KR20220005478A

KR20220005478A - 축상 입자 검출 및/또는 차동 검출을 위한 입자 검출 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220005478A
Application number: KR1020217036195A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 로디어; 제임스 럼킨; 드와이트 셀러; 브라이언 놀렌버그
Original assignee: 파티클 머슈어링 시스템즈, 인크.
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2022-01-13
Also published as: EP3959505A1; US20200355599A1; EP3959505A4; EP3959505B1; US11946852B2; CN113692529A; US11237095B2; US20220155212A1; WO2020219841A1; JP2022529213A

Abstract

입자를 검출하고 특성화하기 위한 광학 시스템 및 방법이 여기에 제공된다. 광학 입자 계수기의 감도를 높이고 더 큰 유체 부피를 분석하면서 더 작은 입자를 검출할 수 있는 시스템 및 방법이 제공된다. 설명된 시스템 및 방법은 대량의 분석된 유체에 대한 나노규모 입자(예를 들어, 50nm 미만, 선택적으로 20nm 미만, 선택적으로 10nm 미만)의 민감하고 정확한 검출 및 크기 특성화를 허용한다.

Description

축상 입자 검출 및/또는 차동 검출을 위한 입자 검출 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 4월 25일에 출원된 미국 가특허출원 제62/838,835호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참고로 여기에 포함된다.

클린룸 조건을 요구하는 기술의 발전으로 인해 더 작은 입자의 검출 및 특성화에 대한 필요성이 대두되고 있다. 예를 들어, 마이크로 전자 파운드리(microelectronic foundries)는 점점 더 민감한 제조 공정 및 제품에 영향을 미칠 수 있기 때문에 크기가 20 nm 미만, 경우에 따라 10 nm 미만인 입자의 검출을 추구한다. 유사하게, 의약품 및 생체 재료의 제조를 위한 무균 공정 조건의 필요성은 건강 및 인간 안전과 관련된 규정 준수 표준을 해결하기 위해 생존 및 비생존 입자의 정확한 특성화를 요구한다.

전형적으로 이 산업들은 작은 입자의 검출 및 특성화를 위해 광학 입자 계수기에 의존한다. 더 작은 입자를 감지하기 위해서는 레이저 출력 증가, 여기 파장 단축, 응축 핵 계수와 같은 복잡한 기술을 사용하는 시스템과 같은 광학 입자 계수를 위한 새로운 접근 방식이 필요하며, 결과적으로 나노 미터 규모의 입자 검출을 위한 장비의 비용과 전반적인 복잡성을 극적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 새로운 접근 방식은 필요한 신뢰성과 재현성을 제공하기 위해 더 자주 교정 및 유지 관리가 필요하다.

다양한 광학 입자 계수기는 산업에서 알려져 있으며, 예를 들어 미국 특허 No. 7,916,293인 산란광 광흡수 입자 계수기와 미국 특허 Nos. 7,746,469, 9.983,113, 10,416,069, US Patent Publication Nos. 2019/0277745 와 US 20170176312, 와 PCT international Publication WO 2019/082186를 포함하는 구조화된 빔 및/또는 간섭계를 사용한 투과/소광 입자 계수기가 있다. 각각의 참고문헌은 전체적이고 구체적으로 작은 입자의 검출 및 특성화에 유용한 입자 계수기 시스템 구성요소 및 구성을 설명하기 위해 여기에 포함된다.

전술한 바와 같이, 작은 크기 치수를 갖는 광학적으로 향상된 입자 감지를 제공하는 시스템과 방법에 대한 기술 분야의 필요성이 있음을 알 수 있다.

발명의 요약

빔 입자 계수기 및/또는 분석기 시스템 및 방법은 예를 들어 투과 및/또는 전진 산란광의 축상 검출, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 포함하는 프로브(probe) 빔을 사용하는 차동 검출 시스템을 사용하여 광학 입자 계수기의 감도, 정확도 및 처리량을 증가시켜 많은 양의 샘플 유체에 대해 더 작은 입자를 감지하고 특성화할 수 있도록 한다. 일부 실시양태에서, 본 시스템 및 방법은 광학 기하학적 구조, 검출기 구성 및 분석된 샘플 유체의 양의 향상을 가능하게 하는 신호 분석 기술을 시간 대비 전체 입자 검출 민감도 내 작은 입자 (예를 들어, ≤ 10 미크론, 또는 선택적으로 ≤ 1 미크론 또는 선택적으로 ≤ 500 나노미터의 유효 측면 치수(예: 유효 측면 치수(예: 직경)) 및/또는 위양성 징후의 억제의 증가하는 함수로 통합하는 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용하여 유체에서 입자의 검출 및 특성화를 제공한다.

본 시스템 및 방법은 투과 및 전방 산란광 및/또는 차동 검출 구성 및 방법의 검출에 의한 축상 입자 측정을 사용하는 입자 측정(예를 들어, 검출 및/또는 크기 특성화)에 특히 적합하다. 현재 시스템 및 방법은 매우 다양하며 (i) 입자의 간섭계 검출을 사용한 입자 검출 (ii) 구조화된 빔, 어두운 빔 등 과 같은 가우시안 및 비가우시안 빔을 사용한 입자 검출 (iii) 차동 검출을 사용한 입자 검출 (iv) 멀티패스 기술을 사용한 입자 검출 (예로, 듀얼 패스) (v) 편광 제어를 이용한 입자 검출을 포함하는 다양한 입자 측정 기술을 사용하여 실행될 수 있다.

일부 실시양태에서, 예를 들어, 본 발명의 시스템 및 방법은 예를 들어 어두운 빔과 같은 구조화된 빔, 및 선택적으로 차동 검출 구성을 사용하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의해, 변환을 사용하지 않는 시스템에 비해 단위 시간당 더 많은 양의 샘플림된 유체 양을 달성하기 위해 측면 방향(예, 빔 축의 수직) 및/또는 z-축(예, 빔과 검출기 사이의 광원 축)을 따라 플로우 셀의 빠른 변환(예: 입자가 빛을 통과할 때의 평균 속도보다 빠름)을 제공하는 광학 및/또는 플로우셀 요소를(예: 트랜슬레이터, 오실레이터, 압전 요소 등)축상 입자 측정에 결합한다. 일 실시예에서, 레이저 빔 또는 플로우 셀은 예를 들어, 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용하는 입자 검출을 통해 단위 시간당 분석된 샘플 유체의 부피를 증가시키기 위해 예를 들어 이동부 또는 오실레이터를 통해 변환된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 플로우 셀은 그것이 빔을 통과할 때 평균 입자 속도보다 적어도 2배 빠른 평균 이동 속도로 이동되고 선택적으로 일부 애플리케이션의 경우 플로우 셀은 평균 입자 속도보다 5~100배 빠른 평균 속도로 이동된다. . 일부 실시예에서, 예를 들어 입자를 포함하는 유체의 유속은 5 - 300cm/초의 범위에 걸쳐 선택된다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 플로우 셀은 25 cm/초 이상의 평균 이동 속도로 이동된다. 일 실시예에서, 이동부는 10 - 1000 마이크론의 범위에서 선택된 거리를 따라 플로우 셀의 변환을 제공한다. 일부 실시예에서, 이동부는 100kHz - 100MHz 범위로부터 선택된 주파수에서 주기적 변환을 겪는다. 이동은 주기적 이동이동 및/또는 선형 이동 또는 비선형 이동을 포함하는 한 방향 또는 하나 이상의 방향인 주기적인 이동일 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 오실레이터는 입자가 고 방사 밀도 영역을 통과하는 데 필요한 것보다 더 적은 시간으로 플로우 셀이 변위를 완료하도록 충분히 높은 주파수에서 진동한다. 일부 실시예에서, 이동부는 100kHz - 100MHz 범위로부터 선택된 주파수에서 발진하는 오실레이터다.

일부 실시양태에서, 예를 들어, 본 발명의 시스템과 방법은 예를 들어, 어두운 빔, 및 선택적으로 빔 내의 입자와 빔의 상호작용 신호의 공간적인 정도 (예, 1.5의 요인 및 선택적으로 1.2의 요인)에 관한 픽셀 구역을 가지면서, 이에 따라 단위 시간 당 분석된 샘플 부피의 개선을 끌어 더 많은 입자 변환의 증가를 제공하여 보다 많은 픽셀화된 광검출기를 가진 차동 검출 구조를 사용함으로써 구조화된 빔 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 결합한다. 일부 실시양태에서는 이러한 픽셀화된 검출 구성을 통해 주변 "더 큰" 원 이미지에서 입자 신호 이미지를 분리할 수 있다. 일부 실시양태에서 시스템과 방법은 최소 두 요소 사이의 효율적인 차등 감지를 제공하기 위해 하나 이상의 요소 열을 가진 픽셀화 광검출기를 통합한다. 각각 10 ~ 500 미크론 범위에서 독립적으로 선택된 픽셀 폭은 특정 구현에 유용하며 선택적으로 50 ~ 100 미크론 범위에서 각각 독립적으로 선택된 일부 애플리케이션에 유용하다.

일부 실시양태에서, 예를 들어, 본 발명의 시스템과 방법은 차동 검출 구조를 사용하거나 및/또는 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용함으로써 생물학적 (예: 미생물 입자)과 비생물적 입자를 구별하기 위해 산란된 빛 또는 형광을 추가한 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 결합한다. 미생물과 같은 생물학적 입자는 주로 물로 구성되어 있어서 물과 굴절률이 매우 낮기 때문에 산란율이 매우 낮다. 따라서 생물학적 입자는 작은 측면 산란 신호를 발생시키거나 측면 산란을 이용하여 검출되지 않는다. 생물학적 입자는 예를 들어 구조화된 빔 및/또는 차동 검출 기법을 사용하는 전달되는 빛과 전방 산란 빛의 축상 감지를 사용하는 본 방법과 시스템에서 강한 반응 신호를 발생시킨다. 발명의 일부 방법과 시스템에서는 측면 산란 신호와 비교(또는 비교)되는 큰 축상 신호를 관측하거나 측면 산란 검출기에서 해당 신호가 없는 온 축 검출기에서 신호를 관측하여 입자를 미생물 입자와 같은 생물학적 입자로 특징짓는 데 사용된다. 대안적으로, 본 발명의 일부 방법 및 시스템에서, 비교 가능한 축상 신호와 측면 산란 신호의 관찰(또는 비교) 또는 축상 검출기 및 측면 산란 검출기에서 두 신호를 모두 관찰하여 입자를 비생물학적 입자로 특성화한다.

일부 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 예를 들어, 입자가 존재하는 매질의 굴절률에 대하여 상대적으로 (예를 들어, 더 크거나 더 작은) (예를 들어, 유체 흐름의 구성) 입자의 굴절률을 특성화하기 위해 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 검출을 사용한다. 이 양태는 예를 들어 굴절률에 기초하여 금속 입자와 비금속 입자를 구별하기 위한 수단을 제공함으로써 입자 조성의 속성을 결정할 수 있게 한다. 예를 들어, 차동 검출 구성을 포함하는 시스템에서 "고전적인" 입자 신호의 신뢰할 수 있고 반복 가능한 뒤집기를 사용하여 금속 입자와 비금속 입자를 정확하게 구별할 수 있도록 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 캐리어(carrier) 유체의 굴절률에 대한 입자의 굴절률의 차이는 입자의 광학 특성 및 조성을 특성화하는 데 사용될 수 있는 신호를 초래한다.

분석된 입자가 캐리어(carrier) 유체의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 경우, 예를 들어 수성 매질 내의 폴리스티렌 라텍스(polystyrene latex, PSL) 입자의 경우와 같이, 밝은 프린지가 빔의 상단에서 관찰되고 입자가 플로우 셀의 빔으로 통과하는 조건의 경우 빔 바닥에서 어두운 줄무늬가 관찰된다. 예를 들어, 바닥에서부터 입자가 빔을 통과할 때, 반면에 분석된 입자가 캐리어 유체의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지면, 물 매질의 금 나노 입자의 경우와 같이 프린지 패턴은 바닥에서부터 입자가 빔으로 통과하는 경우와 같이 플로우 셀의 빔으로 통과하는 조건에서 반전되어 빔의 상단에서 어두운 프린지가 관찰되고 빔의 하단에서 밝은 프린지가 관찰된다. 따라서 입자와 빔이 상호작용하는 동안에 시퀀즈(sequence), 순서 및/또는 밝은 프린지(fringe)와 어두운 프린지를 관찰하고 특성화함으로써 입자의 캐리어에 대한 굴졀률 (예를 들어, 보다 크거나 작음)은 특성화될 수 있고, 따라서 입자의 고성과 관련되 정보도 추론할 수 있다. 차동 검출은 때때로 빔을 통한 입자의 궤적 동안 시간의 함수로서 예를 들어 (i) 입자가 빔에 처음 통과할 때(예: 바닥에서), (ii) 입자가 빔 웨이스트를 통과할 때 및 (iii) 입자가 빔에 존재할 때 본 시스템 및 기술에서 어두운 프린지와 밝은 프린지의 시퀀스, 순서 및/또는 위치를 특성화하는 효율적이고 정확한 수단을 제공한다.

일부 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 예를 들어, 최상위 픽셀 또는 최상위 다음의 픽셀 및 최하위 픽셀 또는 그 다음 픽셀에 관한 첫번째와 두번째 검출기 사이의 신호의 균형을 위해 포지셔너를 사용하여 검출기를 이동하거나 검출기 전에 거울을 작동하여 빔을 지나는 최상위 픽셀 또는 최상위 다음의 픽셀 및 최하위 픽셀 또는 그 다음 픽셀에 관한 첫번째와 두번째 검출기 위치의 균형을 잡는 조절기와 함께 선택적으로 차동 검출 구성 및/또는 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용함으로써 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 검출을 사용한다. 이러한 차동 검출 측면의 실시예에서, 조절기를 사용하여 검출기 및/또는 검출기의 빔 위치를 조정하면 특히, 시스템이 진동 및 음향 입력의 인풋(input)에 영향을 받기 쉬울 때, 노이즈 제거 기능이 강화된다. 이러한 차동 검출 측면의 실시예에서, 빔의 일부는 이미저 또는 다중 검출기(예, 쿼드 검출기, quad detector)에 제공되어 빔 전력 밀도, 플로우 셀의 스폿 크기에 대한 피드백을 제공한다. 일부 실시예에서, 조절기는 차동 신호의 노이즈 진폭에 대해 차동 검출기 위치 및/또는 빔 위치의 미립자가 존재하지 않고 능동적으로 조정되는 때 예를 들어 차동 신호의 노이즈 진폭의 주기적인 측정에 의해 폐쇄 루프 제어를 통해 작동된다.

