 양쪽 모두를 가지고, 예를 들어 LED 디스플레이와 같이 각각 입자 크기에 대한 현재 입자 계수의 표시 장치를 가질 것이다. 그것은 또한 기지국에 라디오 신호를 전송하기 위한 송신기를 결합시킬 수 있다. 그것은 또한 레이저 저 전력 조건을 위한 청각 경보 및 경보 광을 결합시킬 수 있다. 독립적인, 데스크 톱 형태(version)가 또한 사무실 건물과 같은 곳에서 사용을 위하여 제공될 수 있다. 이것은 야전 형태와 유사하지만, AC/DC 컨버터를 경유하여 표준 전기 벽 소켓으로부터 전력을 공급받을 것이다. 후자의 경우, 탐지기는 사무실 데스크 탑 설정에서 생물-약제 오염 편지 또는 소포로부터 보호를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

탐지기는 또한 건물 안전을 위한 다중 송신 시스템의 일부로 사용될 수 있고, 중앙 감시 컴퓨터 또는 제어 기지에 연결된 서로 다른 방에 존재하는 많은 탐지기를 포함한다. 제어 기지는 각각의 방으로부터 입자 계수를 감시하고, 병원균-크기 입자들의 임의의 비정상적인 증가의 원인을 분석하고, 건물 내부에서 잠재적인 분산 형태를 예측하기 위하여 프로그램이 될 수 있다. 더 큰 그리드 시스템이 도 10에 예시되어 있는 것과 같은 군사 기지 또는 시가지 블록과 같은 커다란 복합 건물에서 사용될 수 있다. 탐지기는 하드-와이어드(hard wired)가 되거나, 또는 잠재적인 생물-약제 입자들에 있어 임의의 탐지된 증가의 기원 및 임의의 생물-약제 기둥(plume)의 분산을 분석할 수 있는 중앙 제어 기지로 데이터를 전송할 수 있는 라디오 송신기를 가질 수 있다.

본 발명의 공기 운반 입자 탐지기는 또한 잠재적인 오염 및/또는 소재 손실에 대한 청정실 시설을 감시하기 위하여 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, LED가 레이저 다이오드를 대신하여 광원으로 사용된다. 광원으로 LED를 사용하는 것은 보다 긴 수명, 낮은 기기 비용 및 감소된 얼룩을 포함하는 레이저에 대한 이점들을 가진다. LED들을 위한 전자 요구사항 및 차폐 요구사항은 또한 레이저에 대한 것에 비해 덜 엄격하다. 그러나 LED는 레이저 다이오드에 비하여 전형적으로 훨씬 더 큰 광 발산 각 분포를 가진 상대적으로 확산 광원이 된다.

따라서 LED가 사용되는 경우 추가적인 광학 기기가 초점을 형성하고 광-빔을 평행하도록 만들기 위하여 요구된다. 도 9는 레이저 대신으로 광학 유닛, LED 광원(120) 및 광학 렌즈를 도시한 것이다. 도 7은 본 발명에 따른 공기 운반 입자 탐지기에서 광원으로 LED(120)를 사용하여 간단하게 만들어진 광 경로를 예시한 것이다. 도 7에 도시된 것처럼, 광학 렌즈 어셈블리(122)는 LED(120) 및 흐름 셀(100)의 사이 LED 광원의 전방에 설치된다. 광학 렌즈 어셈블리(122)는 흐름 셀(100) 위에 초점이 잡힌 준-평행 광-빔(124) 내부로 LED(122)로부터 광-빔을 함께 형성하는 다수 개의 렌즈를 포함한다. 대안으로, 도 7A에 도시된 것처럼, 광학 렌즈(38)는 이미 개시된 것과 같은 미(Mie) 입자 크기 탐지기에 유사한 미 산란 입자 크기 탐지기의 제1 렌즈(38) 위 또는 근처에 광-빔(128)을 집중시키기 위하여 설계될 수 있다. 필요한 파장 범위의 빛을 발산하고, 유리하게 본 발명의 공기 운반 입자 탐지기에 사용될 수 있는 다양한 LED들이 상업적으로 이용 가능하다.

다른 실시 형태들이 가능하다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 위에서 기술된 공기 운반 입자 탐지기가 샘플 셀(34)의 입구 및 출구 끝에 물 밀폐 입구 및 출구 커플링(140, 142), 및 팬(37)의 위치에 연동(peristaltic) 또는 스크롤 펌프를 제공하는 것에 의하여 음료 매개 입자들의 탐지에 대한 사용을 위하여 변형될 수 있다. 박테리아 또는 박테리아 포자와 같은 음료 관심 음료 매개 입자들은 1 내지 20 ㎛의 크기를 가질 수 있으므로, 빔 분산 멤버(40)의 규격은 그에 따라 조절이 되어야 한다.

도 11, 12, 및 13을 참조하면, 본 발명의 추가적인 실시 형태에 따른 공기 운반 또는 음료 매개 생물 약제 형광의 탐지 및 확인을 위한 시스템은 예를 들어 약 1 내지 7 마이크론의 선택된 입자 크기의 입자들을 탐지하기 위한 제1 광학 유닛(210), 생물 독소 또는 생물 약제와 무기 입자를 구별하기 위한 제2 광학 유닛(300)을 포함한다. 제1 광학 유닛(210)은 광학 유닛 내부로 광-빔을 유도하기 위한 레이저 다이오드 또는 다른 광원(212), 유닛으로부터 전송된 광을 탐지하기 위하여 광학 유닛의 출력에 위치하는 광탐지기(214), 광탐지기(216)의 출력에 의하여 광탐지기(214)의 출력을 분리하기 위한 미분 증폭기(218), 미분 증폭기(218)의 출 력에 연결된 증폭기(226), 아날로그-디지털 컨버터(222), 윈도우 비교기 회로(224) 및 회로(224)의 출력에 연결된 제어 및 출력 표시 유닛(225)을 포함한다. 저위(low) 신호 탐지 회로(226)가 레이저 다이오드 전력을 탐지하는 광탐지기(216)의 출력에 연결되고, 회로(226)의 출력이 제어 유닛(225)에 연결된다. 경보장치(228)가 또한 제어 장치(225)에 연결된다. 이러한 예시적인 실시 형태에서 샘플 영역은 도 1A와 관련된 다른 실시 형태를 위하여 이미 기술된 것과 동일하다.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 제2 광학 유닛(300)은 예를 들어 약 370 내지 410 ㎛의 선택된 파장 범위의 파장에서 작동하는 여기 레이저(212)를 포함한다. 레이저(212)는 하우징 내에 있는 공기 샘플 영역(234)을 통과하는 평행 레이저 광-빔(232)을 유도한다. 레이저(212)는 단지 수 피코그램(picograms)의 물질만을 포함하고 있는 단일 입자들 내에 있는 측정 가능한 형광을 여기시킬 수 있는 충분한 강도(예를 들어 약 0.03 Joules/㎠ 형광을 가진)가 되어야 한다. 만약 입자들이 예를 들어 리보플라빈, 및/또는 NADH와 같은 생물 물질을 포함하고 있다면, 레이저(212)로부터 평행 광-빔이 공기 샘플에 부딪힐 때, 입자들은 부분적으로 주위 영역(234)에 위치하는 타원형 거울(306)을 경유하여 수집되고, 형광 탐지기(302)에 초점이 잡힌 형광 신호를 표시할 것이다. 레이저(212), 거울(306) 및 탐지기(302)는 모두 하우징에 고정적으로 설치된다. 타원형 거울의 선택은 다른 하나 위에 초점들 중 하나로부터 발산하는 빛을 집중시킬 능력을 고려하는 것에 의하여 만들어진다. 이러한 구조에 따르면, 타원형 거울은 동일한 타원체의 제2 초점에 위치하는 광-탐지기를 위한 생물-에어로졸(타원체의 제1 초점에 위치하는)로부터 형광 빛의 효율적 인 수집 장치의 역할을 한다. 포물 거울 또는 다른 반사 기기가 또한 사용될 수 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 경보는 단지 두 개의 조건이 충족되는 경우 발생될 것이다: (1) 미리 결정된 크기 범위(약 1 내지 7 ㎛) 내에 있는 공기 운반 입자들의 수의 갑작스런 증가가 탐지되는 경우: 그리고 (2) 생물 유기체 또는 생물 약제 또는 유기 물질이 아래에서 기술되는 것과 같은 레이저 유도 형광을 사용하여 탐지되는 경우.

