KR101581056B1 - 크기와 형광의 동시 측정에 의한 병원균 검출 - Google Patents

크기와 형광의 동시 측정에 의한 병원균 검출 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 미립자의 미립자 크기와 고유의 형광이 결정되는, 유체 중의 병원균 및 미립자를 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 시료 셀과, 집속된 광 빔을 시료를 통해 전달하도록 시료 셀의 일측에 있는 광원으로서, 광 빔의 일부는 시료 영역에 존재하는 다양한 크기의 미립자에 의해 다양한 각도로 산란되는 것인 광원과, 광 경로에 배치되어, 전방을 향해 산란된 광의 일부를 검출하기 위한 미립자 크기 검출기와, 광 빔으로부터 편축에 배치되는 한쌍의 형광 검출기와, 유입되는 미립자 스트림과 광 빔의 교차점이 각 타원면의 한 초점에 있고 한쌍의 형광 검출기 중 하나가 다른 초점에 있도록 배치되는 한쌍의 타원형 미러를 포함한다.

Description

크기와 형광의 동시 측정에 의한 병원균 검출{PATHOGEN DETECTION BY SIMULTANEOUS SIZE/FLUORESCENCE MEASUREMENT}
본 발명은 전반적으로 공기 중 또는 액체 중의 미립자를 검출하는 시스템 및 방법, 보다 구체적으로는 공기 중 또는 액체 중의 미립자를 검출하고 검출된 미립자를 분류하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 무균 제조 설비 등의 청정 환경 뿐만 아니라 다른 환경에서 생물학적 미립자 또는 오염물을 검출하고 분류하는 데에 특별한 실효성이 있으며, 그러한 실효성과 관련하여 설명되지만, 다른 실효성도 예상된다.
생물학적 미립자를 비롯한 환경 오염물에 대한 모니터링은 다수의 산업 및 상업 환경, 예컨대 약제, 음식 제조 설비 및 병원에서 중요하고, 또한 가능한 도심의 테러리스트 공격이 염려되는 공항, 은행, 우편물 취급 설비 및 정부 기관 등의 공공 장소에서 중요해지고 있다.
약제, 건강 관리 및 음식 산업에 있어서, 주위의 생물학적 미립자 수준의 실시간 검출기는 공중 건강, 품질 제어 및 규제 목적에 유용하다. 예컨대, 비경구 약제의 제조업자는 무균 청정실에서 미립자 및 미생물의 수준을 모니터할 것을 음식 및 약제 학회에 의해 요구받는다. 종래의 미생물학적 방법은 성장 매체 상에 시료의 수집과, 정확한 시구간(통상적으로 수일) 동안에 정확한 온도에서의 잠복(incubation)을 필요로 한다. 이들 방법은 생육 가능한 미생물은 성장 매체 내에 또는 성장 매체 상에 위치될 때에 세포 분열을 받는 것이라고 가정한다. 정량적 시험의 경우에, 성장은 시각적 검출 가능한 콜로니(colony)에 의해 증명된다. 전통적인 배양 및 플레이트 계수 방법의 사용을 실질적으로 제한하는 공개 문헌은 상당히 많다. 예컨대, 공개 문헌들은 사용된 성장 매체, 잠복 시간과 온도, 및 배양을 시도하기 전에 미생물의 상태(예컨대, 느린 성장, 스트레스받음 또는 준치사 손상)에 따라 일정치 않은 결과가 얻어질 수 있다는 것을 보여준다. 종래의 방법은 또한 실시간으로 개연적인 오염물 소스를 배치하는 능력이 없다. 이들 용례에 있어서, 박테리아, 효모 및 곰팡이를 비롯한 미생물 미립자를 환경에서 동시적으로 그리고 낮은 농도에서 검출할 수 있는 기구는 유용한 툴이 되고, 미생물이 성장하여 시각적으로 검출되는 데에 수일이 필요한 종래의 자양물 플레이트 배양 방법에 비해 상당한 이점을 갖는다. 또한, 미립자 오염물의 소스를 바람직하게는 실시간으로 배치하는 데에 보조할 수 있는 기구를 갖는 것이 유용하다.