일부 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 예를 들어, 노이즈를 감소시키고 신호를 향상시키기 위해, 차동 검출기의 상반부와 하반부 사이에 레이저 빔의 강도가 균형을 이루는 것을 보장하는 하나 이상의 조절기를 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 입자가 존재하지 않을 때 차동 신호의 노이즈 진폭을 결정하고 분석하는 폐루프 시스템이 사용된다. 일 실시예에서, 스티어링 미러는 검출기 상의 빔의 위치를 조정하여 차동 신호의 노이즈 레벨을 최소화하는 데 사용된다. 이 조건은 20% 이내로 균일하게 하고 선택적으로 10% 이내로 균일하게 하는 것과 같이 상위 및 하위 요소 사이에서 빔의 세기가 균일하게 분할될 때 발생한다. 유사하게, 이러한 제어는 또한 검출기 위치를 이동시키고 검출기를 회전시켜 빔 및 검출기 축을 정렬하는 것을 달성될 수 있게 한다.

일부 실시양태에서, 예를 들어, 본 발명의 시스템 및 방법은 어두운 빔과 같은 구조화된 빔 및 향상된 신호 대 잡음비를 위해 차가운 검출기와 연결된 락-인 증폭기 (lock-in)가 있는 광학 변조기를 사용한 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 결합한다.

일부 실시양태에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 어두운 빔과 같은 구조화된 빔 및 선택적으로 광검출기에서 빔을 이미지화하거나 시준하는 차동 검출기 구조 사용하는 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 결합한다.

일부 실시양태에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 어두운 빔과 같은 구조화된 빔 및 선택적으로 광검출기에서 빔을 빔을 별도의 광검출기로 분할하는 칼날 프리즘이 있는 차동 검출기 구조 사용하는 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 결합한다.

일 양태에서, 입자 검출 시스템은 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀; 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔을 생성하기 위한 광원; 플로우 셀을 통해 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔을 통과시키기 위하고; 그렇게 함으로써 입자에 의해 산란된 전자기 방사선을 발생하기 위한 빔 형성 시스템; 광원, 빔 형성 시스템 및 광학 검출기 어레이가 입자 검출을 위해 구성되는 플로우 셀로부터 전자기 방사선을 수신하기 위한 최소 하나의 빔 검출기 어레이. 일 실시예에서, 상기 광원, 빔 형성 시스템 및 광학적 검출기 어레이는 입자의 간섭계 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원, 빔 형성 시스템 및 빔 검출기 어레이는 일관성 있는 전자기 방사선의 구조화된 프로브(probe) 빔을 플로우 셀을 통해 통과시킴으로써 입자의 구조화된 빔 검출을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원 및 광학 검출기 어레이는 강도의 중심선 감소와 같은 감쇠된 강도의 영역을 갖는 공간 강도 프로파일을 특징으로 하는 구조화된 다크 빔과 같은 입자의 구조화된 다크 빔 검출을 제공하도록 구성된다.

일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선 및 입자에 의해 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 위치되며, 예를 들어 입자에 의해 산란된 전자기 방사선은 전방 산란 전자기 방사선을 포함한다. 일 실시예에서, 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선 및 입자에 의해 산란된 전자기 방사선은 예를 들어, 보강 및/또는 간섭광을 겪으며, 이에 의해 하나 이상의 회절 패턴을 생성한다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 입사광의 입사 선원에 대해 0도에서 5도 이내의 산란 각도에서 제공되며, 선택적으로 0도에서 1도 이내의 산란 각도, 선택적으로 일부 적용에서는 0도에서 0.5도 이내의 산란각도, 선택적으로 일부 적용에서는 입사광의 광학 축에 대하여 0도에서 0.1도 이내의 산란 각도를 제공한다. 일 실시예에서, 광 검출기 어레이는 광파 전선과 입자에 의해 산란되는 전자기 방사선과 입자의 상호작용을 검출하기 위해 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하도록 제공된다.

일 실시예에서, 빔은 가우시안 입사 빔과 같은 간섭성 입사 빔을 플로우 셀에 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 또한 어두운 빔과 같이 구조화된 빔을 사용하여 구조화된 빔 검출에 잘 맞춰진다. 일 실시예에서, 광원은 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔을 생성하기 위한 하나 이상의 형성 및/또는 결합 빔 요소를 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 성형 및/또는 결합 광학 요소는 회절 요소, 편광 요소, 강도 변조 요소, 위상 변조 요소 또는 이들의 임의의 조합이다. 일 실시예에서, 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔은 구조화된 비-가우시안 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔은 어두운 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔은 하나 이상의 라인 특이점을 특징으로 하는 빔을 포함한다. 일 실시예에서, 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔은 탑햇(top hat) 구성의 아나모픽(anamorphic) 빔을 포함한다.

시스템 및 방법은 광범위한 검출기 및 검출기 구성과 호환 가능한다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 입사 빔의 광학 축에 대하여 상대적으로 0도에서 20 도 이내의 산란각에서, 선택적으로 입사 빔의 광학 축에 대한 상대적으로 0도에서 5도 이내의 산란각으로, 선택적으로 입사 빔의 광학축에 대한 상대적으로 0도에서 1 도 이내의 산란각으로, 선택적으로 입사 빔의 광학축에 대하여 상대적으로 0도에서 0.5도 이내의 산란각으로, 선택적으로 입사 빔의 광학축에 대하여 상대적으로 0도에서 0.1도 이내의 산란각으로 제공한다. 차동 검출기는 현재 시스템과 방법에서 예를 들어 입사 빔의 일부를 수신하도록 하고 선택적으로 빔 전력는 첫번째와 두번째 활성 영역 사이에서 균일하게 분할하도록 첫번째와 두번째 활성 영역을 정렬하는 구성의 검출기를 사용함으로써 크게 노이즈 감소를 제공하기 위하여 사용 될 수도 있다.

본 발명의 시스템 및 방법은 유체 흐름에서 단일 입자의 검출, 카운팅 및 크기 조정을 포함하여, 흐르는 유체의 입자 검출을 제공한다. 일 실시예에서, 유체는 액체 또는 기체이다. 일 실시예에서, 시스템은 액체 화학 물질 내의 입자를 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 초순수에서 입자의 검출을 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 고압 가스에서 입자의 검출을 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 공기 중의 입자를 검출하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 표면 상의 입자 검출을 위한 것이다.

일부 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 (i) 전자기 방사선의 빔의 초점 깊이를 조정하고, (ii) 빔의 유효 스캐닝 영역을 증가시키고, 및 /또는 (iii) 입자 계수기의 검출기 요소에 의해 생성된 신호 대 노이즈 비를 증가시키는 단계로 단위 시간 당 큰 샘플의 부피를 분석하는 것이다. 기재된 시스템 및 방법은 예를 들어 종래의 광학 입자 계수기에서보다 더 낮은 광선 전력 요건을 사용하여 나노규모 입자(예를 들어, 50 nm 미만, 선택적으로 20 nm 미만, 선택적으로 10 nm 미만)의 검출을 허용할 수 있다.

광학 입자 계수기 빔 또는 레이저의 효과적인 스캐닝 영역을 늘리는 한 가지 방법은 빔이 분석 중인 유체의 더 큰 단면적 영역이나 부피를 효과적으로 스캔하도록 대상 플로우 셀을 통해 광학적 영역을 신속하게 변환하는 것이다. 상기 빔은 플로우 셀, 광학 초점 시스템 또는 전자기 빔을 진동하는 것을 포함한 다양한 방법으로 변환될 수 있다. 진동은 유체 내 입자의 전달 시간(플로우 셀 내 유체의 유량에 기초)보다 더 높은 주파수로 인해 빔에 의해 입자가 누락될 가능성을 줄이거나 제거한다. 진동은 x-방향(측방향으로 z-방향으로 전파되는 빔에 관해서), y-방향(수직으로 z-방향으로 전파되는 빔에 관해서) 및/또는 z-방향(원 경로를 따라)에 있을 수 있다. 오실레이터는 압전 소자와 같이 기술에 알려진 다양한 음향, 전기 또는 기계 장치일 수 있다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 다음과 같이 구성되는: (i)입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐르는 방향을 따라 흐르기 위한 플로우 셀, (ii) 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔인 전자기 방사선의 빔을 제공하기 위한 광원과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, (iii) 플로우 셀 내에서 초점 선원 영역과 같은 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선의 빔의 초점을 맞추기 위한 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템; (iv) 고 방사 밀도의 영역이 플로우 셀의 위치를 변경하도록 플로우 셀을 포커스 시스템에 더 가깝고 멀리 변환하기 위해(즉, z-축 방향으로) 플로우 셀과 조작 가능한 발전자와 같은 이동부; 및 (v) 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사광 방사선과 입자에 의해 전방 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 배치된다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다; 고 방사 밀도의 영역의 위치 변화가 플로우 셀의 더 큰 단면적 영역 및/또는 더 큰 부피의 유체의 입자의 특성화를 허용한다.일부 실시예에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란 각도로, 선택적으로 발생하는 빔의 광학 축에 대하여 0도에서 0.5도 이내에 제공된다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 다음과 같이 구성되는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐르는 방향을 따라 흐르기 위한 플로우 셀, ii) 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔인 전자기 방사선의 빔을 제공하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, iii) 플로우 셀 내에서 초점 선원 영역과 같은 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자파 방사선의 빔의 초점을 맞추기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템; iv) 고 방사 밀도의 영역이 플로우 셀의 위치를 변경하도록 플로우 셀을 포커스 시스템에 측면으로(즉, 프로브 빔 축에 수직인 방향으로) 플로우 셀과 조작 가능한 발전자와 같은 이동부; 및 v) 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사광 방사선과 입자에 의해 전방 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 배치된다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다; 고 방사 밀도의 영역의 위치 변화가 플로우 셀의 더 큰 단면적 영역 및/또는 더 큰 부피의 유체의 입자의 특성화를 허용한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 광 검출기 어레이는 입사광 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란 각도로, 선택적으로 발생하는 빔의 광학 축에 대하여 0도에서 0.5도 이내에, 일부 적용에서, 광검출기는 차동 검출 시스템으로 제공된다.

진동자와 같은 이동부는 주기적 변위를 따라 플로우 셀을 이동시키거나 입자가 고 방사 밀도 영역을 통과하는 데 필요한 시간보다 높은 주파수에서 진동할 수 있다.

분석되는 플로우 셀의 단면적을 증가하기 위해 빔의 프로파일의 부분(전파 빔의 가장 좁은 지점, 따라서 에너지 밀도가 가장 높은 지점)으로 조정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 빔 웨이스트를 측방향(x)으로 확대함으로써 더 높은 단면적 또는 부피가 웨이스트를 통과할 수 있으며, 이는 일반적으로 유체의 입자를 감지하는 데 필요한 에너지 밀도를 제공한다. 면적이 넓어지면 에너지 밀도나 레이저 강도는 감소하지만, 수직 방향(y)으로 빔의 웨이스트를 감소시키면 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우 셀 ii)전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii)전자기 방사선의 빔을 플로우 셀에 집중시키기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템, 여기서 포커스 시스템은 플로우 셀 내의 횡단면에서 x 방향과 y 방향 양쪽의 전자기 빔의 이중 웨이스트를 생성한다; 이중 웨이스트는 y방향보다 x방향으로 더 길다; iv) 광검출기로 전자기 방사빔의 최소 일부를 수집하고 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 흩어지는 전자기 방사빔을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 배치된다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다. 이중 웨이스트는 x 방향의 길이가 2배 이상, 10배, 20배, 50배 이상, 또는 선택적으로 y 방향의 길이가 100배 이상이다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각,및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서0.5도 이내의 산란각으로 제공되며, 선택적으로 일부 적용에서, 광검출기는 차동 검출 시스템이다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우 셀 ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii) 플로우 셀 내에서 집중된 빔 영역과 같은 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선의 빔을 집중하기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템; 및 iv) 광검출기로 전자기 방사빔의 최소 일부를 수집하고 향하게하기 위한 픽셀화된 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 픽셀화된 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 흩어지는 전자기 방사빔을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 배치된다; 여기서 픽셀화된 광검출기의 각 픽셀은 빔 내의 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 해당하는 영역을 가지고 있다; 여기서 픽셀화된 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다. 일부 실시양태에서, 빔 내의 입자 상호작용 신호의 공간적 범위에 해당하는 영역은 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 75% 일치하는 영역을, 선택적으로는 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 90% 일치하는 영역을, 선택적으로는 일부 적용에서는 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 95% 일치하는 영역을 가리킨다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각,및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서0.5도 이내의 산란각으로 제공되며, 선택적으로 일부 적용에서, 광검출기는 차동 검출 시스템이다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우 셀 ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii) 플로우 셀 내에서 집중된 빔 영역과 같은 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선의 빔을 집중하기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션 하는 초점 시스템; iv) 및 적어도 전자기 방사선의 일부를 픽셀화된 광검출기로 수집하고 지시하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 흩어지는 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 배치된다, 여기서 광학 수집 시스템은 전자기 방사선의 빔을 재시준하거나 집중한다; 여기서 픽셀화된 광검출기의 각 픽셀은 빔 내의 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 해당하는 영역을 가지고 있다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각, 및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서0.5도 이내의 산란각으로 제공된다.

입자-빔 상호작용 신호의 이미지는 검출기 빔의 느린 축(긴 축)에서 중요하다. 빔에 있는 신호의 수직 범위는 일부 방법과 응용 분야에서는 덜 중요하다. 신호는 입자가 빔을 통과할 때 상부 및 하부 검출기 요소를 통해 전환된다. 신호 대 노이즈를 최대화하기 위해 느린 축의 입자-빔 상호작용 신호의 공간 범위는 주로 단일 검출기 요소 쌍에 위치할 수 있다. 입자-빔 상호작용 신호를 여러 쌍의 검출기에 분산시키면 측정의 신호 대 노이즈를 줄일 수 있다.

일부 실시예에서, 픽셀화된 광검출기는 픽셀의 하나 이상의 수평 행(예를 들어, 실제 입자를 노이즈와 구별함), 예를 들어 높이가 100픽셀, 20픽셀, 10픽셀, 5픽셀, 3픽셀, 2픽셀 또는 선택적으로 1픽셀인 수평 행에 기초하여 입자를 특성화한다. 차동 검출기를 위해 두 개 이상의 수평 픽셀 행이 사용될 수 있다.