자체적으로, 입자 크기 센서들은 분위기 미립자들로부터 잘못된 경보에 대하여 취약하다. 이러한 잘못된 경보를 추가로 감소시키기 위하여, 본 발명의 병원균 탐지기 시스템은 생물과 무생물 입자를 구별하기 위하여 입자 사이징 능력(sizing capability)을 UV 광-유도 형광 센서와 결합시키는 생물 유기체 또는 생물 약제 확인 탐지기가 된다. 본 발명의 병원균 탐지 시스템은 또한 바람직하게 생물 무기를 포함하여 생물 유기체 또는 생물 약제 내에 존재하는 대사 물질을 탐지하는 레이저 유도 형광 센서를 포함하는 제2 광학 유닛(300)을 포함한다. 구체적으로, 제2 광학 유닛(100)은 약 270 ㎚ 내지 약 410 ㎚, 바람직하게 약 370 ㎚ 내지 약 410 ㎚의 파장 범위에서 작동하는 여기 레이저를 포함한다. 약 270 ㎚ 내지 410 ㎚의 파장은 생물-약제가 세 개의 기본적인 대사 물질을 포함한다는 전제에 기초하여 선택된다: 약 220 ㎚ 내지 약 300 ㎚의 범위를 가진 약 270 ㎚에서 정상적으로 형광이 되는 트립토판; 약 340 ㎚(약 300 ㎚ 내지 약 400 ㎚ 범위)에서 정상적으로 형광이 되는 니코틴아미드 아데닌 디뉴크레오티드(NADH); 및 약 400 ㎚(약 320 ㎚ 내지 약 420 ㎚ 범위)에서 정상적으로 형광이 되는 리보플라빈.

그러나 바람직하게, 본 발명은 약 370 내지 410 ㎚의 파장을 가진 여기 레이저를 사용한다. 이것은 앞에서 언급한 세 개의 주요 대사 물질 중 생물-약제에 해당하는 NADH 및 리보플라빈의 여기를 보장하지만, 디젤 엔진 배기가스 및 먼지 또는 베이비 파우더와 같은 다른 불활성 입자들의 여기 간섭(excitation of interference)을 배제한다. 이로 인하여 적절한 실시 형태에서, 본 발명은 여기 광원의 파장 범위를 신중하게 선택하고, 이것은 디젤 엔진 배기와 같은 간섭 물질의 형광을 배제하는 반면, NADH 및 리보플라빈(앞서 말한 트립토판을 여기시키는 능력)으로부터 여기 형광의 능력을 유지한다. 이러한 단계는 디젤 배기에 의하여 발생되는 잘못된 경보(예를 들어 266 ㎚ 광의 UV 단파장에 의하여 여기될 수 있다)를 감소시키기 위하여 취해진다.

형광 탐지기(302)의 출력은 증폭기(227) 및 A/D 컨버터(222)를 경유하여 차례대로 표시 및 경보 장치(228)에 연결되는 제어 장치(225)에 연결된 분리기(219)에 연결된다.

앞에서 기술된 실시 형태의 경우와 같이, 병원균 탐지기는 야전 개인을 위한 배터리 전력 공급 이동 가능, 휴대용 탐지기로 실행될 수 있고, 형광을 시키는 대사 물질이 탐지되는 경우 각각의 입자 크기를 위한 현재 입자 계수 및 신호를 하는 표시 장치를 포함한다. 그것은 또한 레이저 저 전력 조건을 위한 청각 경보 및 경보 광, 그리고 필요하다면, 베이스 기지에 신호를 전송하기 위한 송신기를 결합시킬 수 있다. 독립적인, 데스크 탑 형태가 또한 사무실 건물과 같은 것 내의 사용을 위하여 제공될 수 있다. 이것은 야전 형태와 유사하지만, AC/DC 컨버터를 경유하여 표준 전기 벽 소켓으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 후자의 경우, 탐지기는 사무실 데스크 탑 설정에서 생물-약제 오염 편지 또는 소포로부터 보호를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시 형태는 변형에 민감하다. 예를 들어, 약 370 ㎚ 내지 약 410 ㎚의 파장에서 작동하는 단일 레이저 광원이 입자 크기 계수 및 형광 여기를 위하여 독립된 광원을 대신하여 광학 분리기(splitter)가 사용될 수 있다. 추가로, 본 발명은 음료 매개 병원균 탐지를 위한 형광 입자 사이징 생물센서로 사용될 수 있다. 음료 매개 병원균은 박테리아 또는 박테리아 포자 중 어느 하나가 될 것이다. 따라서 음료 매개 병원균의 크기 범위는 공기 운반 병원균보다 약간 넓은 범위를 가지는 전형적으로 약 1 내지 약 20 마이크론이 된다. 도 19 및 20을 참조하면, 도 11의 기기와 유사한 기기가 샘플 영역(234)에 대한 물 차단 입구 및 출구 커플링(340, 342), 및 연동 또는 스크롤 펌프(324)를 제공하는 것에 의하여 음료 매개 병원균에 대한 사용을 위하여 변형될 수 있다.

