KR20220058627A - 에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

기체 및 액체 샘플 중에서 분석물 입자의 신속하고 자율적인 검출을 제공하는 시스템 및 방법이 개시된다. MALDI-MS를 사용하여 생물학적 에어로졸 분석물을 식별하고 TOFMS(time-of-flight mass spectrometry)를 사용하는 LDI 및 MALDI-MS를 사용하여 화학적 에어로졸 분석물을 식별하는 방법 및 장치가 개시된다.

Description

에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법
본 출원은 미국 가출원 제62/904655호(2019.09.23 출원) "에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법", 미국 가출원 제62/931200호(2019.11.05 출원) "에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법", 미국 가출원 제63/069705호(2020.08.24 출원) "에어로졸 입자의 신속하고 자율적인 검출 시스템 및 방법"과 관련되고 이에 대한 혜택을 주장하며, 이들 전체가 참고로 여기에 포함된다.
본 개시내용은 질량 분석법 및 선택적으로 하나 이상의 광학 기술을 사용하여 에어로졸 분석물 입자의 높은 정확도와, 신속하고 자율적인 식별을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 개시내용은, 비행시간 질량 분석기(time-of-flight mass spectrometry: TOFMS)를 사용하여, MALDI-MS를 사용하여 생물학적 에어로졸 분석물을, 그리고 LDI-MS를 사용하여 화학적 에어로졸 분석물을 식별하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
에어로졸화된 생물학적 및 화학적 위협 제제들(threat agents)로부터의 위협은 그러한 사건으로 인해 생명과 재산에 잠재적으로 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문에 미국 정부의 주요 관심사로 남아 있다. 특히 우려되는 두 가지 주요 위협 시나리오는 다음과 같다: (1) HVAC 시스템이 전체 구조를 통해 상기 제제들을 효과적으로 배포할 수 있는 밀폐된 구조(예컨대, 사무실 건물, 공항, 대중교통시설) 내부의 제제 방출, 그리고 (2) 마을이나 도시와 같은 사람이 거주하는 지역에 걸친 제제의 광역 방출. 상기 방출된 에어로졸화제(aerosolized agent)에 노출되면 대규모 사상자를 초래할 수 있다. 광역방출에서는 오염물질의 종류, 양, 위치에 대한 적시의 정보 없이는 초기 노출로부터 시민을 보호하기가 극히 어렵다. 신속한 치료 조치를 취하기 위해서는 상기 위협 제제의 조성을 실시간으로, 가급적이면 자율적으로 식별하는 방법과 장치가 요구된다.
약제내성의 결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 및 SARS-CoV-19와 같은 미생물에 의해 야기되는 자연 발생적 대유행에 의한 위협은 불행히도 널리 인식되고 있다. 이들 유기체는 접촉에 의해 또는 정상적인 호흡, 기침, 재채기, 하품, 운동, 악기 연주 등을 통해 방출되는 에어로졸을 통해 퍼질 수 있다. 심호흡은 폐 깊숙이에서 발생하는 미세한 에어로졸을 생성하는 것으로 알려져 있고, 호흡기 감염이 있을 경우, 상기 에어로졸의 일부 입자에는 감염성 미생물이 포함되어 있다.
주요 공항 등의 기반 시설을 가장 효과적으로 보호하기 위해서는 자율적 에어로졸 위협 식별자는 샘플을 수집 및 분석하고 그 에어로졸이 약 5분 이내에서 위험한지 여부를 결정해야 한다. 만일 에어로졸 위협이 약 5분 이내에 식별될 수 있는 경우, 공항 터미널 건물과 같은 건물 내에서 에어로졸의 확산을 제한하기 위한 시정 조치를 취할 수 있다. 시간이 지날수록, 상기 에어로졸은 사람들의 움직임에 의해, 그리고 더 크게는 건물 환기 시스템의 정상적인 기능에 의해 퍼진다. 고층 건물에서, 엘리베이터 또한 몇 분만에 건물 전체에 에어로졸을 이동시킬 수 있다. 독성 또는 병원성 에어로졸 위협을 감지하고 건물 관리 시스템과 통신하여 위험한 에어로졸이 건물에 전파되는 경우 상기 확산을 제한할 수 있는 자율 시스템이 필요하다. 독성 또는 병원성 에어로졸의 이러한 전파 또는 "방출"은 일반적으로 "테러 사건"으로 간주된다.