본 명세서에 기재된 시스템 및 방법은 또한 예를 들어 유체 매질의 굴절률에 대한 입자의 굴절률을 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다. 시스템은 측면 산란 검출기를 사용하여 비생물학적 입자와 세포 및 미생물 입자와 같은 생물학적 입자를 구별할 수 있다. 생물학적 입자의 굴절률은 분석되는 유체와 비교적 유사한 경향이 있다. 왜냐하면 세포와 세포 조각에는 많은 비율의 물이 포함되어 있기 때문이다. 따라서 측면 산란 검출기를 포함함으로써 일차 광검출기와 측면 산란 검출기를 모두 작동시키는 검출 이벤트는 방사선이 측면 산란기로 굴절되거나 산란될 때 비생물학적 입자에 해당된다. 그러나 일차 검출기를 트리거하지만 측면 산란을 트리거하지 않는 검출 이벤트는 방사선이 측면 검출기를 향하도록 필요한 범위까지 굴절되지 않기 때문에 생물학적 입자에 해당된다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우셀, ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원빔, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii) 전자기 방사선의 빔을 플로우 셀에 집중시키기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템; iv) 광검출기로 전자기 방사선의 최소 일부를 수집하고 향하게하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 전방 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션에 배치된다; v) 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 측면 산란 검출기; 여기서 상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다; 여기서 측면 산란 검출기는 시스템이 유체와 입자의 굴절률 차이로 인해 입자를 생물학적 또는 비생물학적 특성으로 특징지을 수 있게 한다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각, 및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서0.5도 이내의 산란각으로 제공된다.

본 명세서에 기재된 차등 검출을 사용하는 시스템은 또한 입자의 굴절률이 유체의 굴절률보다 높거나 낮은 것으로 특징지을 수 있다. 금속 입자는 일반적으로 일반 유체보다 굴절률이 낮고 비금속은 유체보다 굴절률이 높기 때문에 이것이 중요하다. 대부분의 금속은 전도성이며 전도성 물질은 반도체 제조 공정의 여러 단계에서 더 유해하므로 금속을 구별하면 더 위험한 입자를 식별하는 데 도움이 된다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우셀, ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원빔, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii) 전자기 방사선의 빔을 플로우 셀에 집중시키기 위한 광원과의 광학적으로 커뮤니케이션에서의 초점 시스템; iv) 적어도 두 개의 검출기 소자로 구성된 광검출기에 전자기 방사선의 일부를 수집하고 지시하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 흩어지는 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션에 배치된다; 여기서 각 검출기 요소는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하고 광검출기는 각 검출기 요소 신호에서 생성된 차동신호에 기초하여 입자를 특성화한다. 여기서 검출기는 입자가 유체보다 낮거나 높은 굴절률을 갖는 것으로 특징짓는다. 검출기는 입자를 금속 또는 비금속으로 구분할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각, 및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 0.5도 이내의 산란각으로 제공된다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 다음과 같은 시스템을 구성하는: i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 흐르게 하는 플로우셀, ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원, 선택적으로 어두운 빔과 같은 구조화된 빔; iii) 전자기 방사선을 플로우 셀에 집중시키기 위한 빔과의 광학적으로 커뮤니케이션에서의 초점 시스템; iv) 광검출기로 전자기 방사선의 최소 일부를 수집하고 지시하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 광검출기는 적어도 두 개의 감지 요소로 구성된다; 여기서 선택적으로 광검출기는 플로우 셀을 통해 전송되는 입사 전자기 방사선과 입자에 의해 흩어지는 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션에 배치된다; 및 v) 광검출기 또는 포커스 시스템에 조작이 가능한 조절기; 여기서 상기 조절기는 광검출기를 움직이거나 초점 시스템을 변경하여 전자기원의 세기가 광검출기의 각 검출 요소에 고르게 분포되도록 한다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다; 빔 수직, 수평 또는 둘 다로 분산될 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내의 산란각, 및 선택적으로 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 0.5도 이내의 산란각으로 제공된다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시트셈이 제공되며, 상기 시스템은 다음과 같이 구성되는: (i) 입자가 포함된 유체를 전자기 방사선의 빔을 통해 흐르는 방향을 따라 흐르게 하는 플로우 셀 (ii) 전자기 방사선의 빔을 공급하기 위한 플로우 셀과의 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원; (iii) 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선의 빔을 집중하기 위하여 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 초점 시스템; 및 (iv) 적어도 전자기 방사선의 일부를 픽셀화된 광검출기로 수집하고 향하게하기 위한 광학 수집 시스템; 여기서 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 적어도 일부에 대해 각 픽셀은 입자-빔 상호작용 신호의 대부분의 에너지를 수집하기에 충분한 면적을 가진다; (v) 여기서 픽셀화된 광검출기는 감지된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되는데 이 시스템은 다음과 같이 구성되는: (i) 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 챔버 (ii) 전자기 방사선의 빔을 제공하기 위해 흐름 챔버와 광학적으로 통신하는 광원 (iii) 플로우 챔버 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선의 빔을 포커싱하기 위한 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템; 및 (iv) 적어도 전자기 방사선의 일부를 픽셀화된 광검출기로 수집하고 향하게하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 적어도 일부에 대해 각 픽셀은 광학 내에서 입자 빔 상호작용 신호의 공간 범위에 해당하는 영역을 가진다; 여기서 픽셀화된 광검출기는 감지된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다.

일 양태에서, 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 다음과 같이 구성되는: (i) 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하는 플로우 셀, (ii) 전자기 방사선의 빔을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원 (iii) 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 전자기 방사선 의 빔을 포커싱하기 위해 광원와 광학적으로 소통하는 포커싱 시스템; 및 (iv) 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 픽셀화된 광검출기 위로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템, 여기서 광학 수집 시스템은 전자기 방사선의 빔을 재시준하거나 집중한다; 여기서 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 최소 부분 동안 각 픽셀은 빔 내의 입자 빔 상호작용 신호의 공간 범위에 해당하는 영역을 가진다; 여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성한다.

조절기는 광검출기에 연결을 사용할 수 있게 광검출기를 변환, 이동, 회전 또는 기울일 수 있다. 조절기는 포커스 시스템에 작동 가능한 거울 또는 렌즈일 수 있으며 전자기 방사선의 빔의 경로를 조정할 수 있다. 조절기는 또한 플로우 셀 또는 광검출기에 광학 빔 전력 밀도를 제공하고 빔 스폿 크기를 조정하며 플로우 셀, 고 방사 밀도의 영역 또는 어떤 조합이든 조정하도록 구성될 수 있다. 여기에 설명된 시스템은 이미저로 구성될 수 있다, 여기서 전자기 방사선의 빔은 이미저 쪽으로 향할 수 있으며 이미저는 최적의 빔 전력 밀도, 최적의 빔 스폿 크기, 플로우 셀, 고 방사 밀도의 최적 영역에 대해 폐쇄 루프 또는 어떤 조합에서든 조절기에게 피드백을 제공한다.

전자기 방사선의 빔은 가우시안(Gaussian) 빔, 구조화된 비기우시안 (non-Gasussian) 빔, 구조화된 어두운 빔 또는 탑햇 (top hat) 구성의 아나모픽(anamorphic) 빔일 수 있다.

본 발명의 시스템은 광학 입자 계수기, 광학 입자 분석기 및 광학 입자 크기 분류기를 포함한다.

광검출기는 최소 두 개의 검출기 요소로 구성될 수 있으며 입자를 나타내는 각 검출기 요소의 개별 신호의 차동 신호를 기반으로 입자를 특성화한다. 설명된 시스템은 차동 신호를 생성 및/또는 분석하기 위한 분석기로 구성될 수 있다. 초점 시스템은 전자기 방사선의 빔을 플로우 셀을 통해 적어도 두 번 지시할 수 있으며 플로우 셀의 입자는 플로우 셀을 통과하는 각 빔의 다른 부분과 상호작용한다. 상기 분석기는 시간 영역에서 차동 신호를 분석할 수 있다. 포커스 시스템은 빔의 편광 상태를 변경하기 위해 1/2 웨이브 플레이트(wave plate), 1/4 웨이브 플레이트 또는 둘 다로 구성될 수 있다.

서술된 시스템은 전자파 방사선 빔을 변조하기 위해 광원과 광학적으로 커뮤니케이션하는 예를 들어 초퍼(chopper)와 같은 변조기로 구성될 수 있다. 변조기의 주파수는 50kHz, 100kHz, 200kHz 또는 선택적으로 500kHz 이상일 수 있다. 광검출기에는 암 전류를 감소시켜 신호 대 노이즈비를 증가시키는 냉각 시스템이 있을 수 있다. 설명된 시스템은 추가로 록-인(lock-in) 증폭기로 구성될 수 있으며, 록-인 증폭기는 변조기의 주파수에 맞게 조정된 대역폭이다.

포커스 시스템은 하나 이상의 회절하는 광학 소자로 구성될 수 있다. 상기 회절하는 광학 소자는 전자기 방사선의 빔의 초점 깊이를 연장시킬 수 있으며, 그로 인해 따라서 플로우 셀 내에서 더 긴 빔의 웨이스트 위치와 고 방사 밀도의 넓은 면적을 생성할 수 있다.

포커싱 시스템은 예를 들어 초고속 가변 초점 렌즈와 같은 플로우 셀에서 초점의 깊이 또는 고 방사 밀도의 영역을 수정하기 위한 가변 초점 렌즈를 포함할 수 있다.

본 명세서에 기재된 다양한 양태는 또한 서로 조합하여 사용될 수 있고, 가능한 다양한 조합이 본 명세서에 구체적으로 개시 되어 있다.

유체 내에서 입자 검출을 위해 설명된 시스템의 다양한 방법들은 또한 여기에 구체적으로 개시되어 있다.

본 발명은 또한 어두운 빔을 포함하는 구조화된 빔과 같은 전자기 방사선의 프로브 빔을 사용하여 유체에서 입자의 크기를 검출, 계수 및/또는 특성화하는 방법을 제공한다. 일부 실시양태에서, 방법은 입자와 함께 유체를 가진 플로우 셀에서 투과 및 전방 산란된 빛을 감지하는 것으로 구성된다. 일부 실시양태에서, 이 방법은 하나 이상의 픽셀 쌍으로 구성된 분할 검출기를 사용한 차등 검출 및/또는 다크 빔과 같은 구조화된 선원을 사용하는 등 차동 검출 구성을 사용하여 플로우 셀에서 투과 및 전방 산란된 빛의 검출로 구성된다. 일부 실시양태에서, 방법은 입자를 갖는 유체를 갖는 플로우 셀로부터 선택적으로, 예를 들어, 산란광 수집 옵션 및 산란광 검출기를 사용하여 산란 광의 축외검출이 추가된 투과 및 전방 산란광의 검출을 포함한다. 본 발명은 또한 변환을 사용하지 않는 시스템에 비해 단위 시간 당 더 많은 양의 샘플링된 유체 양을 달성하기 위해 투과 및 전방 산란광의 검출에 의해 유체 내의 입자 크기를 검출, 계수 및/또는 특성화하는 방법을 제공하여 선택적으로 플로우 셀의 측면 및/또는 z-축을 따라 빠른 변환을 제공한다. 본 발명은 또한 단위 시간당 분석되는 샘플 부피의 개선으로 이어지는 더 많은 입자 변환의 검출을 위한 향상을 제공하여 빔 내 입자 빔 상호 작용 신호의 공간 범위(예: 1.5의 배수 및 선택적으로 1.2의 배수 내)에 해당하는, 선택적으로 픽셀 영역을 갖는 픽셀화된 광검출기(들)를 사용하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의해 유체 내의 입자 크기를 검출, 계수 및/또는 특성화하는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 생물학적과 비생물학적 입자를 구별하기 위해 예를 들어 산란광 수집 옵션 및 산란광 검출기를 사용함으로써 선택적으로 산란광 또는 형광의 추가 축외 검출 포함하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의해 유체 내의 입자 크기를 검출, 계수 및/또는 특성화하는 방법을 제공한다.

한 실시양태에서, 유체 내의 입자 크기를 검출, 계수 및/또는 특성화하기 위한 방법은 다음 단계를 포함한다:(i) 예를 들어 플로우 셀에서 입자를 포함하는 유체의 흐름 제공;(ii) 광원을 사용하여 발생하는 빔, 및 선택적으로 하나 이상의 빔 스티어링 및/또는 구조화된 빔 또는 어두운 빔과 같은 형성 구성요소를 사용하여 전자기 방사선의 빔 생성; (iii) 예를 들어, 빔 스티어링 및/또는 포커싱 시스템과 같은 성형 광학 시스템을 사용하여 플로우 셀을 통해 전자기 방사선의 빔을 통과하여 이에 따라 플로우 셀에 의해 전달되는 전자기 방사선과 플로우 셀의 입자에 의해 전방 산란되는 전자기 방사선을 생성; (iv) 플로우 셀에 의해 전송된 전자기 방사선의 적어도 일부 및 입자에 의해 전방으로 산란된 전자기 방사선을 플로우 셀로부터 하나 이상의 픽셀 쌍을 포함하는 분할된 광학 검출기 어레이와 같은 광학 검출기 어레이로 향하게 함; (v) 플로우 셀에 의해 전송된 전자기 방사선의 일부 및 입자에 의해 전방으로 산란된 전자기 방사선을 검출하여 하나 이상의 신호를 생성, 및 (vi) 차동 신호를 생성 및 분석하는 것과 같이 하드웨어 또는 프로세서(processor)를 사용하여 하나 이상의 신호를 분석하여 입자를 검출 및/또는 분석. 일 실시예에서, 방법의 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선 및 입자에 의해 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 소통하도록 위치된다, 예를 들어, 여기서 산란된 전자기 방사선은 전방 산란된 전자기 방사선을 포함한다. 일 실시예에서, 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선 및 입자에 의해 산란된 전자기 방사선은 보강 및/또는 상쇄 광 간섭을 겪는다. 일 실시예에서, 광 검출기 어레이는 입사광의 광축에 대해 0도에서 5도 이내인 산란 각도로, 선택적으로 일부 적용에서는 입사광의 광축에 대해 0도에서 1도 이내인 산란 각도로, 선택적으로 일부 적용에서는 입사광의 광축에 대해 0에서 0.5도 이내인 산란 각도, 및 선택적으로 일부 적용에서 입사광의 광축에 대해 0에서 0.1도로 제공된다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 입자와 입자에 의해 산란된 전자기 방사선과 조명 파면의 상호작용을 검출하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 소통하도록 제공된다.

임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 여기에 개시된 장치 및 방법과 관련된 기본 원리에 대한 믿음 또는 이해에 대한 논의가 있을 수 있다. 기계론적 설명이나 가설의 궁극적인 정확성에 관계없이, 그럼에도 불구하고 본 발명의 실시예는 작동 가능하고 유용할 수 있다는 것이 인식된다.