앞에서 개시된 실시 형태에서, 감지 형광 발산 탐지기를 가진 광학 시스템이 대사 물질을 분석하기 위하여 사용되었다. 미생물(박테리아, 균류와 같은)은 대사 물질에 포함된 어떤 화학적 성분들(대사 물질)을 포함한다. 트립토판, 피리독신, NADH, 및 리보플라빈은 미생물에 있어 주요한 대사 물질들이 된다. 이러한 서로 다른 대사 물질들은 최적 여기로부터 서로 다른 여기 파장 범위들을 가지지만, 서로 다른 여기 파장을 가진 다수 개의 레이저들을 사용하는 계획을 가지는 것이 유리하 다. 아래와 같은 것이 다수 개의 파장 계획을 위하여 합리적이다: 1) 서로 다른 대사 물질 형광 여기 곡선의 최대치를 목표로 하는 것에 의하여 여기 효율을 최적으로 만드는 것; 2) 서로 다른 형태의 박테리아(또는 다른 미생물)는 세포 내에서 대사 물질들의 서로 다른 구성비를 가지므로, 복수 개의 파장 여기는 대사 물질의 상대적인 구성에 관한 정보를 가지는 것이 가능하도록 하고 그리고 미생물의 형태에 대한 정확하지 않은 분류를 가능하도록 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에서 서로 다른 대사 물질로부터 형광 발산의 명확한 분석을 위하여, 입자들의 스트림이 연속으로 2개의 형광 센서(500, 502)(도 24 참조)를 통과하는 직렬 모듈 설계가 사용된다. 각각의 센서는 서로 다른 파장(다양한 대사 물질의 여기 파장에 대하여 최적으로 조정이 된)을 가진 레이저(510, 512)를 가진다. 적절한 실시 형태에 대한 예시로: 405 ㎚ 레이저 파장은 리보플라빈을 위하여 적당하고, 330-380㎚ 레이저 파장 범위는 NADH에 대하여 최적이 된다. 도 24에 도시된 것과 같은 2개 모듈의 형광 센서들[각각 405 ㎚ 및 340 ㎚의 레이저 파장을 가지는 센서(500) 및 센서(502)]은 양쪽 센서의 입자 감지 영역들(506, 508)을 통과하는 공통 공기 흐름 튜브(504)와 함께 직렬로 설치된다. 센서(500) 및 센서(502)는 각각 리보플라빈 및 NADH의 존재를 최적으로 탐지한다. 도 21-22는 문헌(J.-K. Li 등, “Monitoring cell concentration & activity by multiple excitation fluorometry” Biotechnology. Prog. Vol. 7, 21, 1991)에 기술된 형광 발산 대 여기 파장 곡선을 보여준다.

대안으로, 트립토판 또는 피리독신으로부터 최적의 형광 여기를 위하여, 파 장 선택은 각각 270 ㎚ 및 320 ㎚가 될 것이다.

센서(500)[또는 센서(502)]의 형광 탐지는 아래와 같은 형태가 될 수 있다:

1) 전체 스펙트럼 범위에서 통합된(integrated) 전체 형광 신호.

이러한 경우, 대사 물질로부터 형광 신호는 여기 레이저 광을 제거하기 위하여 장파장 광학 통과 필터를 통과한 후 센서의 광탐지기로 전송될 것이다. 센서(500) 및 센서(502)의 신호 강도 사이의 비는 각각의 센서에서 두 개 형태의 대사 물질의 상대적인 풍부함을 지시할 것이다(예를 들어, 만약 405 ㎚ 및 340 ㎚ 파장이 두 개의 센서를 위하여 선택된다면, 이때 전체 형광 신호의 비는 리보플라빈 및 NADH의 상대적인 풍부함과 관련될 것이다). 2) 각각 센서에서 파장-선택 기구는 스펙트럼 분석을 한다. 이러한 경우, 두 개의 센서에 의하여 제공된 스펙트럼 분석은 여기의 서로 다른 조건 아래에서(예를 들어 서로 다른 파장) 형광 스펙트럼 정보를 제공할 것이다. 둘 중 어느 하나의 경우에 있어, 수집된 정보는 미생물을 분류하기 위하여 유용할 것이다.

도 23은 앞에서 언급한 4개의 대사 물질의 형광 발산 스펙트럼을 도시한 것이다. 특별히 서로 다른 여기 파장을 가진 이러한 스펙트럼 분석은 미생물의 구성물의 검사를 가능하도록 하고 그리고 미생물 탐지 및 분류 목적을 위하여 결과 정보를 사용할 것이다.

두 개의 챔버를 가진 센서의 개략적인 형태가 도 24에 도시되어 있다. 복수-파장 병원균 센서를 위한 설계 고려 사항은 아래와 같은 것을 포함한다: 1) 직렬 구조에 있는 각각의 센서 유닛은 표적 대사 물질 성분에 최적화가 된 특정 파장을 가진 자기-포함(self-contained) 형광/입자 크기 센서가 된다. 2) 두 개의 센서(500, 502)는 도 24에 도시된 것처럼 동일한 공기 흐름 튜브 또는 통로(504)를 공유한다. 공기 흐름 내에 있는 공기 운반 입자들은 연속적으로 센서의 감지 영역(506, 508)을 통과한다(504). 두 개의 센서(500, 502)는 연속적인 방법으로 공기 운반 입자들의 동일 배치(batch)를 측정하고, 이로 인하여 이러한 두 개의 센서로부터 형광 신호를 상관시키는 것이 바람직하다. 이러한 상관(correlation)을 하기 위한 한 가지 방법은 센서(500)로부터 센서(502)로 입자들이 이송하기 위한 짧은 시간 주기 내에 입자 크기 분포는 현저하게 변하지 않는다는 가정 아래 두 개의 센서로부터 형광 신호들을 한 쌍으로 만들기 위하여 양쪽 센서로부터 입자 크기 측정 데이터를 사용하는 것이다. 3) 현행 형광/입자 크기 센서 설계의 변형으로, 두 개의 레이저가 각각의 센서에 사용될 수 있다: 센서(500) 및 센서(502)에 공통되는 레이저(예를 들어 적색 620 ㎚ 레이저 다이오드)가 입자 크기를 결정하는 균일한 방법을 보장하는 입자 크기 측정을 실행하기 위하여 사용되고, 반면 여기 레이저[센서(500) 및 센서(502) 각각에 서로 다른]가 대사 물질로부터 형광을 여기시키기 위하여 사용된다. 양쪽 센서를 위하여 공통 레이저 파장을 사용하는 이유는 이러한 센서로부터 형광 신호들이 입자 크기 정보에 정확하게 기초하여 상관될 수 있기 위하여 일치하는 입자 크기 측정이 보장되어야 하기 때문이다. 이러한 장치는 입자에 의한 여기 광의 서로 다른 흡수에 의하여 크기 측정을 왜곡시킬 가능성을 방지한다. 이러한 예시적인 실시 형태가 두 개의 센서 및 하우징들을 사용하지만, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 임의의 하우징 또는 센서가 사용될 수 있는 것으 로 이해할 것이다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 두 개의 광-빔들이 두 개의 형광 신호의 동시 측정을 허용하도록 결합이 된다. 도 25에 도시된 것처럼, 두 개의 레이저 광원(802, 804)이 광 커플러(812)를 통하여 결합이 된다. 도 26에 도시된 것처럼, 결합은 섬유 커플러(840) 또는 빔 분리기(842) 중 어느 하나를 사용하여 행해진다. 두 개의 결합된 광-빔(814)은 광학 유닛(816) 내에서 노즐 윈도우 개구(818) 내에 있는 입사하는 입자를 차단한다(intercept).

두 개의 광원(802, 804)은 변조 유닛(820, 822)에 의하여 두 개의 구별되는 전기 주파수(f1 및 f2)로 변조된다. 변조 유닛(820, 822)은 내부 전기 전류 변조(만약 두 개의 공급원이 예를 들어 LED들 또는 레이저 다이오드들이라면) 또는 기계 초퍼(chopper), 음향-광학 변조기 또는 전기-광학 변조기에 의하여 외부 변조에 의하여 만들어질 수 있다.