미립자 크기 측정 및 바이오 제재(bio-agent)를 위한 초기 경고 센서로서 광 유도식 형광 기법을 채용하는 다양한 종래 기술의 장치들이 존재한다. 이들 장치들 중에는 MIT 링컨 연구소에 의해 개발된 Ho의 생물학적 미립자 형광 검출 시스템인 생물학적 제제 경고 센서(BAWS; Biological Agent Warning Sensor)(Jim Tew-Wah Ho, 미국 특허 제5,701,012호, 제5,895,922호, 제6,831,279호)와, 미네소타의 TSI에 의해 개발된 FLAPS 및 UV-APS(Peter P. Hairston 및 Frederick R. Quant, 미국 특허 제5,999,250호), 및 Silcott에 의해 개발된 형광 센서(미국 특허 제6,885,440호)가 있다. 펄스식 UV 레이저를 이용하는 레이저 유도식 형광을 기초로 한 제안된 바이오 센서는 T.H. Jeys, 등의 Proc. IRIS Active Systems(vol. 1, p.235, 1998)에 설명되어 있다. 이것은 1리터의 공기 당 에어로졸 농도의 5개의 미립자를 검출할 수 있지만, 고가이고 정교한 기구를 수반한다. 다른 미립자 카운터가 오레곤주 그랜츠 패스 소재의 Met One Instrument사와, 콜로라도주 보울더 소재의 Particle Measurement Systems사, 및 캘리포니아주 애나하임 소재의 Terra Universal사에 의해 제조된다.
공기 중의 알레르겐 미립자를 검출하고 공기 시료 내에 미립자의 개수가 예정된 최소값을 초과할 때에 민감한 개인에게 경고를 제공하는 다양한 검출기들이 설계되었다. 이들 검출기 중에는 Hamburger 등에게 모두 허여된 미국 특허 제5,646,597호, 제5,969,622호, 제5,986,555호, 제6,008,729호, 제6,087,947호 및 제7,053,783호에 기술된 것이 있다. 이들 검출기는 모두 빔의 일부가 공기 중의 임의의 미립자에 의해 산란되도록 주위 공기 시료를 통한 광선의 방향을 수반하고, 예정된 알레르겐 크기 범위에 대응하는 예정된 각도 범위로 산란되는 광만을 투과시키기 위한 빔 차단 장치와, 투과된 광을 검출하기 위한 검출기를 포함한다.
공기 또는 물 중에서 미생물을 비롯한 생물학적 미립자를 검출하기 위해서는 미립자 크기 및 미립자에 의해 발생되는 고유의 형광을 모두 측정하는 효과적인 시스템을 고안하는 것이 중요하다. 본 출원의 양수인이 공통으로 소유하는 종래의 출원은, 미립자 크기를 측정하는 동시에 한 미립자씩을 기초로 하여 대사 물질 및 다른 유생분자로부터 고유의 형광을 검출할 수 있는 센서 시스템을 제공함으로써 이전의 설계를 개선시킨다. 이 종래 기술의 예는 3개의 주 구성요소, 즉(1)개별적인 미립자 크기를 측정하는 제1 광학 시스템, (2)개별적인 미립자로부터 레이저 유도된 고유의 형광 신호를 검출하는 제2 광학 시스템, 및 (3)미립자 크기 및 형광 강도 양자를 개별적인 미립자에게 할당하는 데이터 기록 포맷과, 비미생물(non-microbe; 예컨대 불활성 먼지 입자)로부터 미생물을 식별하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 시스템(10)은 소스 파장을 갖는 전자기 복사빔을 제공하는 레이저, LED 또는 다른 광원 등의 여기 소스(12)를 포함한다. 여기 소스는 미생물 내의 대사 물질로부터 고유의 형광을 여기시킬 수 있는 파장을 갖도록 선택된다. 주위 공기(또는 액체 시료)는 미립자 샘풀링을 위해 노즐(16)을 통해 시스템 내로 유입된다. 노즐(16)은 레이저 빔이 미립자 스트림을 통과하게 하도록 (시료 셀을 형성하는) 그 중간 섹션에 개구(18)를 갖는다. 레이저 빔으로부터 바로 하류측에는 마이 산란형 미립자 크기 검출기(20)가 있다. 마이 산란형 미립자 크기 검출기(20)는 시준 렌즈(24)의 전면에 빔 블로커(22; beam blocker)와, 시료 스트림 내의 미립자에 의해 산란된 광 빔(14)의 일부를 미립자 검출기(28) 상에 집속하는 집광 렌즈(26)를 포함한다. 레이저 빔(14)으로부터 편축에는 미립자 샘플링 영역에 타원형 미러(30)가 배치됨으로써, 유입되는 미립자 스트림과 레이저 빔의 교차점이 타원면의 2개의 초점 중 하나에 있고, 형광 검출기(32)가 다른 초점을 차지한다. 이 광학 설계에 있어서, 타원형 미러(30)는 생물학적 미립자로부터 형광 신호를 집중시켜 형광 검출기(32) 상에 집속시킨다. 형광 검출기의 전면에는 산란된 광을 차단하고 유도된 형광을 통과시키도록 광학 필터(34)가 배치된다.