도 1은 1a. 도 1b는 예를 들어 어두운 빔과 같은 구조화된 빔, 및 선택적으로 차동 검출 구성을 사용하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 위한 시스템 및 방법의 개략도를 제공한다. 도 1a는 단일 패스 광학 기하학적 구조를 보여주고 도 1b는 이중 패스 광학 기하학적 구조를 보여준다.
도 2는 대물 렌즈와 광학적으로 커뮤니케이션하는 샘플 셀에 작동 가능하게 연결된 진동 이동부를 예시하는 입자 측정 시스템의 구성요소의 투시도를 도시한다.
도 3은 예시적인 픽셀화된 차동 검출기 구성을 도시하는 개략도를 제공한다.
도 4는 상이한 입자 조성을 구별하기 위해 "고전적인 입자 신호의 플리핑 (flipping)"을 나타내는 예시적인 신호를 포함하여 굴절률 측정을 위한 광학 기하 구조 및 검출기 구성을 보여주는 개략도를 제공한다.
도 5는 차동 검출기 정렬의 폐쇄 루프 피드백 제어 (closed loop feedback control)를 제공하기 위한 광학 기하학적 구조 및 검출기 구성을 보여주는 개략도를 제공한다.

다음 설명에서, 본 발명의 정확한 특성의 철저한 설명을 제공하기 위해 본 발명의 장치, 장치 구성요소 및 방법의 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어 및 구는 해당 기술분야에서 인정하는 의미를 가지며, 이는 당업자에게 공지된 표준 텍스트, 저널 참조 및 문맥을 참조하여 찾을 수 있다. 하기 정의는 본 발명의 맥락에서 이들의 특정 용도를 명확히 하기 위해 제공된다.

"입자"는 종종 오염 물질로 간주되는 작은 물체를 나타낸다. 입자는 예를 들어 두 표면이 기계적 접촉 및 기계적 움직임이 있을 때 마찰 작용에 의해 생성되는 모든 물질일 수 있다. 입자는 먼지, 흙, 연기, 재, 물, 그을음, 금속, 산화물, 세라믹, 광물 또는 이들 또는 기타 재료 또는 오염 물질의 조합과 같은 재료의 집합체로 구성될 수 있다. "입자"는 또한 생물학적 입자, 예를 들어 바이러스, 포자 및 박테리아, 진균, 고세균, 원생생물, 기타 단세포 미생물을 포함한 미생물을 의미할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어 생물학적 입자는 0.1-15 μm 범위의 크기 치수(예: 유효 직경), 선택적으로 0.5-5 μm 범위의 일부 적용을 특징으로 한다. 입자는 빛을 흡수, 방출 또는 산란하여 광학 입자 계수기로 감지할 수 있는 작은 물체를 의미할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "입자"는 캐리어 유체, 예를 들어 물, 공기, 공정 액체 화학물질, 공정 가스 등의 개별 원자 또는 분자를 배제하도록 의도된다. 일부 실시양태에서, 입자는 미세 가공 설비의 도구 표면과 같은 표면에 처음에 존재할 수 있으며, 표면에서 유리되고 후속적으로 유체에서 분석될 수 있다. 일부 시스템 및 방법은 유효 직경이 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 50 nm, 100 nm, 500 nm, 1 mm 이상 또는 10 mm 또는 그 이상인 물질의 집합체를 포함하는 입자를 검출한다. 본 발명의 일부 실시양태는 10 nm 내지150 mm, 선택적으로 일부 적용에 대해 10 nm 내지 10 mm, 선택적으로 일부 적용에 대해 10 nm 내지 10 mm, 선택적으로 일부 적용에 대해 10 nm 내지 1 mm의 범위로부터, 선택적으로 일부의 적용에서는 10 nm 내지 0.5 mm가 선택된 유효 직경과 같은 크기 치수를 갖는 입자를 검출한다.

"입자 검출"이라는 표현은 유효 직경과 같은 크기 차원과 관련하여 입자를 특성화하는 것과 같이 입자의 존재를 감지, 확인, 계수 및/또는 특성화하는 것을 광범위하게 지칭한다. 일부 실시양태에서, 입자를 검출하는 것은 입자를 계수하는 것을 지칭한다. 일부 실시양태에서, 입자를 검출하는 것은 유효 직경, 단면 치수, 형상, 크기, 공기역학적 크기, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 입자의 물리적 특성을 특성화 및/또는 측정하는 것을 지칭한다. 일부 실시양태에서, 입자의 검출은 0.05 CFM 내지 10 CFM, 선택적으로 일부 적용에 대해 0.1 CFM 내지 5 CFM 및 선택적으로 일부 적용에 대해 0.5 CFM의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 기체와 같은 유동 유체에서 수행된다. 일부 실시양태에서, 입자의 검출은 1 내지 1000 mL/min의 범위에 걸쳐 선택된 체적 유량을 갖는 액체와 같은 유동 유체에서 수행된다.

"광학 입자 계수기" 또는 "입자 계수기"는 상호 교환적으로 사용되며 일반적으로 유체 흐름에서 입자를 분석하여 입자를 감지하기 위해 광학 감지를 사용하는 입자 감지 시스템을 나타낸다. 광학 입자 계수기는 액체 입자 계수기 및 에어로졸 입자 계수기를 포함하며, 예를 들어 유체 흐름에서 개별 단일 입자를 감지하는 시스템을 포함한다. 광학 입자 계수기는 빔이 모든 입자와 상호 작용하고 플로우 셀로부터 산란(정방향 및/또는 측면 산란), 방출 및/또는 투과 하는 빛을 입자를 감지하는 기반으로 분석 영역 또는 볼륨에 전자기 방사선(예: 레이저)의 프로브 빔을 제공한다. 검출은 입자에 의해 산란, 흡수, 가려지거나 방출되는 전자기 방사선에 초점을 맞출 수 있다. 예를 들어, 단일 감지 요소(예: 광다이오드, 광전자 증배관 등), 분할 감지기를 포함하는 감지기 어레이, 카메라, 다양한 감지기 방향 등을 포함하여 광학 입자 계수기를 위한 다양한 검출기가 당업계에 알려져 있다. 광학 입자 계수기는 응결 입자 계수기, 응결 핵 계수기, 분할 빔 차동 시스템 등을 포함한다. 응축 입자 계수기와 관련하여 사용되는 경우 입자 계수기 부분은 일반적으로 검출 시스템 또는 그 구성 요소를 나타낸다 (예, 전자기 방사선의 빔, 광학, 필터, 광학 수집, 검출기, 프로세서 등). 일 실시예에서, 예를 들어, 광학 입자 계수기는 전자기 방사선의 빔을 생성하기 위한 빔, 빔 스티어링 및/또는 빔을 유체 샘플이 흐르는 영역, 예를 들어 플로우 셀을 통해 흐르는 액체 또는 가스로 향하게 하고 초점을 맞추기 위한 형성 광학 장치를 포함한다. 일반적인 광학 입자 계수기는 상기 플로우 셀과 광 소통하는 광학 검출기 어레이, 및 빔을 통과하는 입자에 의해 산란, 전달 또는 방출되는 전자기 방사선을 수집하고 상상하기 위한 수집 광학와 같은 광검출기로 구성된다. 입자 계수기는 판독을 위한 전자 및/또는 프로세서 구성 요소, 전류-전압 이동부를 포함하여 광검출기에 의해 생성된 전기 신호의 신호 처리 및 분석, 펄스 높이 분석기, 및 신호 필터링 및/또는 증폭 전자 장치를 추가로 포함할 수 있다. 광학 입자 계수기는 또한 예를 들어서 체적 유량을 특징으로 하는 유량 생성용 플로우 셀의 검출 영역을 통해 입자를 포함하는 유체 샘플을 수송하기 위한 흐름을 생성하기 위한 펌프, 팬 또는 송풍기와 같은 유체 작동 시스템을 포함할 수 있다. 하나 이상의 가스를 포함하는 샘플에 대한 유용한 유속에는 0.05CFM ~ 10CFM 범위, 선택적으로 일부 적용에서는 0.1 CFM ~ 5CFM 및 선택적으로 일부 적용에서는 0.5 CFM ~ 2FM에서 선택된 유속이 포함된다. 하나 이상의 액체로 구성된 샘플에 유용한 유속에는 1 ~ 1000mL/min 범위에서 선택된 유속이 포함된다.

"입자의 간섭계 검출"이라는 표현은 하나 이상의 입자를 검출하기 위해 광학 간섭을 사용하는 시스템 및 방법을 지칭한다. 일부 실시예에서, 전자기 방사선의 간섭성 빔은 전자기 방사선의 적어도 일부와 상호작용하는 입자의 크기 특성화를 감지, 계수 및/또는 결정하기 위해 광학 간섭을 야기하도록 중첩된다.

"구조화된 빔 검출"은 비가우시안 강도 분포를 갖는 구조화된 전자기 방사선의 빔은 입자를 포함하는 플로우 셀을 통과하고 입자를 감지, 계수 및/또는 특성화하기 위해 광학 검출기 어레이를 사용하여 검출하는 시스템 및 방법을 지칭한다.

"어두운 빔 검출"은 예를 들어 중심선의 세기 감소와 같이 감쇠된 세기 영역을 갖는 공간 세기 프로파일을 갖는 전자기 방사선의 어두운 빔은 입자를 포함하는 플로우 셀을 통과하고 입자를 감지, 계수 및/또는 특성화하기 위해 광학 검출기 어레이를 사용하여 검출하는 시스템 및 방법을 지칭한다.

통계적으로 유의미한 데이터를 제공하는 방식으로 청정 유체 및 초청정 유체에서 작은 입자(예: 100nm 미만 유효 직경)를 검출하고 계수하려면 높은 신호 대 잡음비(S/N 또는 SNR로 약칭)가 필요하다. 높은 신호 대 잡음비는 나노 입자가 노이즈 플로어 위에서 명확하게 감지되도록 한다. 여기에서 사용된 "통계적으로 유의미한 데이터"는 유체의 오염 수준을 정확하게 평가할 수 있도록 단위 시간당 충분한 입자의 검출을 의미한다. 일부 실시예에서, 높은 S/N은 크기 정확도와 직접적인 관련이 없다. 예를 들어, 일부 광학 입자 계수기에서 광학의 웨이스트는 플로우 셀 채널의 작은 부분을 차지하고, 따라서, 이 접근 방식은 입자가 방사조도가 중심보다 작은 빔의 가장자리를 통과할 수 있도록 전체 흐름의 하위 집합을 모니터링 한다. 50nm 입자가 빔의 바깥쪽 가장자리를 통과하면 빔의 중심을 통과하는 10nm 입자와 유사한 신호를 생성할 수 있다. 따라서 일부 광학 입자 계수기는 S/N이 높고 2nm 입자를 감지할 수 있지만 사이징 정확도가 그리 좋지 않은 경우가 있다. 현재의 광학 입자 계수기 및 방법 중 일부에서 목표는 최단 시간에 초고순도 유체의 오염 수준에 대한 정량적이고 통계적으로 건전한 평가를 제공하기에 충분한 입자를 계산할 수 있도록 하는 것이다. 예를 들어, 최첨단 초순수 시스템 모니터링 때, 최신 입자 계수기는 통계적으로 적절한 농도(허용되는 상대 표준 편차)를 제공하기에 충분한 입자를 계수하는 데 최대 40분이 소요될 수 있다. 현재의 시스템과 방법을 통해 높은 S/N을 개선하고 유지함으로써, 통계적으로 허용되는 최소 입자 수를 측정하는 데 필요한 시간 간격을 10배 이상 줄일 수 있다. 이는 사용자가 공정 제어 한계로부터의 편차를 보다 신속하게 식별할 수 있도록 하여 가치를 제공한다.

"높은 신호 대 잡음비"라는 표현은 작은 물리적 치수(예를 들어, 200 nm 이하의 유효 직경, 선택적으로 100 nm 이하의 일부 실시양태 및 선택적으로 50 nm 이하의 일부 실시양태에 대해)를 특징으로 하는 입자를 포함하는 유체 흐름에서 입자의 정확하고 민감한 감지에 충분한 광학 입자 감지 시스템의 신호 대 노이즈를 나타낸다. 일 실시예에서, "높은 신호 대 노이즈비"는 유효 직경이 20 nm 이하인 입자, 선택적으로 일부 적용에서 10 nm 이하인 입자 및 선택적으로 일부 적용에서 직경이 1 nm 이하인 갖는 입자들과 같은 작은 물리적 차원을 특징으로 하는 입자를 감지하기에 충분히 높은 신호 대 노이즈비를 말한다. 일 실시예에서, 1-1000 nm 범위에서 선택된 유효 직경을 갖는 입자 검출을 위해 "높은 신호 대 잡음비"는 50 counts/L 이하의 오검출로 입자를 정확하게 탐지하고 계수하기에 충분히 높은 신호대 노이즈비를 의미한다. 일 실시예에서, "높은 신호 대 잡음비"는 기존의 광학 입자 계수기에서보다 적어도 10배 적은 시간 프레임에서 통계적으로 허용되는 최소 입자 수를 제공하기에 충분히 높은 신호 대 잡음비를 의미한다.

"차동 검출"이라는 표현은 전방 축 검출기 쌍에서 차동 신호를 사용하는 기술 및 시스템을 예를 들어 입사광의 광축에 대해 0도에서 0.5도 이내의 산란각에서, 선택적으로 일부 적용에서 입사광의 광축에 대해 0도에서 0.1도 이내의 산란각에서, 선택적으로는 0도 또는 그 근처를 나타낸다. 최소 2개의 픽셀을 사용하여 차동 신호(예를 들어, 하나의 상부(또는 상부) 및 하나의 하부(또는 하부))를 생성함으로써 차동 검출을 위한 단일 픽셀 쌍을 형성할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 픽셀 쌍을 따라서 픽셀 쌍의 복수를 사용하여, 포함하는 분할된 차동 검출기와 같은 차동 검출기의 각각의 활성 검출기 영역(예를 들어, 상부 활성 영역 및 하부 활성 영역)에 대해 픽셀의 복수로 사용될 수 있다. 여기서 각 픽셀 쌍의 하나의 픽셀은 상단 활성 검출기 영역에 해당하고 각 픽셀 쌍의 다른 픽셀은 하단 활성 영역에 해당한다. 픽셀 쌍의 수는 예를 들어 1에서 500픽셀까지이며 선택적으로 일부 적용의 경우 50에서 100픽셀이다. 일부 실시예에서, 차동 신호는 상반부 및 하반부와 같은 분할된 검출기 어레이의 상이한 활성 영역에 대응하는 픽셀 쌍으로부터의 신호를 차동적으로 추가함으로써 생성된다. 차동 검출은 노이즈의 감소 및 이에 따라 향상된 신호 대 노이즈비를 제공하기 위해 본 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 차동 검출은 상기 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선과 플로우 셀의 유체 흐름에서 하나 이상의 입자(들)에 의해 전방으로 산란된 전자기 방사선의 조합의 검출에 사용된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 입사광의 분포는 차동 검출기의 첫번째 및 두번째 활성 검출 영역(예를 들어, 상반부 및 하반부) 사이에서 균형을 이루는 전력 분포를 갖는다. 첫번째 및 두번째 활성 검출 영역은 10% 이내, 선택적으로 일부 선택의 경우 5% 및 선택적으로 일부 적용의 경우 1% 이내인 입사 복사 전력을 특징으로 한다. 차동 검출은 예를 들어 입자가 존재하지 않을 때(즉, 입자로부터 산란이 없는 경우) 차동 신호의 잡음 진폭 평가를 기반으로 하는 폐쇄 루프 제어를 갖는 기술 및 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 조향 미러는 차동 신호의 잡음 레벨을 감소 또는 최소화하기 위해 검출기 상의 입사 빔 위치를 조정하는 데 사용되며, 이는 빔 전력이 제1 및 제2 능동 검출기 소자(예를 들어, 검출기의 상부 및 하부 소자) 사이에서 균일하게 분할될 때 발생할 수 있다. 폐쇄 루프 제어(close loop control)는 검출기 위치를 변환하고 검출기를 회전시켜 빔 및 검출기 축을 정렬하여 차동 신호의 노이즈 레벨을 줄이거나 최소화함으로써 달성할 수도 있다.