적절한 실시 형태에 따르면, 광 복합 튜브(PMT)(824)가 광학 유닛(816) 내에 있는 형광 신호들을 탐지하기 위하여 사용될 수 있다. PMT를 벗어나는 신호(826)는 각각의 변조 주파수(f1 또는 f2)로 조정이 된 두 개의 록-인(lock-in) 증폭기(828, 830)로 전달이 된다. 이러한 방식에 있어, 변조 주파수 f1을 가진 신호는 여기 파장 λ1로부터 발생되고, 변조 주파수 f2를 가진 신호는 여기 주파수 λ2로부터 발생된다. 서로 다르게 변조된 입사 광-빔 및 해당하는 록-인 증폭기를 사용하여, 두 개의 여기 공급원으로부터 형광 신호들은 광학적으로 혼합이 될지라도, 그들은 서로 다른 주파수(각각 f1 및 f2)를 가지고 있으므로, 그들은 전기적으로 명확하게 구별되고 그리고 용이하게 두 개의 록-인 증폭기(828, 830)에 의하여 구별이 된다(differentiable). 록-인 증폭기(828, 830)로부터 두 개의 신호 출력들은 각각 FLOUR1 및 FLOUR2가 된다.

마찬가지로, 광 커플러에서, 빔의 일부가 분리되어 광탐지기(832)로 전송된다. 광탐지기(832)는 빛을 전류 신호로 변환하고 그리고 이후 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)와 같은 증폭기(834)가 전류 신호를 전압 신호를 변환한다. 증폭기(836, 838)는 마지막으로 REF1 및 REF2 신호를 생성하기 위하여 특정 변조 주파수를 가지는 신호를 선택적으로 증폭한다. REF1 및 REF2 신호들은 이후 샘플 내에 있는 입자들을 위한 형광 발산 스펙트럼을 생성하기 위하여 FLOUR1 및 FLOUR2 신호들로부터 추출된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는 형광/입자 크기 센서에 있는 빔 차단기 위의 모의실시 또는 실험에 기초하여 형광/입자 크기 탐지기 시스템을 변형하는 것을 포함한다. 햄버거 등에 의한 이미 언급한 특허 및 특허 출원은 입자들로부터 산란된 빛의 측정을 이용하여 레이저의 잔류 부분이 간섭하는 것을 차단하는 빔 차단기의 사용을 개시하였다.

본 발명의 이러한 실시 형태에 따르면, 서로 다른 크기의 빔 차단기들이 형광/입자 크기 탐지기 시스템의 감지 능력을 향상시키기 위하여 사용된다. 빔 차단기 크기가 증가하는 경우, 다른 방법으로 보일 수 있는 모든 입자들이 여전히 가시적으로 되고, 단지 감소된 강도를 가진다. 빔 차단기는 넓은 범위의 크기에 걸쳐서 입자를 측정하기 위하여 능력의 현저한 감소 없이 전체 렌즈를 거의 차단하도록 확 대될 수 있다.

추가로, 빔 차단기에 의한 광 산란이 수집되고 그리고 측정된다. 매우 작은 빔 차단기에 대하여, 산란 빛과 입자 크기의 상관성은 간단한 관계에 적합하지 않고 그리고 심지어 어떤 조건 아래에서 단일하지도 않다. 그러나 어떤 각에 대하여, 차단기는 이러한 불일치성을 감소시키고 입자 크기 및 수집된 산란 광 사이에 매우 예측 가능한 관계를 제공하였다. 추가로 각이 증가함에 따라, 관련성은 수집된 빛의 양이 감소되는 경우를 제외하고 기본적으로 변하지 않고 유지된다. 달리 말하면, 차단기 허용 오차는 차단기가 최소 크기보다 더 크고 그리고 수집된 광에 대한 입자 크기 사이의 관계가 매우 예측 가능한 범위에서 매우 완화된다. 더 큰 빔 차단기를 위한 수집된 산란광에 대한 입자 크기 사이의 이러한 관계는 상당히 유연하고 그리고 예측 가능하였고, 심지어 10 내지 20 ㎛의 입자 크기에 대해서도 그러하였다. 그러므로 빔 차단기로부터 벗어나서 반사되는 빛을 수집하기 위한 챔버 내에 제2탐지기를 위치시키는 것은 입자 크기를 탐지하는 또 다른 수단을 허용한다.

제2 탐지기의 사용은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 크기의 입자 측정의 경우 상당한 이점을 가진다. 시험 및 모의실시는 보다 큰 입자와 함께 0.1 ㎛ 크기로 작아진 입자 측정을 위하여 필요한 동적 범위는 제조하기 어려운 탐지기를 위한 동적 범위를 요구한다는 것을 보여주었다. 차단된 빛은 작은 입자들을 측정하기 위하여 더 좋은 감지 능력을 제공할 수 있고 그리고 시험은 입자들의 각 범위의 파괴(break-up)는 렌즈를 가로질러 측정되는 이상 점(ideal point)을 보여 주었다.

이러한 실시 형태에서, 형광/입자 크기 탐지기 시스템(900)은 자체적으로 빔 차단기를 가지지 않는다. 그러나 이미 기술된 실시 형태에서와 같이, 광-빔(906)은 하우징(902) 내부에 있는 샘플 영역(904)으로 진입하고, 빔은 유체 흐름 내에서 입자를 벗어나서 편향된다. 렌즈(908)가 샘플 영역(904)을 벗어나는 빔의 산란되지 않은 부분과 산란된 부분 양족 광 경로에 있는 하우징에 내에 설치된다. 차단 섹션(910)이 작은 각 탐지 유닛(912) 내부로 빔의 산란되지 않은 부분 및 작은 각으로 산란된 빛 부분을 반사하기 위하여 렌즈(908)의 뒤쪽에 설치된다. 작은 각 탐지 유닛(912)은 탐지기 및 초점을 형성하기 위한 광학 기기를 포함하고 그리고 빔이 탐지기로 전달되기 전에 빔의 산란되지 않은 부분을 제거한다. 작은 각 탐지기는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 입자를 측정하기 위하여 최적화가 될 수 있다.

하우징(902)은 또한 형광 탐지기(914) 및 입자 탐지기(916)를 포함한다. 이색성 필터와 같은 파장 선택 필터(912)가 차단 섹션(910)의 뒤쪽 광-빔의 경로에 설치된다. 필터(912)는 렌즈를 경유하여 형광 탐지기(914) 및 입자 탐지기(916)에 각각 선택적으로 빛을 전달한다. 입자 탐지기(916)는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 또는 더 큰 범위에 있는 입자들을 측정하기 위하여 최적화가 될 수 있다. 임의의 하나의 탐지기가 측정하는 입자들의 범위 및 산란 강도 범위의 파괴에 의하여, 탐지기들을 위하여 요구되는 동적 범위는 더 많은 성취 가능한 범위까지 감소될 수 있다.