그러나, 이 시스템은 형광 검출기에 의해 수신된 형광 신호의 양이 작다는 제한을 갖는다. 이렇게 약한 형광 신호를 동반하는 노이즈의 양은 데이터를 적절하게 처리하고 증폭시키는 것을 어렵게 한다. 따라서, 더 큰 양의 형광 신호를 수집하고 보다 선명한 형광 신호가 처리되게 하는 개선된 설계에 대한 요구가 있다.
본 발명은 한 미립자씩을 기초로 하여, 동시에 미립자 크기를 측정하고 대사 물질 및 다른 바이오 분자로부터 고유의 형광 존재를 검출할 수 있는 개선된 센서 시스템을 제공한다. 이 검출 계획은 종래 기술에 비한 이점이 여러 개이다. 첫째로, 미립자의 생물학적 상태를 결정하기 위하여, 미립자의 단면적 또는 용적의 함수로서 미립자로부터의 형광 신호의 강도와 같이 미립자를 특정짓기 위해 각 개별적인 미립자에 대해 수집되는 데이터의 상세한 분석을 가능하게 한다. 둘째로, 본 발명은 소정의 미립자로부터 보다 큰 양의 형광 신호를 수집하여, 생물학적 미립자를 정확하게 식별하는 시스템의 능력을 증가시킨다.
본 발명은 3개의 주 구성요소, 즉 (1)개별적인 미립자 크기를 측정하기 위한 제1 광학 시스템, (2)개별적인 미립자로부터 레이저 유도된 고유의 형광 신호를 검출하기 위한 제2 광학 시스템, (3)미립자 크기와 형광 강도 양자를 개별적인 미립자에게 할당하기 위한 데이터 기록 포맷과, 비생물학적 미립자(예컨대, 불활성 먼지 입자)로부터 생물학적 미립자를 식별하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드를 포함한다.
본 발명의 일실시예는 한쌍의 형광 검출기와 함께 한쌍의 타원형 미러를 이용함으로써 제2 광학 시스템의 기능을 개선시킨다. 미러와 검출기는 크기를 위해 측정된 것과 동일한 미립자로부터 형광 방출을 수집하도록 배치된다. 각각의 타원형 미러의 경우에, 하나의 초점이 여기 광 빔의 교차점에 있고 하나의 초점이 형광 신호가 형광 검출기들 중 하나로 진입하는 대향하는 타원형 미러의 정점에 있다. 다른 실시예에 있어서, 타원형 미러와 구형 미러가 미립자로부터 형광 방출을 수집하도록 배치된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명으로부터 알 것이다.
본 발명에 따르면, 미립자의 생물학적 상태를 결정하기 위하여, 미립자의 단면적 또는 용적의 함수로서 미립자로부터의 형광 신호의 강도와 같이 미립자를 특정짓기 위해 각 개별적인 미립자에 대해 수집되는 데이터의 상세한 분석을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 소정의 미립자로부터 보다 큰 양의 형광 신호를 수집하여, 생물학적 미립자를 정확하게 식별하는 시스템의 능력을 증가시킨다.
도 1은 공통으로 소유된 종래 기술에 따른 광학 시스템의 개략도.
도 2는 미립자 크기와 형광의 동시 측정을 수행하기 위한 본 발명에 따른 광학 시스템의 평면도.
도 3은 도 2의 광학 시스템의 정면도.
도 4는 도 2의 광학 시스템의 평면도.
도 5는 도 4의 섹션 A-A를 따라 취한 광학 시스템의 단면도.
도 6은 도 4의 섹션 B-B를 따라 취한 광학 시스템의 단면도.
도 7은 본 발명의 변경예를 도시하는 도면.
도 8은 타원형 및 구형의 미러를 구비하는 본 발명의 또 다른 변경예를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 측정 계획의 블럭도.
본 발명의 방법 및 시스템은 미립자로부터 크기 및 임의의 고유 형광을 동시에 측정함으로써 액체나 가스 중의 미립자를 검출하고 분류하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템은 또한 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 식별 및/또는 분류하도록 사용될 수 있다.