"구조화된 빔"은 가우스가 아닌 공간 강도 분포를 갖는 간섭성 전자기 방사선(예: 레이저)의 빔을 나타낸다. 어두운 빔, 어두운 선 특이점이 가진 초점이 있는 빔, 둘 이상의 개별 세기 (lobes)과 같은, 구조화된 빔에는 감쇠 영역이 특징인 빔이 포함된다. 일 실시예에서, 구조화된 빔은 TEM01과 같은 가로 모드에 해당한다. 구조화된 빔에는 집중, 합성, 레이저 빔이 포함된다. 구조화된 빔 및 어두운 빔은 광학 마스크 사용, 레이저 캐비티(cavity), 다중 광학 결합, 공간 및/또는 편광 필터 및 간섭계 또는 편광 수정 방식과 같은 기타 조작을 포함하는 기술에 의해 생성될 수 있다.

"빔 전파 축"은 전자기 방사선의 빔의 진행 방향에 평행한 축을 의미한다.

"광학적으로 하는 커뮤니케이션"은 구성요소 사이에서 빛이 전달되도록 하는 방식으로 배열된 구성요소를 지칭한다. 광학적인 커뮤니케이션에는 여기서 빛이 직접적으로 요소들을 지나가고 두 요소들이 직접적으로 광학적으로 커뮤니케이션하는 구성과 렌즈, 거울, 창, 필터 등과 같은 하나 이상의 추가적 요소를 통해 빛이 요소 사이를 이동하고 두 요소가 간접적으로 광학적으로 커뮤니케이션하는 구성으로 포함된다.

"광학 축"은 전자기 방사선이 시스템을 통해 전파되는 방향을 지칭한다.

"광학 검출기 어레이"는 검출기의 활성 영역에 걸쳐 2차원으로 입력 신호(예: 전자기 방사선)를 공간적으로 분해하기 위한 광학 검출기를 의미한다. 광학 검출기 어레이는 이미지, 예를 들어 검출기의 활성 영역 상의 강도 패턴에 대응하는 이미지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 광학 검출기 어레이는 본 명세서에서 픽셀로도 지칭되는 개별 검출기 요소의 어레이를 포함하고; 예를 들어: 광검출기의 2차원 어레이, 전하 결합 소자(CCD) 검출기, CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 검출기, 금속 산화물 반도체(MOS) 검출기, 활성 픽셀 센서, 마이크로채널 플레이트 검출기(microchannel plate detector), 또는 포토다이오드(photodiode)의 2차원 어레이가 언급된다.

"광원"은 전자기 방사선을 시료에 전달하기 위한 장치 또는 장치 구성 요소를 나타낸다. 이 용어는 눈으로 볼 수 있는 빛의 빔과 같이 가시광선에 국한되지 않고, 가시광선, 자외선 및/또는 적외선을 포함하는 모든 전자기 방사선을 포함하는 넓은 의미로 사용된다. 광원은 몇 가지 예를 들면 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 다이오드 레이저 펌핑 고체 상태 레이저, LED, LED 어레이, 기상 레이저, 고체 상태 레이저와 같은 레이저 또는 레이저 어레이로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 광원은 예를 들어 광학 입자 계수기에서 프로브 빔을 생성하기 위해 전자기 방사선의 하나 이상의 간섭성 빔을 생성하기 위한 것이다. 일 실시예에서, 광원은 빔 형성 시스템, 위상 마스크, 빔 결합기, 편광 제어기, 파장 판, 또는 광학 입자 계수기의 프로브(probe) 빔을 제공하기 위해서 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 생성하기 위한 다른 부품과 같은 하나 이상의 부품을 포함할 수 있다.

"전자기 방사선" 및 "빛"이라는 용어는 본 설명에서 동의어로 사용되며 전기장 및 자기장의 파동을 나타낸다. 본 발명의 방법에 유용한 전자기 방사선은 자외선, 가시광선, 적외선, 또는 약 100 나노미터 내지 약 15 미크론의 파장을 갖는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

"높은 종횡비" 빔은 10:1 내지 200:1 범위로부터 선택된 종횡비를 갖는 구조화된 빔 또는 어두운 빔을 포함하는 레이저 빔과 같은 광학 빔을 지칭한다.

본 시스템 및 방법은 예를 들어, 어두운 빔과 같은 구조화된 빔, 및 중요한 성능의 이점을 제공하기 위해 차동 검출 구조를 사용함으로써 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정 광학 입자 검출을 향상시키기 위한 능동 및/또는 수동 구성요소를 (i) 작은 입자의 감지 및 크기 특성화를 위한 높은 신호 대 노이즈 및 향상된 감도 제공 (예, ≤ 10미크론, 또는 선택적으로 ≤ 1미크론 또는 선택적으로 ≤ 500나노미터의 유효 측면 치수(예, 지름)) (ii) 시간 및/또는 시간의 함수로 분석된 샘플 유체의 양 증가 (iii) 위양성 표시 억제를 포함하여 통합한다

도 1은 예를 들어 어두운 빔과 같은 구조화된 빔 및 차동 검출 구조를 사용함으로써 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정을 통한 입자 검출을 위한 시스템의 개략도를 제공한다. 도1에 도시된 바와 같이, 입자 검출 시스템 (200)은 입자를 포함하는 유체가 이동하기 위한 플로우 셀 (210) 플로우 셀 (210)을 포함한다 (입자를 가진 기체 또는 액체 흐름과 같은 플로우 셀 (210) 내의 원으로 개략적으로 도시됨). 레이저 소스와 같은 광원(220)은 플로우 셀 (210)에 제공되는 어두운 빔을 포함한 구조화된 빔과 같은 프로브 빔을 생성하기 위한 빔 스티어링 및 형성 시스템 (221) 전자기 방사선을 발생한다. 프로브 빔은 플로우 셀 (210)을 통과하고 프로세서 (101)에 아웃풋 (output) 신호 프로세서 (101)와 통신하는 한 개 이상의 픽셀을 구성하는 1D 또는 2D 광학 검출기 (240A 및 240 B)와 같은 축상 빔 검출기 어레이 (240)을 통해 검출된다. 광학 검출기 어레이 (240) 및/또는 프로세서 (101)는 예를 들어 개별 분할 검출기 영역은 각각 어두운 빔과 같은 구조화된 빔의 서로 다른 강도 로브(lobes) 위에 위치하는 구조로 차동 검출을 제공할 수도 있다.

프로세서 (101)은 예를 들어, 계수 및/또는 크기 특징을 정하는 것과 같이 입자의 검출을 제공하기 위해 분할된 1D 또는 2D 광학 검출기 (240A 및 240B)로부터 온 신호를 결합하여 차동 신호의 발생 및 분석을 통해 광학 검출기 어레이 (240) 아웃풋 (output) 신호를 수신하고 분석한다. 일 실시예에서, 발전기, 디스플레이서 (displacer), 압전 소자 등과 같은 하나 이상의 이동부 (205)는 단위 시간당 더 많은 샘플 부피를 달성하기 위해, 측면으로(예, 입사 프로브 빔의 축에 직교하는 방향으로) 및/또는 z-축(예, 광원과 검출기 사이의 빔 축을 따라 및/또는 입사 프로브 빔의 축을 따라)으로 플로우 셀의 신속한 변환(예, 빔을 통과하는 입자의 평균 속도보다 최소 2배 빠른 평균 이동 속도에서)을 제공하기 위해 플로우 셀 (210)에 작동 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 상기 광학 검출기 어레이 (240)은 입사광의 광학 축의 0도 에서5도 내로, 선택적으로는 입사광의 광학 축의 0도 에서 0.5도 내로, 선택적으로는 입사광의 광학 축의 0도 에서 0.1도 내로 산란각도에 의해 제공된다.

광학 검출기 어레이 (240)의 검출기 축 및 프로브 빔 (222)의 빔 개시 축에 대비하여 벗어난 위치에 위치한 광학 측면 산란 광검출기 (268) 및 측면 산란 수집 광학 (267)은 또한 도 1a에 도시되어 있다. 하나 이상의 렌즈 및/또는 거울과 같은 측면 산란 수집 광학계(267)는 플로우 셀 (210) 및 프로브 빔의 입자와의 상호작용으로 인한 축외 산란광을 수신하도록 위치한다. 측면 산란 수집 빔 (267)은 입자(들)를 검출 및/또는 특성화하기 위한 분석을 위해 프로세서 (101)에 출력 신호(들)을 제공하도록 통신하는 최소한의 측면 산란 광검출기(268)에 수집된 산란광의 일부를 향하게 하고 선택적으로 이미지화 한다. 축상 차동 검출 및 축외 측면 산란 검출의 조합을 통합하는 실시예는 입자를 생물학적 또는 비생물학적 입자로 특성화하는 데 특히 유용한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 프로세서(101)는 입자가 생물학적 입자인지 비생물학적 입자인지 결정하기 위해 축상 광학 검출기 어레이(240) 및 측면 산란 광검출기(268)로부터의 신호를 비교한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 측면 산란 광검출기(268)의 작은 출력 신호 또는 축상 광학 검출기 어레이 (240)로부터 측정 가능한 신호를 수반하면서 측면 산란 광검출기(268)의 측정 가능한 신호 부족은 미생물 입자와 같은 생물학적 입자를 나타낸다.

도 1b는 예를 들어 어두운 빔과 같은 구조화된 빔을 사용하여 투과 및 전방 산란광의 검출에 의한 축상 입자 측정의 입자 검출을 위한 대안 시스템의 개략도 및 차동 검출 구성을 제공한다. 여기서 광학 기하학적 구조는 이중 패스 광학 기하학적 구조를 제공하도록 설정된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 광원(220), 빔 스티어링 및 형성 시스템(221), 플로우 셀(210), 한 쌍의 검출기 어레이 및 이동부(205)를 포함하는 광학 검출기 어레이(240)를 포함한다. 또한 빔 스플리터(265)와 거울(275)이 포함되어 이중 패스 광학 형상을 제공한다. 선택적으로, 빔 스티어링 및 형성 시스템(221)은 플로우 셀 (210)에서 제공된 10:1 ~ 200:1 범위에서 선택한 화면비를 특징으로 하는 빔과 같은 고종횡비 빔을 제공한고, 광학 검출기 어레이(240)는 한 쌍의 검출기 어레이를 포함하는 한 쌍의 검출기 어레이로 구성된다(240A 및 240B, 검출기(240) 내의 위치에서 확장되고 명확성을 위해 입자 검출 이벤트에 대응하는 예시적인 신호 옆에 있는 입자 검출 개략도 아래에 별도로 개략적으로 예시됨). 광학 검출기 어레이(240)는 차동 검출을 제공하도록 구성될 수 있으며, 선택적으로 쌍을 이루는 검출기 어레이(240A 및 240B)는 다크 빔과 같은 구조화된 빔의 강도 로브 위에 위치한다. 일부 실시예에서, 발전기, 디스플레이서(displacer), 압전 소자 등 하나 이상의 이동부(205)는 플로우 셀(210)에 작동 가능하게 결합되어 플로우 셀의 측면(예를 들어, 빔을 통과하는 입자의 평균 속도보다 2배 빠른 평균 이동 속도에서) 및/또는 z-축으로의 신속한 이동이동(광원과 검출기 사이의 빔 축을 따라 및/또는 입사 프로브 빔의 축을 따라)을 제공하여 단위 시간당 더 큰 샘플 유체 체적을 달성한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 상기 광학 검출기 어레이는 입사광의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내인 산란 각으로 제공되고, 선택적으로 입사광의 광학 축에 대한 0도에서 0.5도 이내인 산란 각으로 제공된다.

도 1b는 또한 플로우 셀의 빔을 통과하는 입자에 대한 함수 시간(또는 빔을 통한 입자 궤적)으로서 개별 쌍을 이루는 검출기 어레이(240A 및 240B)의 신호를 보여주는 광 검출기 어레이의 대표적인 신호를 보여준다. 여기서 실선은 검출기 어레이(240A)로부터의 신호이고 점선은 검출기 어레이(240B)로부터의 신호이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 개별 쌍을 이루는 검출기 어레이(240A 및 240B)로부터의 신호는 각각 최소값 및 최대값을 특징으로 하고 서로에 대해 반전된다. 개별의 쌍 검출기 어레이 (240A 및 240B) 신호들은 예를들어 입자의 크기, 광학 특성 (예: 굴절률) 및 구성에 대한 정확한 정보를 제공하기 위해 분석할 수 있는 차동 신호와 같은 신호를 제공하기 위해 차동 덧셈, 뺄샘, 곱셈 등을 통해 결합될 수도 있다.

묘사된 광학 기하학적 구조는 예를 들어 플로우 셀에서 전송된 빛과 플로우 셀의 입자에서 산란된 전방 광의 조합을 포함하여 감도를 돕는 빔의 보강 및 상쇄 간섭을 허용한다. 이중 패스 광학 기하학적 구조 및 차동 검출의 사용은 작은 입자(예: 유효 치수가 100nm 미만, 선택적으로 50nm 미만 및 선택적으로 20nm 미만)의 검출을 위한 감도 및 정확도에 도움이 된다. 고종횡비 빔의 사용은 입자를 검출할 할 수 있는 샘플 부피를 증가하여 단위 시간당 모니터링할 수 있는 샘플의 양이 증가한다.