이러한 실시 형태는 또한 레이저에 있는 노이즈를 감소시키는 광학 기기를 포함한다. 이러한 광학 기기는 본 발명의 임의의 실시 형태와 함께 사용될 수 있다. 잔여 노이즈 감소 광학 기기는 아래와 같은 것을 포함한다: 노치 필터(notch filter)(922); 빔 확장기(924); 선형 편광기(926) 및 모자 형태 필터(top hat filter)(928).

복수의 탐지기를 사용하는 이러한 개념은 탐지하는 최적 입자 크기 범위에 대응하는 탐지기들을 분리시키기 위하여 재지향이 되어야하는 수집 렌즈의 임의의 각 범위를 선택하도록 확장될 수 있다. 이러한 것의 한계는 모든 광을 수비하고 결과 이미지를 분석하는 카메라를 사용하는 것이다. 카메라는 각각의 탐지기보다 훨씬 늦기 때문에 그러한 극단적인 것은 실행 불가능하고, 보다 많은 처리 전력을 요구하고, 실행을 위하여 현저하게 많은 비용이 든다. 이러한 영역을 최소한으로 유지하고 복수의 파장에서 각각의 편광 및 산란을 위한 강도와 같은 추가적인 정보를 비교하는 것에 의하여 증가되고 새로운 감지 능력을 이루는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는 형광/입자 크기 센서를 위한 향상된 시험 시스템을 포함한다. 마이크론 크기 입자들을 탐지하기 위한 시스템의 능력을 시험하기 위하여, 마이크론 크기 입자들을 포함하는 시험 파우더가 도 1에 도시된 것과 같은 샘플 영역(34) 내부로 주입되어야 한다. 공지된 방법에 따르면, 시험 파우더는 챔버 내에 위치하고 그리고 샘플 영역(34)에 연결된다. 이후 시험 입자들을 강제로 에러로졸 형태로 만들기 위하여 챔버를 통하여 공기가 주입되고 그리고 입자들이 형광/입자 크기 센서의 샘플 영역 내부로 밀어 넣어진다.

전형적으로 아리조나 도로 먼지(Arizona Road Dust)가 이러한 시험을 위하여 사용되었다. 아리조나 도로 먼지는 수년 동안 여과, 자동차, 및 중장비 구성 요소들의 시험을 위하여 사용되었다. 아리조나 실리카(Arizona Silica), AC 미세(Fine) 및 AC 조악 시험 먼지(Coarse Test Dusts), SAE 미세 및 조악 시험 먼지, J726 시 험 먼지, 그리고 가장 최근 ISO 초미세, ISO 미세, ISO 중간 및 ISO 조악 시험 먼지를 포함하는 다양한 형태의 이름들이 아리조나 도로 먼지에 적용되었다. 아리조나 도로 먼지는 아리조나 솔트 리버 밸리(Salt River Valley)의 공기에 존재하는 정련된 물질로 구성된다. 아리조나 솔트 리버 밸리로부터 공기 부유 먼지 입자들의 시험은 그것이 높은 비율의 극단적으로 미세한 입자들을 포함하고 있다는 것을 보여주고, 이것이 자연적으로 매우 신경을 거슬리게 하는 것이고 이로 인하여 공기 운반 병원균, 미생물, 곰팡이, 생물 무기 및 위험한 먼지를 위한 좋은 시험 대체물이 된다는 것을 보여준다. 그러나 아리조나 도로 먼지 및 그것의 대안 물질은 커다란 입자로 함께 응집하는 경향을 가지고 탐지 시스템의 시험 및 측정을 방해하는 경향을 가진다. 따라서, 시험 및 측정 중에 센서에 들어가는 더 큰 입자들의 응집을 제한하는 시스템이 요구된다.

시험 시스템의 이러한 실시 형태에 따르면, 입자 크기 필터 유닛(700)이 형광/입자 크기 탐지 시스템으로 유입하는 보다 큰 입자 또는 입자들의 응집 문제를 제거하기 위하여 제공된다. 일정 양의 시험 파우더(702)가 필터 매개체(708) 위에 놓여지고, 필터(700)는 도 28에 도시된 것처럼 챔버(706) 내부로 필터 내 또는 필터를 통하여 입자들을 유입시키기 위하여 두들겨진다(tapped). 챔버(706)의 출구 끝(710)은 도 1A에 도시된 샘플 영역(34)의 입구 끝(102)에 연결된다(도 1 및 1A 참조). 필터 매개체는 큰 요구되지 않은 입자들 또는 작은 입자들의 응집이 입자 탐지 시스템의 입구(102)로 전달되는 것을 제한한다.

필터 유닛(700)은 입자 선택 필터 매개체(708)를 포함한다. 바람직하게, 필 터 매개체(708)는 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터가 된다. HEPA 필터는 공기로부터 0.3 마이크론 입자들을 99.97 %까지 제거하도록 요구된다. 이로 인하여, 그들은 이상적으로 형광/입자 크기 탐지 시스템을 위한 시험 시스템 내에서 사용되기에 적합하다. 그러나 사용된 필터 매개체는 임의의 형태의 필터에 제한되지 않는다. 사용자의 최소 요구 조건 이상의 입자들 또는 입자들의 응집을 제거하는 임의의 필터 매개체가 본 발명의 이러한 실시 형태와 함께 사용될 수 있다.

위에서 기술된 본 발명의 실시 형태는 단지 실행의 가능한 실시 예가 되고, 단지 본 발명의 기술적 사상의 명확한 이해를 위하여 전개된 것이라는 점이 강조되어야 한다. 많은 변형 및 수정 발명이 본 발명의 사상 및 원칙을 실질적으로 벗어나지 않고 이미 기술된 본 발명의 실시 형태로부터 만들어질 수 있을 것이다. 모든 그와 같은 변형 및 수정 발명은 본 발명의 개시 범위 및 본 발명의 범위 내에서 본 명세서에 포함되고 그리고 아래의 청구범위에 의하여 보호되는 것으로 의도될 것이다.

본 발명은 특히 유동성 알레르겐들 및 생물 무기(biological warfare agents), 즉 공기 운반 또는 음료 매개 입자를 탐지하고 크기에 의하여 분류하는 것에 유용성을 가진다.