본 발명은 유체 미립자 검출기 시스템용의 광학 시스템이다. 이 광학 시스템은, 예컨대 음식 및 약제 제조 산업 등의 산업 용례 및 병원, 뿐만 아니라 청정룸 및 다른 제어된 환경 용례에서 공기 또는 액체 매체에 있는 공기 중 또는 액체 중의 미립자, 예컨대 생물학적 미립자를 검출하도록 구성된다. 본 발명은 또한 다른 용례, 예컨대 빌딩 또는 공중 운송 지역에서 곰팡이나 박테리아와 같이 자연적으로 존재할 수 있거나, 우연히, 원치않게 또는 고의로 방출될 수 있는 해로운 수준의 다른 공기 중 또는 액체 중의 미립자를 검출하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템은 또한 테러리스트 등에 의해 고의로 방출되는 바이오 테러 제제를 검출하도록 사용될 수 있다.
여기서 사용된 "유체 중의 미립자"라는 용어는 공기 중의 미립자와 액체 중의 미립자를 모두 의미한다. 액체 중의 미립자는 물이나 다른 액체 매체 중에 있는 미립자를 포함한다. 유체 중의 미립자는 또한 공기 및 다른 가스 중에 있는 미립자를 포함한다. 여기서 사용되는 바와 같이 "물 중의 미립자"는 물 및 물을 포함하는 액체 중에 있는 미립자를 포함한다.
"미생물학적" 미립자, "생물학적" 미립자 또는 "생물학적" 제제라는 용어는 생성 원인이나 방법이 무엇이든지, 임의의 미생물, 병원균 또는 전염성 물질, 생물학적 독소로서, 또는 임의의 자연적으로 발생하는 그러한 임의의 미생물, 병원균 또는 전염성 물질의 생체 공학적 또는 합성 성분으로서 정의된다. 그러한 생물학적 제제는, 예컨대 생물학적 독소, 박테리아, 바이러스, 리케차(rickettsia), 포자(spore), 균류 및 원생 동물 뿐만 아니라 당업계에 알려진 그외의 것들을 포함한다.
여기서 사용되는 "병원균"이라는 용어는 충분한 양이 존재한다면 그러한 미립자에 노출된 사람에게 잠재적으로 해를 끼치거나 심지어는 사망을 일으킬 수 있는 임의의 공기 중 또는 액체 중의 미립자, 생물학적 제제 또는 독소를 가리킨다.
"생물학적 독소"는 살아있는 식물, 동물 또는 미생물로부터 생성되거나 파생된 유독 물질이지만, 또한 화학적 수단에 의해 생성되거나 변경될 수 있다. 그러나, 독소는 일반적으로 숙주 유기체에서 자연적으로 발생하지만[즉, 색시토신(saxitoxin)은 해조류에 의해 생성됨), 유전학적으로 변경되는 및/또는 합성적으로 제조된 독소는 연구소 환경에서 생성된다. 미생물과 비교했을 때에, 독소는 상대적으로 간단한 생화학적 조성을 갖고, 재생할 수 없다. 많은 양태에 있어서, 독소는 화학적 제제에 필적한다. 그러한 생물학적 독소는, 예컨대 보툴리누스?? 및 파상풍균 독소, 포도상구균 장독소 B(staphylococcal enterotoxin B), 트리코토신 미코톡신(tricothocene mycotoxins), 리신(ricin), 색시토신, 시가독소 및 시가양독소(Shiga-like toxin), 덴드로톡신(dendrotoxin), 이라부톡신 b(erabutoxin b) 뿐만 아니라 다른 공지된 독소들이다.
본 발명의 검출기 시스템은 공기 중 또는 액체 중의 미립자를 검출하고, 예컨대 시료 내에 검출되는 범위 내에서 각 크기의 미립자의 개수를 지시하는 출력값을 생성하고, 미립자가 생물학적인지 또는 비생물학적(non-biologic)인지를 지시한다. 검출기 시스템은 또한 생물학적 미립자가 검출되면 및/또는 미립자의 개수가 예정된 임계값을 초과하면, 예컨대 검출된 개수가 정상적인 배경 준위를 초과하면 경보 신호나 다른 반응을 생성할 수 있다.