도 2는 대물 렌즈와 광학적으로 통신하는 샘플 셀에 작동 가능하게 연결된 발진 이동부를 포함하는 입자 측정 시스템의 구성요소의 투시도를 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 대물렌즈(300)는 구조화된 빔과 같은 빔(320)을 광원(220)에서 측면 방향(330)을 따라 플로우 셀(210)을 이동 시키는 발진 이동부 (310)를 포함하는 이동부 작동적으로 결합된 플로우 셀(210)로 안내하고 초점을 맞춘다. 이는 고 방사 밀도 영역이 플로우 셀의 위치를 변경하여 단위 시간당 분석된 유체의 부피가 증가하도록 하여 입사 빔의 전파 축에 해당하는 z-축(331)에 선택적으로 수직한다. 일부 실시예에서, 이동부(310)는 z-축(331)을 따라 유동 셀(210)의 이동이동을 단위 시간당 분석된 유체의 부피 증가 가능을 가능하게 하는 고 방사 밀도 영역이 플로우 셀의 위치를 변경하는 방법으로 제공한다. 플로우 셀에 의해 전달된 전자기 방사선 및 플로우 셀의 입자에 의해 전방 산란된 전자기 방사선은 예를 들어 축상 차동 감지 시스템을 사용하여 분할된 1D 또는 2D 광학 감지기(240A 및 240B)와 같은 광학 검출기 어레이(240)에 의해 감지된다.

도 3은 픽셀화된 차동 검출기 구성을 사용하는 예시적인 이미지 검출기를 보여주는 개략도를 제공한다. 도 3의 섹션 1은 상위 활성 영역 (“상반부”)와 하위 활성 영역 (“하반부”) 픽셀화된 검출기에서 이미징된 빔의 개략도를 제공한다. 여기서 빔의 에너지는 ± 1 % ~ 5% 이내 상단 및 하단 검출기 절반 사이에 고르게(각각 50%) 분포되어 있다. 빔 에너지는 두 활성 영역에 걸쳐 균형을 이루므로 상관-레이저 노이즈는 차동 감지를 사용하여 적어도 부분적으로 제거된다. 또한, 신호에 대한 픽셀의 크기 조정(즉, 신호의 공간적 범위)은 예를 들어 높은 신호 대 잡음비를 제공하기 위해 신호 대 잡음비를 최적화한다.

도 3의 섹션 2는 입자가 플로우 셀의 빔으로 들어가는 조건, 예를 들어 바닥에서 빔으로 통과하는 조건에 대응하는 픽셀화된 검출기에서 이미징된 빔의 개략도를 제공한다. 도 3의 섹션 2에 도시된 바와 같이, 픽셀화 된 감지기의 상단 절반에 대해 밝은 프린지가 하나 또는 픽셀의 하위 집합에서 관찰 되고 픽셀 화 된 감지기의 아래쪽 절반에 대 한 하나 또는 픽셀의 하위 집합에서 어두운 프린지가 관찰 된다. 도 3의 섹션 3은 입자가 플로우 셀에서 빔의 웨이스트의 상단을 통해 이동하는 조건에 해당하는 픽셀화된 검출기에서 이미징된 빔의 개략도를 제공한다. 도 3의 3절에 나타난 바와 같이, 픽셀화된 감지기의 상단 절반에 대해 하나 또는 픽셀의 하위 집합에서 어두운 프린지가 관찰되고 픽셀화된 감지기의 하위 절반에 대해 하나 또는 픽셀 하위 집합에서 밝은 프린지가 관찰된다. 이 구성에서 차동 신호는 검출기에서 전력의 분수 변동에 의해 구동된다. 픽셀 크기가 증가함에 따라 입자가 빔과 교차할 때 분수 변동이 감소한다. 픽셀이 너무 작아지면 분수 변동이 동일하게 유지되더라도 검출기의 전원이 떨어지고 신호 진폭이 낮아진다. 따라서 이 트레이드 오프(trade off)를 반영하는 중간에 최적이 있다.

도 4는 차동 신호(500), 차동 검출기의 상부 절반으로부의 필셀 또는 픽셀의 서부세트로부터의 상부 신호(510) 및 차동 검출기의 하단 절반 픽셀 또는 픽셀 하위 집합의 하부 신호를 포함하는 입자의 차동 검출을 사용하여 달성되는 시간의 함수로서 예시적인 신호를 보여주는 개략도를 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 차동 신호(500)는 하부 신호(520)와 상부 신호(510)를 차등적으로 더하여 생성된다. 이러한 방식으로 상위 신호(510) 및 하위 신호(520)에서 차동 신호(500)를 유도함으로써 노이즈의 동시 감소는 상관 차동 노이즈 제거를 통해 실현되어 전체 신호 대 노이즈비를 향상시킨다.

차동 신호(500)는 입자의 유효 크기 치수(들) 및 광학 특성(예: 굴절률)에 대한 정보 및 굴절률과 같은 서로 다른 입자 광학 특성을 구별하여 입자 구성에 대한 정보 제공하기 위해 분석될 수 있다. 이 개념을 설명하기 위해 (i) 폴리스티렌 라텍스(PSL) 대 (ii) 금 나노입자와 같이 굴절률과 조성이 다른 입자의 검출을 비교한다. PSL 입자는 물의 굴절률인 1.33보다 큰 1.59의 굴절률을 갖는다. 따라서 빔이 통과하면서(예를 들어, 도 4의 2절에 해당하는 상황), 밝은 프린지는 차동 검출기의 상반부에서 관찰되고, 어두운 프린지는 차동 검출기의 하반부에서 관찰되고, 빔이 웨이스트를 지나갈 때(예를 들어, 도4의 3절), 어두운 프린지는 차동 검출기의 상반부에서 관찰되고, 밝은 프린지는 차동 검출기의 하반부에서 관찰된다. 반면에 상기 프로브 빔의 파장에서 물보다 낮은 굴절률을 갖고 있는 금 나노입자가 이전 차동 검출방법의 실시예로 분석된다면, PSL 입자에 대비하여 반대의 신호가 관찰된다. 여기서 빔이 들어가면서(예를 들어, 도 4의 2절에 해당하는 상황), 어두운 프린지는 차동 검출기의 상반부에서 관찰되고, 밝은 프린지는 차동 검출기의 하반부에서 관찰되고, 빔이 웨이스트를 지나갈 때(예를 들어, 도4의 3절), 밝은 프린지는 차동 검출기의 상반부에서 관찰되고, 어두운 검출기는 차동 검출기의 하반부에서 관찰된다. 이러한 방식으로, 차동 신호에서 관찰되는 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬의 순서와 위치를 사용하여 본 방법으로 분석된 입자의 굴절률(및 조성)을 특성화할 수 있다.

분할된 검출기를 포함하는 1D 및 2D 검출기는 특정 실시예에서 차동 검출에 유용하다. 1D 분할 검출기의 경우 일부 애플리케이션에 두 가지 옵션이 유용하다: 두 개의 인접한 픽셀이 단일 쌍의 상부 및 하부 픽셀로 사용될 수 있도록 검출기 세그먼트를 빔을 통한 입자 통과에 대해 수직 또는 평행하게 배향하거나; 또는 빔에 90도 각도로 두 개의 1D 감지기를 장착하고 나이프 에지 프리즘을 사용하여 빔의 상단 절반을 하나의 1D 감지기로 보내고 하단 절반을 두 번째 1D 감지기로 보낸다. 픽셀 쌍의 수는 예를 들어 1에서 500픽셀까지이며 선택적으로 일부 응용 프로그램의 경우 50에서 100픽셀이다. 10 내지 500 미크론의 범위로부터 선택된 픽셀 폭은 특정 실시예에서 그리고 선택적으로 50 내지 100 미크론의 범위로부터 선택된 일부 응용에 유용하다.

도 5는 예를 들어 검출기의 2개의 활성 영역(예를 들어, 상반부 및 하반부)에 걸쳐 빔 에너지의 균형을 맞추기 위해 차동 검출기 정렬의 폐쇄 루프 피드백 제어를 제공하기 위한 광학 기하학적 구조 및 검출기 구성을 보여주는 개략도를 제공하므로 레이저 노이즈는 차동 감지를 사용하여 적어도 부분적으로 제거된다. 특정 실시예에서 폐쇄 루프 피드백 제어의 사용은 정렬 드리프트를 수정하고/하거나 외부 음향 또는 진동 간섭을 처리하는 데 유용하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저와 같은 광원(600)는 조향 및/또는 집광 광학(610a)을 통해 플로우 셀(620)을 통과하는 구조화된 빔과 같은 빔(605a)을 제공한다. 빔(605a)은 플로우 셀(620)을 통해 흐르는 유체의 입자와 상호작용하여 투과된 전자기 방사선 및 전방 산란 전자기 방사선(함께 605b)를 생성하고, 이는 수집 광학 장치(610b)를 통해 수집된다. 투과된 전자기 방사선 및 전방 산란 전자기 방사선(605b)는 거울(630) 선택적으로 스티어링 미러로 향하며, 이것은 예를 들어, 첫번째 활성 영역 및 두번째 활성 영역(예를 들어, 상반부와 하반부)을 가진 분할 검출기와 같은 차동 검출기 (640)위의 최소한의 투과 전자기 방사선 및 전방 산란 전자기 방사선 (605b)로 향한다. 포지셔너(650)는 검출기를 측방향 및/또는 수직으로 이동시키거나 검출기를 회전시키는 것과 같이 차동 검출기(640)의 위치를 조정하기 위해 차동 검출기(640)에 작동 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 프로세서(processor) (660)는 차동 검출기의 상반부 및 하반부와 같은 차동 검출기의 첫번째 활성 영역 및 두번째 활성 영역에서 투과된 전자기 방사선과 전방 산란 전자기 방사선(605b)의 상대적인 정렬을 제어하기 위해 거울 및/또는 포지셔너 (650)와 가동 할 준비가 갖춰진 통신 내에 있다. 일 실시예에서, 프로세서(660)는 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역(예를 들어, 상반부 및 하반부)에 대응하는 신호를 수신 및 분석하고 차동 신호를 결정한다.

노이즈를 최소화하고 신호를 최대화하기 위해, 전력 전송된 전자기 방사선 및 전방 산란 전자기 방사선(605b)는 차동 검출기 (640)의 제1 활성 영역과 제2 활성 영역 사이(예, 상반부와 하반부)에서 균형을 이룰 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 프로세서가 차동 검출기를 분석하는 폐쇄 루프 시스템으로 입자가 존재하지 않고 포지셔너(650) 및 미러(630)의 제어를 통해 차동 검출기의 노이즈 진폭을 최소화할 때 달성된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 거울(630)은 검출기(640)의 빔 위치를 조정하여 차동 검출기의 노이즈 레벨을 최소화하는 데 사용된다. 이 조건은 빔 전력이 차동 검출기의 상위 요소와 하위 요소 간에 가장 균일하게 분할될 때 발생한다.

본 발명은 다음의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 이해될 수 있다.

실시예 1 - 구조화된 빔 및/또는 차동 검출을 사용한 입자 측정

이 예는 본 발명의 어떤 특정 특징을 예시하도록 의도된 특정 실시예에 대응하는 입자 검출 및 크기 특성화를 위한 향상을 가능하게 하는 광학 기하학적 구조적 구조, 검출기 구성 및 신호 분석 기술을 설명한다.

변조된 초점 스캐닝: 일부 실시예에서, 예를 들어, 시스템은 측정 지점에서 고 레이저 빔 광출력 밀도의 영역을 생성하도록 설계된다. 기존 시스템에서 이 조명 영역은 일반적으로 대물 렌즈의 초점 각도에 의해 제한되며 가장 작은 입자를 식별하고 특성화할 수 있는 샘플 셀 내의 단면적을 제한한다. 압전 장치 또는 이와 유사한 장치와 같은 고속 기계적 오실레이터를 사용하여 샘플 셀을 대물 렌즈에 더 가깝게 또는 더 멀리 물리적으로 이동하거나 변환할 수 있다. 이 기계적 변환은 샘플 셀 내에서 최고 광학 밀도 지점을 이동한다. 충분히 높은 주파수에서 레이저 빔의 입자 이동 시간보다 빠르게 수행하면 샘플 셀의 더 큰 단면적이 미립자에 대해 특성화될 수 있다. 이 접근 방식은 레이저 출력을 증가시키지 않고도 단위 시간당 유체의 샘플 부피를 증가시킨다.

스캐닝 변조 교차축: 일부 실시예에서, 예를 들어, 시스템은 측정 지점에서 고 레이저 빔 전력 밀도의 영역을 생성하도록 설계된다. 기존 시스템에서 이 영역은 일반적으로 대물 렌즈의 초점 각도에 의해 제한되며 가장 작은 입자를 식별하고 특성화할 수 있는 샘플 셀 내의 단면적을 제한한다. 압전 장치 또는 이와 유사한 장치와 같은 고속 기계적 오실레이터를 사용하여 레이저 빔에서 샘플을 물리적으로 이동하거나 변환할 수 있다. 충분히 높은 주파수에서 레이저 빔의 입자 이동 시간보다 빠르게 수행하면 샘플 셀의 더 큰 단면적이 미립자에 대해 특성화될 수 있다. 이것은 본질적으로 레이저 출력을 증가시키지 않고도 단위 시간당 유체 샘플 부피를 증가시킨다.

2차원 주사 변조: 일부 실시예에서, 예를 들어, 주사 변조 초점 및 주사 변조 교차축은 누적 효과를 증가시키기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

검출기 상의 이미징 샘플 부피: 일부 실시양태에서, 예를 들어, 이 기능은 광검출기의 화소 중 적어도 일부가 입자-빔 상호작용 신호의 에너지 대부분을 수집하기에 충분한 폭을 각각 가질 때,신호 대 노이즈비(SNR 또는 S/R)가 최대화된다는 관계에서 파생된다. 입자-빔 상호작용 신호의 이미지는 검출기에서 빔의 느린 축(장축)에서 중요하다. 빔에서 신호의 수직 범위는 덜 중요하다. 입자가 빔을 통과할 때 신호는 상부 및 하부 검출기 요소를 통과한다. 신호 대 노이즈를 최대화하기 위해 느린 축에서 입자-빔 상호작용 신호의 공간적 범위는 주로 단일 쌍의 검출기 요소에 위치할 수 있다. 여러 쌍의 검출기에 입자-빔 상호 작용 신호를 분산하면 측정의 신호 대 잡음이 감소한다. 샘플 부피가 고종횡비 빔으로 비춰진다고 고려해보면 샘플 부피의 위치에 직교 빔 웨이스트- 빔 축을 따라 생성된 이 위치의 이미지는 비슷한 모양이 되며 적절한 수의 픽셀 감지기 요소에 이미지를 배포하기에 충분한 배율을 가져야 한다.