Claims (22)

1. 2 ㎜를 초과하지 않는 단면적의 유체(fluid) 샘플 셀 영역을 가지는 외부 하우징;

   샘플 유체를 통하여 초점이 잡힌 광-빔을 전송하고 그에 의하여 광-빔의 일부가 샘플 영역 내에 존재하는 다양한 크기의 입자들에 의하여 다양한 각도로 산란되고, 광-빔의 산란되지 않은 부분은 산란되지 않은 상태로 유지되도록 유체 샘플 셀 영역의 한쪽 면에 위치하는 광원;

   광-빔의 산란되지 않은 적어도 일부분을 차단하기 위하여 유체 샘플 셀 영역의 맞은편에 위치하는 빔 차단기;

   산란된 빛의 일부를 탐지하고, 미리 결정된 크기 범위 내에 있는 광-경로에 위치하는 입자의 수에 대한 정보를 포함하는 출력을 생성하기 위하여 빔 차단기의 뒤쪽 광-경로에 위치하는 제어 회로를 가진 제1 탐지기; 및

   주어진 시간에 유체 샘플 내에서 탐지된 입자들의 크기 분포를 얻기 위한 펄스 높이 판별기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기.
2. 제1항에 있어서, 추가로 아래와 같은 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 입자 탐지기:

   (a) 미리 결정된 입자 범위 내에 있는 입자들의 수가 그와 같은 크기 범위 내에서 미리 결정된 정상 수준을 초과한다면, 경보 신호를 제공하는 경보 유닛을 포함하고;

   (b) 각각의 펄스 높이에 기초하여 주어진 시간에 입자 크기 분포를 처리하고, 입자 크기 분포의 히스토그램을 생성하고, 출력 장치에 히스토그램을 표시하기 위하여 펄스 높이 판별기의 출력에 연결된 처리 유닛을 포함하고;

   (c) 제2 광-경로 내에 있는 산란되지 않은 부분의 적어도 일부를 반사시키기 위하여 광-빔의 산란되지 않은 부분의 경로에 있는 빔 차단기의 전방에 위치하는 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함하고;

   (d) 광원 출력 전력의 감소를 탐지하기 위하여 제2 광탐지기의 출력에 연결된 전력 모니터, 및 광원 전력이 미리 결정된 수준 아래로 떨어진다면 경보 신호를 생성하기 위하여 전력 모니터에 연결된 경보기를 포함하고;

   (e) 제2 광탐지기의 출력에 의하여 제1 광탐지기의 출력을 나누기 위하여 두 개의 광탐지기의 출력에 연결되며 펄스 높이 판별기에 연결된 출력을 가지는 미분 증폭기를 포함하고;

   (f) 광원은 레이저를 포함하며;

   (g) 광원은 LED를 포함하고; 및

   (h) 광원은 광-빔으로부터 광을 형성하거나 노이즈를 제거하기 위한 광학 렌즈를 포함한다.
3. 공기 샘플 셀을 가지는 외부 하우징;

   샘플 공기를 통하여 초점이 잡힌 광-빔을 전송하고 그에 의하여 광-빔의 일부가 샘플 영역 내에 존재하는 다양한 크기의 입자들에 의하여 다양한 각도로 산란되고, 광-빔의 산란되지 않은 부분은 산란되지 않은 상태로 유지되도록 공기 샘플 셀 영역의 한쪽 면에 위치하는 광원;

   광-빔의 산란되지 않은 적어도 일부분을 차단하기 위하여 공기 샘플 셀 영역의 맞은편에 위치하는 빔 차단기;

   산란된 빛의 일부를 탐지하고, 각각의 펄스는 입자 크기에 비례하는 높이를 가지는 출력 펄스들을 생성하기 위하여 빔 차단기의 뒤쪽 광 경로에 설치된 제1 탐지기; 및

   주어진 시간에 공기 샘플 내에서 탐지된 공기 매개 입자들의 크기 분포를 얻기 위한 펄스 높이 판별기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 매개 입자 탐지기.
4. 제3항에 있어서, 추가로 아래와 같은 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 공기 매개 입자 탐지기:

   (a) 미리 결정된 입자 범위 내에 있는 입자들의 수가 그와 같은 크기 범위 내에서 미리 결정된 정상 수준을 초과한다면, 경보 신호를 제공하는 경보 유닛을 포함하고, 상기 경보 유닛은, 1 내지 7 ㎛의 크기 범위 내에서 탐지된 입자들의 수가 미리 결정된 수준을 초과한다면, 경보 신호를 발생시키고;

   (b) 각각의 펄스 높이에 기초하여 주어진 시간에 입자 크기 분포를 처리하고, 공기 매개 입자 크기 분포의 히스토그램을 생성하고, 출력 장치에 히스토그램을 표시하기 위하여 펄스 높이 판별기의 출력에 연결된 처리 유닛을 포함하고;

   (c) 제2 광-경로 내에 있는 산란되지 않은 부분의 적어도 일부를 반사시키기 위하여 광-빔의 산란되지 않은 부분의 경로에 있는 빔 차단기의 전방에 위치하는 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함하고;

   (d) 광원 출력 전력의 감소를 탐지하기 위하여 제2 광탐지기의 출력에 연결된 전력 모니터, 및 광원 전력이 미리 결정된 수준 아래로 떨어진다면 경보 신호를 생성하기 위하여 전력 모니터에 연결된 경보기를 포함하고;

   (e) 제2 광탐지기의 출력에 의하여 제1 광탐지기의 출력을 나누기 위하여 두 개의 광탐지기의 출력에 연결되며 펄스 높이 판별기에 연결된 출력을 가지는 미분 증폭기를 포함하고;

   (f) 샘플 영역 및 빔 차단기 사이에 위치하는 투명 파티션 슬라이드를 포함하고, 상기 파티션 슬라이드는 하우징 내에 제거 가능하도록 설치되고;

   (g) 광원은 레이저를 포함하고;

   (h) 광원은 LED를 포함하고, 또한 준-평행광 내부로 상기 LED로부터 광을 형성하기 위한 광학 렌즈를 포함하고; 및

   (i) 상기 광원은 빛을 형성하거나 광-빔으로부터 노이즈를 제거하기 위한 광학 렌즈를 포함한다.
5. 2 ㎜를 초과하지 않는 단면적의 샘플 셀에 있는 주변 공기의 샘플을 통하여 초점이 잡힌 광-빔을 유도하고(directing), 그에 의하여 광-빔의 제1 부분은 산란되지 않은 상태로 유지되고, 광-빔의 제2부분은 공기 샘플 내에 존재하는 다양한 크기의 입자들에 의하여 다양한 각도로 산란이 되고, 산란 각 및 산란 단면적이 입자 크기에 의존하도록 하는 광원;

   광-빔의 나머지 부분으로부터 미리 결정된 입자 크기 범위 내에 있는 입자들에 의하여 산란된 빛에 해당하는 광-빔의 미리 결정된 부분을 분리하고 광 경로를 따라 광-빔의 분리된 부분을 유도하는 빔 분리기; 및

   광-빔의 분리된 부분을 탐지하고 미리 결정된 크기 범위 내에 있는 광-경로에 위치하는 입자들의 수에 대한 정보를 포함하는 해당 출력 신호를 생성하기 위한, 광-경로에 위치하는 제1 탐지기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주변 공기 내에 있는 1 내지 7 ㎛의 크기 범위에 있는 공기 매개 입자를 탐지하기 위한 탐지기 장치.
6. 제5항에 있어서, 아래와 같은 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 공기 매개 입자를 탐지하기 위한 탐지기 장치:

   (a) 공기 내에 1 내지 7 ㎛의 크기의 범위 내에 있는 탐지된 입자의 수가 미리 결정된 값을 초과한다면, 경보 신호를 생성하기 위하여 탐지기 출력에 연결된 제어 유닛을 포함하고;

   (b) 펄스 높이에 기초하여 탐지기로부터 출력 펄스를 분리하여 계수하기 위하여 탐지기의 출력에 연결된 펄스 높이 판별기, 각각의 펄스 높이에 기초하여 주어진 시간에 입자 크기 분포를 처리하고, 공기 매개 입자 크기 분포의 히스토그램을 포함하는 출력을 생성하기 위한 펄스 높이 판별기의 출력에 연결된 처리 유닛, 및 입자 크기 분포 히스토그램을 표시하기 위한 처리 유닛의 출력에 연결된 디스플레이 장치를 포함하고;