도 2 내지 6은 본 발명에 따른 유체 미립자 검출기 시스템의 바람직한 실시예의 도면이다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 검출기 시스템은 소스 파장을 갖는 전자기 복사빔(114)을 제공하는 레이저 등의 여기 소스(112)를 포함한다. 여기 소스는 미생물 및 생물학적 미립자 내의 대사 물질로부터 고유의 형광을 여기시킬 수 있는 파장을 갖도록 선택된다. 여기 신호는 또한 미립자 크기를 결정하기 위해 미립자로부터 마이 산란을 검출하기에 적절한 파장을 갖도록 선택된다. 적절한 여기 소스의 예로는 UV 광 및 가시광 복사 소스, 예컨대 UV 광 및 가시광 레이저, LED 등을 포함한다. 일례로서, 여기 소스(112)는 약 270 nm 내지 약 410 nm, 바람직하게는 약 350 nm 내지 410 nm의 파장으로 작동하는 것이 바람직하다. 미생물과 생물학적 미립자가 3개의 주 대사 물질, 즉 약 270 nm(약 220 nm 내지 약 300 nm의 범위)의 여기 파장에서 일반적으로 형광을 발하는 트립토판, 약 340 nm(약 320 nm 내지 약 420 nm의 범위)의 여기 파장에서 일반적으로 형광을 발하는 니코틴아미드 아데닌 디누클레오타이드(NADH; nicotinamide adenine dinucleotide), 및 약 400 nm(약 320 nm 내지 약 420 nm의 범위)의 여기 파장에서 일반적으로 형광을 발하는 리보플라빈(riboflavin)을 포함한다는 전제를 기초로 하여 약 270 내지 약 410 nm의 파장이 선택된다. 세균성 포자(bacterial endospore)의 경우에, 디피콜린산(PDA; dipicolinic acid)이 일반적으로 약 400 nm(약 320 nm 내지 약 420 nm의 범위)의 여기 파장에서 형광을 발한다. 그러나, 여기 소스(112)는 약 350 내지 약 410 nm의 파장을 갖는 것이 바람직하다. 이 파장은 생물학적 미립자에서 전술한 주 대사 물질 중 2개, 즉 NADH와 리보플라빈 및 DPA의 여기를 보장하지만, 디젤 엔진 배출부로부터 등의 간섭과 먼지 또는 베이비 파우더 등의 다른 불활성 미립자의 여기를 배제시킨다. 따라서, 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은 디젤 엔진 배출부 등의 간섭의 여기를 배제하면서, NADH 및 리보플라빈으로부터의 형광을 여기하는 능력(트립토판을 여기시키는 능력은 전술함)을 보유하는, 여기 소스의 파장 또는 파장 범위의 공정한 선택을 하게 한다. 이 단계는 (266 nm 광 등의 짧은 UV 파장에 의해 여기될 수 있는) 디젤 배출부에 의해 발생되는 오경보를 줄일 수 있도록 취해진다.
도 2 내지 6에 도시된 시스템에 있어서, 유체 시료(예컨대, 주위 공기 또는 액체 시료)는 미립자 샘플링을 위해 입구 노즐(116)을 통해 시스템 내로 유입된다. 입구 노즐(116)은 출구 노즐(17)과 정렬되어, 미립자 스트림이 전자기 복사(114)의 경로를 통과하게 한다. 레이저 빔의 바로 하류측에는 마이 산란 미립자 크기 검출기가 있다. 마이 산란 미립자 크기 검출기는 시준 렌즈(124)의 전면에 있는 빔 블로커(122)와, 시료 스트림 내의 미립자에 의해 산란된 광 빔(114)의 일부를 미립자 검출기(도시 생략) 상에 집속하기 위한 집광 렌즈(126)를 포함한다.
전자기 복사(114)로부터 편축에 바람직하게는 직각으로 한쌍의 타원형 미러(130, 131)가 역전되어 서로 대면하는 상태로 미립자 샘플링 영역 둘레에 배치됨으로써, 유입되는 미립자 스트림과 레이저 빔의 교차점은 각 미러의 한 초점에 있는 한편, 형광 검출기(132, 133)[예컨대, 광전자 증배관(photo-multiplier tube)]가 각 미러의 다른 초점을 차지한다. 타원형 미러는 마이 산란 광학 장치에 대해 직교하도록 마이 산란 광학 장치의 평면 밖에 배치되는 것이 바람직하다. 이 구성은 타원면의 2개의 초점 중 한 초점으로부터 방사되거나 그 한 초점을 통과하는 광의 점 소스가 다른 초점 상에 집속된다는 점을 활용한다. 이 광학 구성에 있어서, 타원형 미러(130, 131)는 미생물로부터의 형광 신호를 집중하여 형광 검출기(133, 132) 상에 각각 집속한다. 바람직하게는, 형광 검출기는 광전자 증배관(photo-multiplier tube; PMT)이다. 산란된 광을 차단하고 유도된 형광을 통과시키도록 형광 검출기 전면에 광학 필터(134, 135)가 배치될 수 있다.