대안적인 검출기 기하학적 구조적 구조는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다. 집중된 빔이 샘플 부피를 통과한 후, 여기서 수평 및 수직 빔 웨이스트가 샘플 부피에 동일한 횡단면에 있는 경우, 빔은 광학장치 하부에 의해 수집되고 다시 시준된다. 빔의 이 영역에서 빔의 웨이스트 또는 근처에서 발생하는 입자 이벤트의 신호는 시준된 빔의 가로 범위에 걸쳐 분포된다. 신호 대 노이즈 비를 최적화 하기 위해 빔이 픽셀화된 검출기에 초점을 맞춘다. 여기서 픽셀의 크기는 집광 광학의 RMS 스폿(spot) 크기와 같거나 작다. 이러한 방식으로 샘플 부피 전체에 걸쳐 입자 이벤트의 공간적 식별이 실현된다. 입자 이벤트를 캡처하기 위해 최소 검출기 영역 (픽셀 영역)이 사용된다.

부분 감쇠 영상화: 일부 실시예에서, 예를 들어, 픽셀화된 검출기 위의 샘플 부피를 통과한 후, 샘플 부피 빔 단면의 넓은(수평) 및 좁은(수직) 이미지는 빔을 집중하여 생성되는 현재 시스템 및 방법에서 역할을 한다. 검출기에서의 이 이미지는 샘플 볼륨에서 빔 프로파일의 확대된 재생산일 수 있다. 입자가 빔 또는 웨이스트 근처를 통과할 때, 검출기의 이미지는 이미지의 풋프린트(footprint)를 가로지르는 수직 궤적이 된다. 위에서 설명한 대로 신호 대 노이즈 비를 최대화하는 맥락에서 이미지 풋프린트(footprint)의 수평 슬라이스(수직으로 단일 픽셀 폭)는 최적의 신호 대 잡음비를 달성하는 수단이 될 수 있다.

높은 종횡비: 일부 실시예에서, 예를 들어, 빔이 샘플 유체 흐름에 제공되면 적절한 광학 요소에 의해 모양이 지정되고 초점이 맞춰진다. 유체 흐름의 방향에 초점을 맞춘다. 유체가 y축을 따라 흐르면 빔이 y 방향으로 밀접하게 집중된다; 가장 타이트한 초점이 y축 빔 웨이스트의 위치를 확인한다. Z축이 빔의 축을 따라 있으면, x 축을 따라 빔이 y축 방향보다 더 넓어진다. 그러나 빔은 또한 y축 웨이스트와 동일한 가로 xy 평면에서 최소 x축 너비에 있어야 한다. 빔 형성 광학 장치는 x축 및 y축 웨이스트의 위치가 동일한 xy 평면에서 발생하도록 배열된다. 이 경우, x축 및 y축 빔 프로파일 (profile)은 모두 동일한 xy 평면에서 해당 웨이스트로 수렴하고 전파 방향으로 발산한다. 이것은 높은 종횡비를 구성한다. 동일한 xy 평면에서 웨이스트의 공동 위치는 하위 이미지 고려 사항에 필요하다.

차동 신호: 일부 실시예에서, 예를 들어, 0도의 산란 각도에서 전방을 바라보는 축상 검출기 쌍(들)의 차동 신호를 사용하면 상당한 노이즈 감소의 원인이 된다.

미생물 검출: 일부 실시양태에서, 예를 들어, 축상 차동 검출을 갖는 구조화된 빔 또는 암원의 사용은 비록 그들이 매우 작은 굴절 대조 지수를 갖고 있더라도 물에서 미생물을 검출하는 데 매우 효과적이다. 미생물은 일반적으로 낮은 굴절률 대비(대부분 물을 함유함)로 인해 기존의 광산란 입자 계수기로 관찰되지 않는 경우가 많다. 일부 실시양태의 입자 계수기는 측면 산란 검출과 결합된 축상 차동 검출을 갖는 어두운 빔을 사용한다. 두 검출기가 적절한 크기의 신호를 생성하면 입자는 미생물이 아니다. 축상 차동 검출기가 큰 신호를 제공하고 측면 산란이 응답하지 않으면 미생물이다.

입자와 매질 사이의 RI 차이: 일부 실시예에서, 예를 들어, 차동 신호의 모양 대 시간은 매체에 대한 입자의 굴절률에 따라 다르다. 차동 감지 신호는 0보다 큰 신호 증가 후 0 아래로 감소하는 신호(범프(dump) 다음에 딥(dip)) 또는 반대 신호가 0 아래로 감소한 후 0보다 큰 증가 신호(딥 다음에 범프)가 뒤따른다. 이 신호는 흐름의 방향에 따라 그리고 상단 검출기가 하단에서 공제되는지 또는 그 반대인지에 따라 변경된다. 예로서: 주어진 구성에 대해 입자의 굴절률이 매체의 굴절률보다 크면 감지 신호는 범프 다음에 딥이 뒤따를 것이지만 반면에 입자의 굴절률이 매질보다 작으면 신호는 급강하 후 범프가 발생한다. 물 또는 유체 화학 물질보다 굴절률이 작은 물질의 유형은 가스 및 많은 금속이다. 가스보다 굴절률이 작은 물질에는 특정 금속이 포함된다(가시 영역의 스펙트럼).

폐쇄 루프 초점 시스템 (closed loop focus system): 일부 실시예에서, 예를 들어, 3개의 축 모두에서 광학 요소를 조정하면 유용하고/하거나 최적의 빔 전력 밀도 및/또는 빔 크기가 제공한다. 광 검출기로 가는 빔의 작은 부분을 이미저로 전환하고 크기, 모양 및 전력 밀도를 사용하여 유용하거나 최적의 입자 검출을 위한 조건을 제공한다. 차동 신호에서 레이저 노이즈가 상쇄되도록 레이저 빔은 차동 검출기의 상부 및 하부 요소에 걸쳐 고르게/균일하게 정확하게 균형을 이룰 수 있다. 다시 말해서, 검출된 전력은 상부 및 하부 검출기에 대해 유리하게 및/또는 최적으로 동일할 수 있다. 이것은 일부 실시예에서 검출기를 수직으로 이동(또한 빔과 정렬하기 위한 2D 어레이에 대한 틸트 기능)하거나 노이즈 제거를 최대화하기 위해 거울 또는 렌즈로 레이저 빔을 조종함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 차동 검출기 요소 전반에 걸친 레이저 출력의 "균형"을 최적화하여 배경 노이즈를 최소화하는 배열로 검출기와 레이저가 자동으로 정렬되는 폐쇄 루프 시스템이 구현된다. 추가로, 폐루프 초점 시스템은 최적의 빔 전력 밀도 및/또는 빔 스폿(spot) 크기를 제공하기 위해 5축 광학 변환 스테이지를 조정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 빔의 작은 부분을 이미저로 다시 향하게 하고 얻은 이미지는 최적의 크기, 모양 및 전력 밀도를 얻는 데 필요한 조정을 결정하는데 사용될 수 있다.

검출기의 작동 온도가 낮아지면 검출기의 암전류 (dark current)의 저하가 뒤따른다. 암전류를 낮추면 검출기의 SNR(Signal-to-noise Ratio)이 향상되고 검출기의 NEP(Noise Equivalent Power)가 낮아져 낮은 입사광 수준에 더 민감해진다. 열 변화에서 이러한 반응에는 이론적인 한계가 있으며 요구되는 안정성으로 필요한 수준으로 냉각되도록 열 시스템을 설계할 수 있다.

초퍼(chopper) 사용: 일부 실시예에서, 예를 들어, 노이즈층에 묻혀있는 저준위 광학 신호의 추출에 있어 추가적인 개선은 DC 기법에 내재된 문제와 AC 방법과 변조된 빛 또는 초퍼의 사용을 통해 이를 줄일 수 있는 방법을 고려함으로써 실현될 수 있다. 일부 실시예에서, 초퍼는 검출기의 입사광을 켜고 끄는 데 사용되며, 일반적으로 KHz 범위에서 DC 빛에서 AC 빛으로 변경한다. 일부 실시예에서, 록인(lock-in) 증폭기를 사용하여 초퍼 주파수에 맞게 좁게 조정된 대역폭이 동기 신호 감지를 생성한다. 입자 검출에 관련된 전자 광학 검출과 증폭을 포함한 대부분의 물리적 시스템은 주파수가 DC에 가까워질수록 노이즈가 증가한다. 예를 들어 입자 검출에 사용되는 일반적인 Op-amp에는 1/f 노이즈가 있다. 감지 측정을 저주파 또는 DC 소음원으로부터 AC 초퍼 주파수 측정으로 이동함으로써 신호 대 노이즈 비가 높아지고 일반적으로 더 작은 입자와 관련된 훨씬 약한 신호의 검출이 달성될 수 있다.

입자신호 검출에서의 신호처리 기법: 일부 실시양태에서, 다양한 크기 및 재료 유형의 입자가 시간 영역의 충돌하는 빔을 통과하는 경로와 속도는 현재 시스템과 방법의 설계 및 신호 분석에 유용한 고려 사항이다. 예를 들어, 이러한 개별적이고 복잡한 시간 영역 신호의 샘플링은 푸리에 변환 또는 FFT (Fast Fourier Transformation)를 통해 주파수 영역으로 변환될 수 있다. 입자의 복잡한 주기 신호 추적의 분해는 다른 진폭, 주파수 및 위상을 가진 설정된 사인포이드(sinusoide)로 구성된 주파수 영역 신호의 방정식을 제공한다. 일부 실시 양태에서, 시스템 고유의 노이즈 크기가 목격되는 입자의 크기 또는 낮은 신호 대 노이즈 비 조건에 매우 근접할 때, 개발 중에 수집된 분해 입자 신호의 수집 또는 방정식 라이브러리를 분류하여 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서 수집된 입자 신호는 고유한 구조를 가지고 있는데, 이는 발명의 설계에 고유한 것으로, 오염된 시스템 소음을 나타내는 식별 불가능한 무질서 신호로부터 예상되는 신호를 발견하기 위해 신호 처리 기술을 사용할 수 있다.

일부 실시예에서, 식 모델 또는 필터는 가능한 관심 신호의 구조로 믿어지는 것이다. 일부 실시예에서, 들어오는 신호의 구조를 식별하려고 시도할 때, 수학적 필터에 사용되고 도착하는 신호에 적용된다. 일부 실시예에서 도착하는 변환된 신호를 필터 카탈로그와 컨볼루션하는 것을 포함하여 다양한 신호 처리 기술을 사용할 수 있다 (도착 신호와 모델링된 신호가 선형 시간 불변이라고 가정). 일부 실시예에서, 도착 신호와 필터 카탈로그 간의 상관 관계가 사용될 수 있다. 컨볼루션 희소 모델링 기법(Convolutional Sparse Modeling technique)의 재전송 개발은 임계값, 완화 또는 근사치와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상호 일관성을 사용하여 도달 신호를 가변 지연(위상) 및 폭(주파수)의 작은 패치로 분할하고 도달 신호가 조각별 상수 신호라는 가정 하에 모델 카탈로그에 대해 시험할 수 있다.

참조에 의한 통합에 관한 진술 및 변형

본 출원 전반에 걸친 모든 참조, 예를 들어 발행되거나 부여된 특허 또는 등가물을 포함하는 특허 문서; 특허 출원 간행물; 및 비특허문헌 문서 또는 기타 자료;는 각 참조가 본 출원의 개시 내용과 적어도 부분적으로 일치하지 않는 한, 개별적으로 참조로 포함되는 것처럼 그 전체가 여기에 참조로 포함된다 (예를 들어, 부분적으로 일치하지 않는 참조는 참조의 부분적으로 일치하지 않는 부분을 제외하고 참조로 통합된다).

하기 특허 및 특허 출원은 구조화된 빔을 사용한 간섭계 입자 검출에 관한 것이고, 그 전체가 미국 특허 7,746,469; 미국 공개 20170176312; 및 PCT 공개 WO 2019/082186에 그 전제가 참고로 포함된다.

본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은 한정이 아닌 설명의 용어로 사용되고, 표시 및 설명된 기능 또는 그 일부의 등가물을 배제하는 이러한 용어 및 표현의 사용에 대한 의도가 없다. 그러나 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인정된다. 즉, 본 발명이 바람직한 실시예에 의해 구체적으로 개시되었지만, 예시적인 실시예 및 선택적 특징, 여기에 개시된 개념의 수정 및 변형은 당업자에 의해 의지될 수 있다는 것이 이해가 되어야하며, 이러한 수정 및 변경은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 여기에 제공된 특정 실시예는 본 발명의 유용한 실시예의 예이고, 본 발명은 장치, 장치의 구성요소, 본 설명에 명시된 방법 단계의 많은 변형을 사용하여 수행될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 방법에 유용한 방법 및 장치는 다수의 선택적인 구성 및 처리 요소 및 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "세포"에 대한 언급은 다수의 이러한 세포 및 당업자에게 공지된 그의 등가물을 포함한다. 또한, 용어 "a"(또는 "an"), "하나 이상" 및 "적어도 하나"는 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 또한 "구성하는", "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있음을 주목해야 한다. "XX-YY 중 어느 하나의 청구항"(XX 및 YY는 청구항 번호를 나타냄)라는 표현은 대체 형식으로 다중 종속 청구항을 제공하기 위한 것이고, 일부 실시양태에서 "청구항 XX-YY 중 어느 하나에서와 같이"라는 표현과 상호교환 가능하다.

치환기 그룹이 본원에 개시될 때, 그 그룹의 모든 개별 구성원 및 모든 하위 그룹이 별도로 개시되는 것으로 이해된다. Markush 그룹 또는 다른 그룹화가 본 명세서에서 사용될 때, 그룹의 모든 개별 구성원 및 그룹의 가능한 모든 조합 및 하위 조합은 본 개시내용에 개별적으로 포함되도록 의도된다.

달리 언급되지 않는 한, 본원에 기술되거나 예시된 모든 장치, 시스템, 제형, 성분의 조합, 또는 방법을 사용하여 본 발명을 실시할 수 있다.

예를 들어 온도 범위, 시간 범위, 또는 조성 또는 농도 범위, 모든 중간 범위 및 하위 범위 뿐만 아니라 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값은 사양에 범위가 제공될 때마다 다음과 같이 공개에 포함되도록 의도된다. 본원의 설명에 포함된 범위 또는 하위 범위 내의 임의의 하위 범위 또는 개별 값은 본원의 청구 범위에서 제외될 수 있음이 이해될 것이다.