   (c) 제2 광-경로 내에 있는 산란되지 않은 부분의 적어도 일부를 반사시키 기 위하여 광-빔의 산란되지 않은 부분의 경로에 있는 빔 분리기의 전방에 위치하는 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함하고;

   (d) 광원 출력 전력의 감소를 탐지하기 위하여 제2 광탐지기의 출력에 연결된 전력 모니터, 및 만약 광원 전력이 미리 결정된 수준 아래로 떨어진다면 경보 신호를 생성하기 위하여 전력 모니터에 연결된 경보기를 포함하고;

   (e) 제2 광탐지기의 출력에 의하여 제1 광탐지기의 출력을 나누기 위하여 두 개의 광탐지기의 출력에 연결되며 펄스 높이 판별기에 연결된 출력을 가지는 미분 증폭기를 포함하고;

   (f) 샘플 영역 및 빔 분리기 사이에 설치된 투명 파티션 슬라이드를 포함하고;

   (g) 광원은 레이저를 포함하고;

   (h) 광원은 LED를 포함하고, 또한 준-평행광 내부로 상기 LED로부터 빛을 형성하기 위한 광학 렌즈를 포함하고; 및

   (i) 제2 광 경로에 있는 산란된 부분의 적어도 일부를 반사하기 위하여 광-빔의 산란된 부분의 일부의 경로에 있는 빔 분리기의 전방에 설치된 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함한다.
7. 광-빔의 제1 부분이 유체 샘플 내에 존재하는 입자들에 의하여 산란되고 제2 부분이 산란되지 않은 상태로 유지되기 위하여 2 ㎜를 초과하지 않는 단면적의 샘플 셀에 있는 주변 유체의 샘플을 통하여 광-빔을 유도하는 단계;

   유체 샘플을 통과한 광-빔의 양쪽 부분을 수신하고 광-빔 부분들을 빔 차단기로 유도하는 단계;

   광-빔의 적어도 제2 부분을 빔 차단기에서 차단하고 광-빔의 제1 부분의 적어도 일부를 제1 탐지기로 유도하는 단계;

   제1 탐지기로부터 전기 펄스 출력의 펄스 높이를 측정하는 단계;

   미리 결정된 시간 간격으로 각각의 펄스 높이의 펄스들의 수를 계수하는 단계; 및

   펄스 높이를 입자 크기로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지 방법.
8. 제7항에 있어서, 아래와 같은 특징들 또는 단계들 중의 하나 또는 그 이상을 포함하는 입자 탐지 방법:

   (a) 1 내지 7 ㎛의 크기 범위 내에 있는 탐지된 펄스들의 수가 미리 결정된 수준을 초과한다면, 경보 신호를 발생시키는 단계;

   (b) 각각의 입자 크기를 위한 펄스의 수의 자료를 탐지된 입자 크기 분포의 히스토그램으로 변환하고, 출력 디스플레이 장치에 표시하고, 미리 결정된 간격으로 새로운 유체 샘플에 대해 변환 및 표시 단계를 반복하는 단계;

   (c) 히스토그램을 공지된 생물-약제 입자 크기 분포와 비교하고 만약 탐지된 분포가 임의의 공지된 생물-약제 입자 크기 분포와 일치한다면 경보를 작동시키는 단계; 및

   (d) 광-빔의 제2 부분의 적어도 일부를 제2 탐지기 위에 반사시키고, 제2 탐지기의 출력을 광원 출력 전력의 감소를 탐지하기 위한 전력 모니터에 연결하고, 광원 전력이 미리 결정된 수준 아래로 떨어지는 경우 경보 신호를 생성하는 단계.
9. 유체가 하우징을 통하여 흐르도록 허용하는 통로를 가진 하우징;

   통로 내에서 흐르는 유체를 통하여 광-빔을 전송하기 위한 제1 광원;

   유체 내에 있는 선택된 크기 범위의 입자를 탐지하여 판별하기 위하여 통로 뒤쪽 제1 광원의 광 경로에 설치된 탐지기;

   유체 내에 있는 입자들에서 형광을 여기시키기 위하여 통로에서 통과하는 유체를 통하여 빛을 전송하기 위한 제2 광원;

   타원체의 초점들 중 하나에서 생성된 형광 광 신호들을 수집하여 타원체의 다른 초점에 위치하는 광탐지기에 수집된 형광 광 신호를 유도하기 위한 타원형 거울;

   입자들의 형광을 탐지하기 위하여 제2 광원의 광 경로에 위치하는 탐지기; 및

   선택된 조건 아래에서 경보 출력 신호를 발생시키기 위하여 제1 및 제2 탐지기로부터 출력에 연결되는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 내에 있는 미리 결정된 입자 크기의 생물 유기체 또는 생물학적 약제를 탐지하기 위한 탐지기.
10. 제9항에 있어서, 아래의 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 탐지기:

    (a) 제1 광원 및 제2 광원은 단일 광원을 포함하고;

    (b) 유체는 공기 또는 물을 포함하고;

    (c) 제2 광원은 270 nm 내지 410 nm의 파장에서 작동하거나 또는 370 nm 내지 410 nm의 파장에서 작동한다.
11. 생물 유기체 또는 생물학적 약제를 포함하는 유체가 흐를 수 있는 통로;

    통로를 따라 직렬로 연결된 다수 개의 하우징;

    생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광을 여기시키기 위하여 유체를 통하여 빛을 전송하도록 다수 개의 하우징의 각각에 위치하는 적어도 하나의 광원;

    생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광 및 입자 크기를 탐지하고 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 통로 뒤쪽 광 경로에 설치된 탐지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 입자 탐지기.
12. 제11항에 있어서, 아래의 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 형광 입자 탐지기:

    (a) 각각의 광원은 서로 다른 파장을 가진 빛을 생성하고;

    (b) 각각의 광원은 하나 또는 그 이상의 대사 물질의 최적 여기 파장의 빛을 생성하도록 조절되며;

    (c) 하나의 광원의 파장은 리보플라빈을 탐지하기에 적합하고;

    (d) 하나의 광원의 파장은 NADH를 탐지하기에 적합하며;

    (e) 여기 레이저 광을 제거하기 위하여 형광 센서 앞에 광-빔의 경로에 위치하는 장파장 광학 통과 필터를 포함하고;

    (f) 탐지기는 광의 스펙트럼 분석을 수행하는 파장-선택 장치를 포함하며;

    (g) 다수개의 센서는 유체의 동일 배치(batch)의 형광을 측정하고;

    (h) 각각의 하우징은 두 개의 광원을 포함하고 각각의 하우징에 있는 하나의 광원은 일정한 입자 크기 측정을 보장하기 위하여 공통 파장을 가지며;

    (i) 유체는 공기 또는 물이 되고; 및

    (j) 하나의 광원의 파장은 270 ㎚ 내지 410 ㎚가 된다.
13. 빛의 일부가 생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광을 여기시키도록 유체를 통하여 다수 개의 광-빔을 유도하는 단계; 및