한쌍의 타원형 미러는 노즐(116, 117), 형광 검출기(132, 133), 전자기 복사(114), 및 마이 산란 콘을 위한 개구를 남겨 두고 미립자 검출 영역 둘레에 밀폐구를 형성한다. 도면에 도시된 바와 같이, 소정의 타원형 미러의 가장 가까운 초점은 미립자 스트림과 레이저 빔의 교차점에 있게 된다. 소정의 미러의 가장 먼 초점은 전술한 바와 같이 형광 검출기에 있게 된다. 이 대향 초점은 대향하는 타원형 미러의 정점에 있는 것이 이상적이다. 이는 양 타원면이 동일하고 초점들 사이의 거리가 타원면의 주축의 길치의 1/3인 경우이다.
빔 블로커(122)는 전자기 복사(114)의 빔, 예컨대 레이저 빔의 산란되지 않은 성분을 흡수, 정지 및/또는 수용하도록 구성되고, 예컨대 광학 요소의 전면에 부착된 복사를 수집 및 수용하도록 구성된 광 흡수 재료, 예컨대 비닐, 풀루오로엘라스토머, 금속 재료 등 및/또는 기하학적 형태를 포함할 수 있다. 빔 블로커(122)에 대한 다른 특징부 및 고려 사항은 상기에 열거한 Hamburger 등에게 허여된 이전의 특허들 중 일부에 그리고 본 명세서에 참조로 합체되는 PCT 출원 제PCT/US2006/027638호에 개시되어 있다. 미립자 검출기에 대한 다른 특징부 및 고려 사항은 상기에 열거한 공통 소유의 이전의 참조 문헌에 기술되어 있고, 본 명세서의 개시와 일치하는 개시는 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 발명에서 마이 산란의 사용은 또한 살아있는 유기체의 물질 대사를 위해 중간물로 필요하고, 이에 따라 미생물 및 생물학적 미립자, 예컨대 박테리아와 균류에 존재하는 대사 물질 NADH, 기보플라빈 및 다른 바이오 분자의 존재를 위해 개별적인 미립자들을 동시에 검사하기 위하여 광 유도된 형광의 검출을 위한 광학 구성요소의 배치를 용이하게 한다. 이들 화학적 화합물이 바이오 에어로졸에 존재하면, 이들 화학적 화합물은 광자 에너지에 의해 여기될 수 있고, 이어서 전술한 검출 계획을 기초로 하여 기구에 의해 검출될 수 있는 자동 형광 광을 방출할 수 있다. 이 검출 계획은 미생물의 속 또는 종을 식별할 수 없고, 바이러스는 매우 작아서 검출을 위한 대사 물질이 결여되어 있을 수 있지만, 동시에 각 미립자에 대한 이 검출 계획의 능력은 미립자의 크기를 결정하고, 생물학적 물질 또는 불활성 물질이 있다면, 사용자에게 미생물학적 오염물의 존재 또는 부재를 가리킨다.
이중 타원형 미러의 구성은 종래 기술에 비해 여러가지의 이점을 갖는다. 도 1로부터, 종래 기술의 타원형 미러에 의해 많은 형광 신호가 포착되지 못한다는 것은 명백하다. 검출기에 의해 수신된 신호가 약한 것은 물론이고 또한 신호 노이즈 없이는 증폭하기 어렵다. 그러나, 추가의 타원형 미러 및 검출기의 경우에, 검출기에 의해 수신된 2개의 신호는 신호 프로세서가 노이즈로부터의 형광 신호를 식별할 수 있도록 비교될 수 있다.
변경예에서는, 단 하나의 타원형 미러가 사용된다. 타원형 미러는 종래의 기술(도 1)에 따른 위치로부터 미러가 광원으로부터 90도 마주하여 마이 산란 광학 장치에 대해 직교할 때까지 회전된다. 이는 타원형 미러와 정렬하도록 형광 검출기의 위치를 재결정하는 것을 필요로 한다. 이 직교 구성은 광 박스의 구성을 보다 작게 한다. 이 구성은 또한 광학 경로의 오버랩을 감소시킴으로써 신호 수집과 광학 장치의 최적화를 가능하게 한다. 타원형 미러는 광 박스를 단일 유닛으로서 조립할 수 있다. 이 실시예는 튼튼하고 콤팩트한 구성을 제공함으로써 종래 기술에 비해 개선된다.