명세서에 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자의 기술 수준을 나타낸다. 여기에 인용된 참고 문헌은 출판 또는 출원일 현재의 기술 상태를 나타내기 위해 그 전체가 참고로 여기에 포함되며, 이 정보는 필요한 경우 선행 기술에 있는 특정 실시예를 배제하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 예를 들어 물질의 조성들이 청구될 때, 본 명세서에 인용된 참고문헌에서 가능하게 하는 개시가 제공되는 화합물을 포함하여 출원인의 발명 이전에 당업계에 공지되고 이용가능한 화합물은 본 명세서의 물질 청구범위의 구성에 포함되도록 의도되지 않는다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "구성하는"은 "포함하는", "함유하는" 또는 "~에 의해 특징지어지는"과 동의어이며 포괄적이거나 개방형이며 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "구성되는"은 청구항 요소에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "본질적으로 구성되는"은 청구범위의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서의 각 경우에 "포함하는", "본질적으로 구성되는" 및 "~로 구성된"이라는 용어는 다른 두 용어 중 하나로 대체될 수 있다. 여기에 적절하게 예시적으로 설명된 본 발명은 여기에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한 없이 실시될 수 있다.

당업자는 과도한 실험에 의존하지 않고 출발 물질, 생물학적 물질, 시약, 합성 방법, 정제 방법, 분석 방법 및 특별히 예시된 것이 이외의 생물학적 방법을 본 발명의 실시에 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 임의의 그러한 재료 및 방법의 모든 공지된 기능적 등가물은 본 발명에 포함되도록 의도된다. 사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로 사용되고, 그리고 그러한 용어와 표현을 사용할 때 표시 및 설명된 기능 또는 그 일부의 등가물을 배제하려는 의도는 없다. 그러나 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예 및 선택적 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념의 수정 및 변형이 당업자에 의해 재분류될 수 있음을 이해해야 한다. 그러한 수정 및 번형은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

상기 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선의 빔을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선의 빔을 포커싱하기 위한 상기 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
상기 고방사 밀도 영역이 상기 플로우 셀에서 위치를 변경하도록 상기 플로우 셀을 상기 포커싱 시스템에 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시키기 위해 상기 플로우 셀에 작동 가능하게 연결된 이동부 및
전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기 상으로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
여기서 상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하고;
여기서 상기 고 방사 밀도 영역의 상기 위치 변화는 상기 플로우 셀의 더 큰 단면적에서 상기 입자의 특성화를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
상기 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선의 빔을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선의 빔을 포커싱하기 위한 상기 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
상기 고방사 밀도 영역이 상기 플로우 셀 내의 위치를 이동하도록 상기 전자기 방사선의 빔을 가로질러 상기 플로우 셀을 측방향으로 이동시키기 위해 상기 플로우 셀에 작동 가능하게 연결된 이동부, 및
전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기 상으로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하고;
여기서 상기 고 방사 밀도 영역의 상기 위치 변화는 상기 플로우 셀의 더 큰 단면적에서 상기 입자의 특성화를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
상기 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선의 빔을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 상기 빔;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선의 빔을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
상기 고방사 밀도 영역이 상기 플로우 셀의 깊이를 변화시키도록 상기 플로우 셀이 상기 포커싱 시스템에 더 가깝거나 멀어지도록 상기 플로우 셀에 작동 가능하게 연결된 제 1 이동부,
고 방사 밀도의 영역이 상기 플로우 셀의 측방향 위치를 변경하도록 상기 전자기 방사선의 빔을 가로질러 상기 플로우 셀을 측방향으로 이동시키기 위해 상기 플로우 셀에 작동 가능하게 연결된 제2 이동부, 및
전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기 상으로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;을 포함하고,
여기서 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하고;
여기서, 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부는 독립적으로 작동하고, 상기 고 방사 밀도 영역의 깊이 및 측면 위치의 변화는 상기 플로우 셀의 더 큰 부피에서 상기 입자의 가능하게 하는 특성화를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동부는 상기 빔을 통해 이동할 때 평균 입자 속도보다 적어도 2배 더 빠른 평균 이동 속도로 플로우 셀의 이동을 제공하는 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동부는 빔을 통해 이동할 때 평균 입자 속도보다 5-100배 빠른 평균 이동 속도로 플로우 셀의 이동을 제공하는, 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동부는 25 cm/sec 이상의 평균 이동 속도로 플로우 셀의 이동을 제공하는, 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동부는 10 - 1000 미크론의 범위로부터 선택된 거리를 따라 상기 플로우 셀의 이동을 제공하는, 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 여기서 상기 이동부는 100 kHz - 100 MHz의 범위로부터 선택된 주파수에서 주기적으로 변환되는, 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 여기서 상기 이동부는 오실레이터인, 시스템.
제9항에 있어서, 여기서 상기 오실레이터는 압전 오실레이터인, 시스템.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 오실레이터는 상기 입자가 고 방사 밀도의 상기 영역을 통과하는 데 필요한 것보다 짧은 시간에 상기 플로우 셀의 변위를 완료하도록 충분히 높은 주파수에서 진동하는, 시스템.
상기 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 광원;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템; 및
적어도 상기 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 일부는 각 픽셀이 입자-광 상호작용 신호의 에너지의 대부분을 수집하기에 충분한 면적을 갖는, 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 픽셀화된 광검출기로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
상기 픽셀화된 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
상기 전자기 방사선의 빔을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 챔버,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 챔버와 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 챔버 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템; 및
적어도 상기 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 일부는 빔 내 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 해당하는 면적을 갖는, 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 픽셀화된 광검출기로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
상기 픽셀화된 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
상기 전자기 방사선을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템; 및
상기 전자기 방사선의 빔을 재시준하거나 초점을 맞추는, 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 픽셀화된 광검출기로 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
상기 픽셀화된 광검출기의 픽셀의 적어도 일부에 대해 각각의 픽셀은 빔 내의 입자 빔 상호작용 신호의 공간적 범위에 대응하는 영역을 갖고;
상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 픽셀은 입자-빔 상호작용 신호의 에너지의 대부분을 수집하기에 충분한 폭을 갖는, 시스템.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 픽셀은 10 내지 500 마이크론의 범위로부터 독립적으로 선택된 폭을 갖는, 시스템.
제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 픽셀은 입자-빔 상호작용 신호의 에너지의 80% 또는 그 이상을 수집하기에 충분한 폭을 갖는, 시스템.
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀화된 광검출기의 각각의 픽셀의 적어도 일부는 빔 내의 입자-빔 상호작용 신호의 공간 범위의 적어도 75%에 매칭되는 영역을 갖는, 시스템.
상기 전자기 방사선을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 셀 내에서 고 방사 밀도의 영역을 생성하기 위해 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템; 및
전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 픽셀화된 광검출기에 향하게 시키는 광학 수집 시스템으로서, 상기 광학 수집 시스템은 상기 전자기 방사선의 빔을 재시준하거나 초점을 맞추는 것인 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
여기서 상기 픽셀화된 광검출기는 수평 행픽셀들의 적어도 하나의 수평 행을 갖고, 여기서 픽셀 행은 수평 행의 적어도 두 요소의 신호 비교에 의한 차동 검출을 제공하기 위해 전자기 방사선의 빔에 대해 정렬되고,
여기서, 상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
제19항에 있어서, 전자기 방사선의 빔은 구조화된 빔이고, 상기 픽셀의 수평 행은 구조화된 빔의 첫번째 부분을 수신하도록 배치된 첫번째 영역 및 구조화된 빔의 두번째 부분을 수신하도록 배치된 두번째 영역을 제공하는, 시스템.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔은 어두운 빔이고, 상기 픽셀들의 수평 행은 어두운 빔의 첫번째 부분을 수신하도록 배치된 첫번째 영역 및 어두운 빔의 두번째 부분을 수신하도록 배치된 두번째 영역을 제공하는, 시스템.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀의 행은 채널 픽셀 쌍에 걸친 차동 검출을 제공하기 위해 전자기 방사선의 빔에 대해 정렬되는, 시스템.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀화된 광검출기가 1D 또는 2D 검출기 어레이인, 시스템.
상기 전자기 방사선을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 셀 내에서 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 광검출기로 향하게 하여, 그것에 의해 축상 신호를 생성하는 축상 광학 수집 시스템; 및
축외 산란광을 수신하여 측면 산란 신호를 생성하기 위해 상기 플로우 셀 위치와 광학적으로 커뮤니케이션하는, 측면 산란 검출기;
를 포함하고,
여기서 상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기 신호 특성을 생성하고;
여기서 측면 산란 신호와 축상 신호의 비교는 생물학적 입자와 비생물학적 입자를 구별하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한, 시스템.
제24항에 있어서, 상응하는 측면 산란 신호 없이 축상 신호를 관찰하는 것이 입자를 생물학적 입자로 특성화하는 것을 가능하게 하는 것인, 시스템.
상기 전자기 방사선을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 셀 내에서 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
적어도 2개의 검출기 요소를 포함하는 차동 검출 시스템 상으로 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;
을 포함하고,
여기서 각각의 검출기 요소는 검출된 입자의 수 및/또는 크기의 전기적 신호 특성을 생성하고, 상기 광검출기는 상기 입자를 상기 신호로부터 생성된 차동 신호에 기초하여 특성화하고; 및
상기 검출기 요소 신호를 수신하거나 상기 입자가 상기 유체보다 더 낮은 굴절률을 갖는지 또는 더 높은 굴절률을 갖는지를 특정하는 프로세서;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
제26항에 있어서, 빔을 통한 입자의 궤적 동안 시간의 함수로서 어두운 프린지 및 밝은 프린지의 순서, 배열 및/또는 위치는 입자의 굴절률을 특성화하는 데 사용되는, 시스템.
제27항에 있어서, 상기 검출기는 상기 입자를 금속 또는 비금속으로 특성화하는 시스템.
상기 전자기 방사선을 통해 흐름 방향을 따라 입자를 포함하는 유체를 흐르게 하기 위한 플로우 셀,
전자기 방사선을 제공하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하는 빔;
상기 플로우 셀 내에서 상기 전자기 방사선을 포커싱하기 위한 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 포커싱 시스템;
적어도 2개의 검출 요소를 포함하는 광검출기로 전자기 방사선의 적어도 일부를 수집하고 향하게 하기 위한 광학 수집 시스템;및
상기 광검출기를 이동시키거나 상기 포커싱 시스템을 변경하여 빔을 지나 차동검출기의 균형을 맞추고 상기 검출기 또는 상기 포커싱 시스템에 작동 가능하게 연결된 조절기;
를 포함하고,
상기 광검출기는 검출된 입자의 수 및/또는 크기에 대한 전기적 신호 특성을 생성하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 입자를 검출하기 위한 시스템.
제29항에 있어서, 조절기는 상기 광검출기를 이동시키거나, 상기 광검출기의 첫번째 및 두번째 활성 검출기 영역을 지나 레이저 빔의 세기 또는 강도의 균형을 맞추기 위해 상기 포커싱 시스템을 변경하는 시스템.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 조절기는 상기 광검출기를 이동시키거나 전자기파 빔의 세기가 상기 광검출기의 검출소자 각각에 걸쳐 한 방향으로 균일하게 분포되도록 상기 포커싱 시스템을 변경하는 것을 특징으로 하는, 광검출 시스템.
제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절기는 폐루프 피드백 제어를 통해 제어되는, 시스템.
제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절기는 상기 광검출기에 작동 가능하게 연결되고 상기 광검출기를 이동, 회전 또는 기울이는, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 조절기는 상기 포커싱 시스템에 작동 가능하게 연결된 조향 미러 또는 렌즈이고 상기 전자기 방사선의 빔의 경로를 조정하는, 시스템.
제29항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절기는 또한 상기 플로우 셀 또는 상기 광검출기에 광학 빔 전력 밀도를 제공하고, 빔 스폿 크기를 조정하고, 상기 플로우 셀에서 고 방사 밀도의 영역을 조정하거나, 또는 이들의 조합을 수행하도록 구비되는, 시스템 .
제35항에 있어서, 이미저를 더 포함하고, 여기서 상기 전자기 방사선의 빔은 상기 이미저를 향해 향하게 될 수 있고, 상기 이미저는 최적의 광학적 전력 밀도, 최적 광학 점 크기, 플로우 셀 또는 이들의 임의의 조합에서 고 방사 밀도의 최적 면적에 대한 폐루프에서 상기 조절기에 피드백을 제공하는, 광학 수집 시스템.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔은 가우시안 빔인, 시스템.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔은 구조화된 빔인, 시스템.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔은 어두운 빔인 시스템.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔은 탑햇 (top hat) 구성의 아나모픽(anamorphic) 빔인, 시스템.
제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출기는 적어도 2개의 검출기 요소를 포함하고 상기 입자를 나타내는 각각의 검출기 요소로부터의 개별 신호로부터의 차동 신호에 기초하여 상기 입자를 특성화하는, 시스템.
제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 차동 신호를 생성 및/또는 분석하기 위한 분석기 또는 프로세서를 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 축상 광학 기하학적 구조를 갖는, 시스템.
제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 검출기 어레이는 플로우 셀을 통해 투과된 입사 전자기 방사선 및 입자에 의해 전방으로 산란된 전자기 방사선을 수신하기 위해 플로우 셀과 광학적으로 커뮤니케이션하도록 위치되는, 시스템.
제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 검출기 어레이는 입사 빔의 광학 축에 대해 0도에서 5도 이내인 산란 각도로 제공되는 시스템.
제 1 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포커싱 시스템은 상기 전자기 방사선의 빔을 상기 플로우 셀을 통해 적어도 두 번 향하게 하고, 상기 플로우 셀의 입자는 각각의 개별로 상기 플로우 셀을 통과하여 상기 빔의 다른 부분과 상호작용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제42항에 있어서, 상기 분석기는 시간 도메인에서 상기 차동 신호를 분석하는, 시스템.
제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포커싱 시스템은 상기 빔의 편광 상태를 변경하기 위한 1/2 파장판, 1/4 파장판 또는 둘 다를 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 방사선의 빔을 변조하기 위해 상기 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 변조기를 더 포함하는, 시스템.
제49항에 있어서, 상기 변조기는 초퍼(chopper)인, 시스템.
제49항 또는 제50항에 있어서, 상기 변조기는 100kHz 이상의 변조 주파수를 갖는, 시스템.
제1항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출기는 암전류를 감소시켜 신호 대 노이즈비를 증가시키는 냉각 시스템을 갖는 것인, 시스템.
제49항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 록-인(lock-in) 증폭기를 더 포함하고, 상기 록-인 증폭기는 상기 변조기의 주파수에 동조된 대역폭인, 시스템.
제1항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포커싱 시스템은 상기 빔과 광학적으로 커뮤니케이션하는 하나 이상의 회절 광학 요소를 더 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 수집 시스템은 상기 전자기 방사선의 빔을 상기 광검출기에 초점을 맞추고, 이에 의해 상기 빔 웨이스트의 (beam waist) 이미지를 상기 광검출기에 투영하는 시스템.
제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 수집 시스템은 전자기 방사선의 상기 빔을 재시준하는, 시스템.
제1항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 액체 또는 기체인, 시스템.
제1항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 입자 계수기를 포함하는, 시스템.