    광 경로에 위치하는 탐지기를 이용하여 생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광 및 입자 크기를 탐지하여 해당하는 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물 유기체 또는 생물학적 약제를 탐지하는 방법.
14. 생물 유기체 또는 생물학적 약제를 포함하는 유체가 흐를 수 있는 샘플 영역을 포함하는 하우징;

    생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광을 여기시키기 위하여 유체를 통하여 광-빔을 전송하기 위한 다수 개의 광원;

    서로 다른 주파수에서 다수 개의 광-빔을 변조하기 위하여 샘플 영역 앞쪽 광 경로에 위치하는 광 커플러;

    생물 유기체 또는 생물학적 약제의 형광 및 입자 크기를 탐지하여 해당하는 출력 신호를 발생시키기 위하여 광 경로에 위치하는 하나 또는 그 이상의 탐지기; 및

    빔의 변조 주파수에 기초하여 다수 개의 광-빔을 구별하고 다수 개의 형광 신호들을 측정하기 위한 제어 매커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 입자 탐지기.
15. 공기 샘플 셀을 가지는 하우징;

    샘플 공기를 통하여 초점이 잡힌 광-빔을 전송하고 그에 의하여 광-빔의 일부는 샘플 영역 내에 존재하는 다양한 크기의 입자들에 의하여 다양한 각도로 산란되고, 산란되지 않은 광-빔의 일부는 산란되지 않은 상태로 유지되도록 하기 위하여 공기 샘플 셀의 한쪽 면에 설치된 광원;

    특정 범위의 각도에서 산란된 빛의 적어도 일부분을 제2 광 경로 내부로 편향시키기 위하여 광 경로 내에 설치된 반사 매커니즘;

    광의 일부분을 탐지하여 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 제2 광 경로 내에 설치된 제1 탐지기; 및

    반사 매커니즘에 의하여 반사되지 않은 각도에서 산란된 빛의 일부분을 탐지하여 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 반사 매커니즘의 뒤쪽 광 경로에 설치된 제2 탐지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기.
16. 제15항에 있어서, 아래의 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 입자 탐지기:

    (a) 제1 탐지기는 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 크기에 있는 입자를 측정하도록 최적화되고;

    (b) 제2 탐지기는 1 내지 10 ㎛의 크기에 있는 입자를 측정하도록 최적화가 되고;

    (c) 반사 매커니즘 뒤쪽과 제1 탐지기 앞쪽의 광-경로에 위치하는 다수 개의 빔 내부로 광-빔을 분리시키기 위한 매커니즘을 포함하고, 광-빔 분리를 위한 매커니즘은 이색성 필터가 되고;

    (d) 샘플 영역에서 입자 형광을 탐지하기 위하여 다수 개의 빔들 중 하나의 광 경로에 위치하는 제3 탐지기를 포함하고;

    (e) 제2 탐지기는 제2 광-빔의 반사된 부분을 집중시키기 위한 광학 기기를 포함하고;

    (f) 제2 탐지기는 제2 광-빔 탐지의 산란되지 않은 부분을 제거하기 위한 광학 기기를 포함하고; 및

    (g) 광원은 빛을 형성하거나 광-빔으로부터 노이즈를 제거하기 위한 광학 렌즈를 포함한다.
17. 2 ㎜를 초과하지 않는 단면적의 샘플 셀에 있는 주변 물의 샘플을 통하여 초점이 잡힌 광-빔을 유도하고(directing), 그에 의하여 광-빔의 제1 부분은 산란되지 않은 상태로 유지되고, 광-빔의 제2부분은 물 샘플 내에 존재하는 다양한 크기의 입자들에 의하여 다양한 각도로 산란이 되고, 산란 각 및 산란 단면적이 입자 크기에 의존하도록 하는 광원;

    광-빔의 나머지 부분으로부터 미리 결정된 입자 크기 범위 내에 있는 입자들에 의하여 산란된 빛에 해당하는 광-빔의 미리 결정된 부분을 분리하고 광 경로를 따라 광-빔의 분리된 부분을 유도하는 빔 분리기; 및

    광-빔의 분리된 부분을 탐지하고 미리 결정된 크기 범위 내에 있는 광-경로에 위치하는 입자들의 수에 대한 정보를 포함하는 해당 출력 신호를 생성하기 위한, 광-경로에 위치하는 제1 탐지기를 포함하고,

    상기 샘플 셀은 입구 및 출구를 포함하고, 입구 및 출구 상에 제거가능한 물 차단 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주변 물 내에 있는 1 내지 20㎛의 크기 범위에 있는 물 매개 입자를 탐지하기 위한 탐지기 장치.
18. 제17항에 있어서, 아래와 같은 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 물 매개 입자를 탐지하기 위한 탐지기 장치:

    (a) 물 내에 1 내지 20 ㎛의 크기의 범위 내에 있는 탐지된 입자의 수가 미리 결정된 값을 초과한다면, 경보 신호를 생성하기 위하여 탐지기 출력에 연결된 제어 유닛을 포함하고;

    (b) 펄스 높이에 기초하여 제1 탐지기로부터 출력 펄스를 분리하여 계수하기 위하여 탐지기의 출력에 연결된 펄스 높이 판별기, 각각의 펄스 높이에 기초하여 주어진 시간에 입자 크기 분포를 처리하고, 공기 매개 입자 크기 분포의 히스토그램을 포함하는 출력을 생성하기 위한 펄스 높이 판별기의 출력에 연결된 처리 유닛, 및 입자 크기 분포 히스토그램을 표시하기 위한 처리 유닛의 출력에 연결된 디스플레이 장치를 포함하고;

    (c) 제2 광-경로 내에 있는 산란되지 않은 부분의 적어도 일부를 반사시키 기 위하여 광-빔의 산란되지 않은 부분의 경로에 있는 빔 분리기의 전방에 위치하는 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함하고;

    (d) 광원 출력 전력의 감소를 탐지하기 위하여 제2 광탐지기의 출력에 연결된 전력 모니터, 및 만약 광원 전력이 미리 결정된 수준 아래로 떨어진다면 경보 신호를 생성하기 위하여 전력 모니터에 연결된 경보기를 포함하고;

    (e) 제2 광탐지기의 출력에 의하여 제1 광탐지기의 출력을 나누기 위하여 두 개의 광탐지기의 출력에 연결되며 펄스 높이 판별기에 연결된 출력을 가지는 미분 증폭기를 포함하고;

    (f) 샘플 영역 및 빔 분리기 사이에 설치된 투명 파티션 슬라이드를 포함하고;

    (g) 광원은 레이저를 포함하고;

    (h) 광원은 LED를 포함하고, 또한 준-평행광 내부로 상기 LED로부터 빛을 형성하기 위한 광학 렌즈를 포함하고; 및

    (i) 제2 광 경로에 있는 산란된 부분의 적어도 일부를 반사하기 위하여 광-빔의 산란된 부분의 일부의 경로에 있는 빔 분리기의 전방에 설치된 반사기, 및 반사기로부터 반사된 빛을 탐지하기 위하여 설치된 제2 광탐지기를 포함한다.
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