다른 변경예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 요소는 산란되지 않은 여기 빔의 일부를 검출기, 예컨대 광 검출기로 반사시켜 여기 소스 파워를 측정하도록 시준 렌즈 전에 배치될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광학 요소는 산란되지 않은 빔의 일부를 90도 반사시키지만, 다른 반사 각도도 사용될 수 있다. 적절한 광학 요소의 예로는 미러 등을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
또한, 종래 기술의 실시예로부터 탈출하는 형광 신호를 포착하도록 이 단일의 타원형 미러 실시예에 구형 미러가 사용될 수 있다. 구형 미러(212)는 미립자 스트림과 전자기 복사의 교차점이 그 초점에 있는 상태로 타원형 미러(214)의 반대측에 배치된다. 도 8을 참조하라. 구형 미러는 광을 초점을 통해 타원형 미러 상으로 반대로 반사시키고, 이어서 타원형 미러는 광을 구형 미러에 있는 개구를 통해 형광 검출기(216)로 지향시키는데, 이는 도 8에 PMT로서 도시되어 있다. 이 실시예는 추가적인 형광 검출기의 비용 없이 보다 큰 양의 형광 신호를 포착한다. 바람직한 실시예와 유사하게, 구형 미러(212)와 타원형 미러(214)는 노즐(220), 형광 검출기(216) 및 마이 산란 콘만을 위한 개구를 두고 밀폐구(218)를 형성하게 된다. 타원형 미러와 구형 미러는 이 밀폐구가 가능한 한 완벽하게 되도록 2개의 표면이 교차하는 지점으로 연장될 수 있다. 이 대안의 구성에 있어서, 구형 미러는 미립자 스트림과 레이저 빔의 교차점이 구의 곡률 중심에 있도록 위치된다.
다른 변경예에 있어서, 미립자 크기 검출 시스템을 위한 상이한 구성이 예상된다. 이 실시예에서, 시준 렌즈와 집광 렌즈는 서로 90도 배향된다. 광학 요소, 예컨대 미러는 전자기 복사를 시준 렌즈로부터 집광 렌즈로 지향시키도록 위치된다. 빔 블로커는 전술한 바와 같이 시준 렌즈 전에 배치될 수 있거나, 별법으로서, 광학 요소(예컨대, 미러)가 여기 소스로부터의 복사를 지향시켜 광학 요소 후방에 배치된 광 덤프(light dump)를 통과하게 한다. 이는 예컨대, 적절한 크기의 개구를 광학 요소에 위치 결정함으로써 수행될 수 있다. 별법으로서, 광 덤프는 다른 검출기와 대체될 수 있다. 이 검출기는 광원의 출력 및 다른 검출기들에 의해 수신된 양과 비교되도록 수신된 광의 양을 측정할 수 있다. 이 구성은 보다 작은 광 박스의 구성과 보다 콤팩트한 시스템 설계를 가능하게 한다.
본 발명의 동시적인 미립자 크기 결정과 형광 측정 계획의 상관성이 도 9에 도시되어 있다. 작동 원리는 이하와 같다. 기구는 각각의 개별적인 미립자의 크기를 실시간으로 측정하는 동시에 미립자가 형광을 방출하는지 방출하지 않는지를 결정하도록 주위 공기(또는 액체)를 연속적으로 모니터한다. 형광 신호에 대해 하나 이상의 임계값이 설정된다. 형광 신호가 설정 파라미터 밖에 있으면, 미립자는 불활성 물질로서 마킹된다. 형광 신호 입계값은 미립자 단면적의 함수로서 또는 미립자 용적의 함수로서 형광 신호 강도, 형광 강도로부터 선택된 하나 이상을 포함한다. 형광 신호 임계값이 하나 이상의 설정 임계값 수준 내에 속하거나 그 수준을 초과하면, 미립자는 생물학적 물질로 마킹된다. 미립자 크기와 형광 신호 강도의 조합된 데이터는 한 미립자씩을 기초로 하여 미생물의 존재 또는 부재를 결정하게 된다. 형광 신호 임계값에 대한 다른 특징부 및 고려 사항은 공통 소유이고 Morrell 등에게 허여된 미국 특허 출원 제12/268,366호에 기술되어 있고, 본 명세서의 개시와 일치하는 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 합체된다.
본 발명의 전술한 실시예들, 특히 임의의 "바람직한" 실시예들은 단순히 가능한 실시 형태이고, 단지 본 발명의 원리를 명료한 이해를 위해서 기재된 것이라는 점이 강조되어야 한다. 본 발명의 사상 및 원리로부터 실질적으로 벗어남이 없이 본 발명의 전술한 실시예들에 대해 많은 변경 및 수정이 이루어 질 수 있다. 예컨대, 시준 렌즈와 집광 렌즈는 단일 부재의 장치로서 구성될 수 있다. 그러한 모든 변경 및 수정은 이 개시와 본 발명의 범위 내에서 본 명세서에 포함되고 이하의 청구범위에 의해 보호되도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법으로서,
    입구 노즐(116)을 통해 유체 시료를 유입하는 단계로서, 미립자 스트림이 시료 영역의 집속된 광 빔(114)의 경로를 통과하도록 상기 입구 노즐(116)이 출구 노즐(117)과 정렬하는, 유체 시료를 유입하는 단계,
    상기 미립자 스트림으로부터 미립자 크기를 측정하는 동시에 고유의 형광을 검출하는 단계로서, 형광 강도가 측정되어 값이 할당되는, 고유의 형광을 검출하는 단계를 포함하고,
    입자 크기와 형광 강도를 기초로 하여 상기 미립자를 불활성 미립자 또는 생물학적 미립자로 분류하는 단계를 포함하며,
    상기 시료 영역 주위에 상기 입구 노즐(116)과 상기 출구 노즐(117)에 대한 개구를 갖는 밀폐구를 형성하는 한 쌍의 타원형 미러(130, 131)를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    형광은 두 개의 형광 검출기(132, 133)를 이용하여 측정되며, 각각의 형광 검출기는 두 개의 타원형 미러(130, 131) 중 하나에 의해 포착되는 형광을 수용하고,
    유입되는 미립자 스트림과 광 빔(114)의 교차점이 각각의 타원면의 하나의 초점에 놓이고, 상기 두 개의 형광 검출기(132, 133) 중 하나가 다른 하나의 초점에 놓이도록, 상기 한 쌍의 타원형 미러(130, 131)가 미립자 샘플링 영역에 위치되고,
    각각의 형광 검출기(132, 133)가 신호를 생성하며, 형광 신호가 노이즈로부터 구별될 수 있도록 상기 신호가 비교되고,
    상기 미립자 크기는:
    집속된 광 빔(114)을 시료를 통해 전송하는 단계로서, 상기 광 빔의 일부는 시료 영역에 존재하는 다양한 크기의 미립자에 의해 다양한 각도로 산란되고, 상기 광 빔의 산란되지 않은 부분은 산란되지 않은 상태로 남는, 전송하는 단계;
    시료 영역의 반대측 상에 빔 차단 장치(122)를 배치함으로써, 적어도 상기 광 빔(114)의 산란되지 않은 부분을 차단하고, 측정된 미립자 크기의 범위를 제한하는 단계; 및
    전방을 향해 산란된 광의 일부를 검출하고 광 경로 내의 단일 미립자의 크기에 관한 정보를 포함한 출력을 생성하도록, 상기 빔 차단 장치(122) 뒤의 광 경로에 미립자 크기 검출기를 위치시키는 단계;에 의해 측정되는,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미립자의 크기는 미립자가 미생물인지를 분류하기 위해 사용되는 것인,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    동일한 단일 미립자로부터 고유한 형광을 검출하도록 상기 두 개의 형광 검출기(132, 133)가 상기 광 빔(114)의 축으로부터 이탈하여 위치되며, 상기 형광 검출기가 상기 광 빔(114)에 대해 직각으로 배치되는 것인,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 검출기(132, 133)가 광전자 증배관(photo-multiplier tube)인 것인,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속된 광 빔(114)의 광원으로부터 상기 시료의 반대측 상에 시준 렌즈(collimating lens, 124)를 제공하는 단계; 및
    상기 전방을 향해 산란된 광의 일부를 미립자 크기 검출기 내로 집속시키는 집광 렌즈(126) 내로 상기 전방을 향해 산란된 광의 일부를 반사시키기 위한 광학 요소를 제공하는 단계;를 더 포함하며,
    산란되지 않은 광은, 상기 시준 렌즈(124)의 전면에서 빔 블로커에 의해 중지되거나 또는 상기 광학 요소를 통과하여 광 덤프로 향하는 것인,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    형광을 발하는 미리 정해진 크기 범위 내의 미립자가 검출될 때에 경고 신호를 제공하는 경보 유닛을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속된 광 빔은 270 내지 410 nm의 파장을 갖는 것인,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    미립자 크기 분포와 미립자 형광을 소정 시간에 처리하고 출력 장치 상에 신호를 표시하는 처리 유닛을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    유체 시료 내의 불활성 미립자로부터 생물학적 미립자를 분류하는 방법.
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