화학적 및 생물학적 제제와 같은 에어로졸 분석물의 범위를 샘플링, 검출 및 식별하는 시스템을 사용할 수 있지만, 이는 실시간 또는 근 실시간 분석을 허용하지 않거나 작은 범위의 분석물로 제한된다. 한 가지 솔루션은 미세 유체 기술을 사용하여 샘플을 정화(clean-up)하여 생물학적 분석물을 농축하는 것이다. 예를 들어, 특정 항체를 사용하여 생물학적 분석물을 농축하고 정제할 수 있다. 이러한 표적별 솔루션은 만일 분석물의 정화 및 농축에 충분한 시간이 허용되는 경우라면 합리적인 결과를 제공한다. 또 다른 표적 특이적 솔루션은 병원체 게놈의 특정 표적과 고유하게 연관된 핵산 섹션을 증폭한다. 또 다른 솔루션은 표적 특이적이며 바이러스, 독소 또는 미립자 화학물질을 분석하는 대신 박테리아 분석물에만 작동한다. 이 방법은 예를 들어 환자의 샘플을 세균 배양 플레이트에 적용하고 8~24시간 동안 배양하는 것이 필요하다. 상기 세균 집락이 성장한 후, 개별 증폭 및 정제된 집락을 수집하고 전체 세포 "매트릭스 지원" 레이저 탈착 이온화("matrix assisted" laser desorption ionization: MALDI) TOF(time-of-flight) 질량 분석기로 측정한다. 수많은 연구에서 이 기술의 정확성을 조사했으며 임상 세균 분석물에 대해 99% 초과의 정확한 식별을 알아냈다. 신속한 임상 세균 식별을 위한 두 가지 상용 시스템, 즉 Bruker Biotyper(Becton Dickinson 판매) 및 Vitek MS(Shimadzu 개발 및 bioMerieux 판매)가 개발되었다. 이들 시스템은 세균 식별을 위한 16s RNA "실험실 최적표준(laboratory gold standard)"에 비해 우수한 진단 결과를 제공한다. 그러나, 이러한 높은 신뢰도의 임상 결과를 얻으려면, 샘플을 정제하기 위해 배양 또는 추출 단계, 또는 둘 다가 필요하다. 따라서, 생체 분석물의 샘플링으로부터 식별까지의 시간은 일반적으로 12시간 내지 하루 이상이다. 이러한 지연은 임상 실험실에서는 종종 허용되지만, 생체 분석물을 근 실시간으로 식별해야 하는 생체 방어(bio defense)와 같은 다른 응용 분야에서는 허용되지 않는다. 보다 일반적으로 현장 진단 의료 적용뿐만 아니라 생체 방어 및 환경 바이오에어로졸 모니터링은 세균뿐만 아니라 진균, 바이러스 및 바이오톡신을 포함한 큰 생체 유기 분자(예컨대, 단백질, 펩타이드 및 지질)를 근 실시간으로 동시에 식별할 수 있는 능력이 요구된다. 또한, 임상 적용을 위한 분석 시간을 줄이면, 적시 치료와 최상의 치료 과정 식별(예컨대, 바이러스 감염과 박테리아 감염 간을 구별)과 상기 치료 과정 효과의 평가를 가능케 하여 치료 품질과 결과를 개선할 수 있다. 상기 기술들은 분석을 수행하는 데 필요한 표적 특이적 시약 개발과 관련된 분석 시간 대 비용과 관련하여 제한이 있다.
미국 특허 제8,441,632호 "BIOLOGICAL AND CHEMICAL MICROSCOPIC TARGETING"는 잠재적으로 민감하고 특이적이며 신속하지만(약 5분 이내) 표적 특이적 시약을 사용하지 않고 라만 분광법을 기반으로 하는 기술을 개시한다. 라만 분광법은 회전 모드 및 기타 저주파 모드도 관찰할 수 있지만, 분자의 진동 모드를 결정하는 데 사용되는 분석 기술이다. 이는 빛의 물질 내의 화학 결합과의 상호 작용을 기반으로 한다. 미생물 샘플에 적용될 때, 라만 분광법은 그룹의 일부 구성원이 인간에게 병원성이고 일부는 그렇지 않은 속이나 종의 이웃들(neighbors) 근처에서는 충분히 분석되지 않는다.
MALDI-TOFMS에서, 표적 입자(분석물)는 매트릭스 화학 물질로 코팅되거나 혼합된다. 상기 샘플 혼합물은 질량 분석기 내로 로드되기 전에 건조될 수 있도록 한다. 상기 매트릭스 화학 물질은 짧고 강한 레이저 펄스의 빛(종종 자외선 파장)을 우선적으로 흡수한다. 상기 매트릭스가 없으면 생물학적 분자는 상기 강한 자외선에 노출될 때 열분해에 의해 분해되는 경향이 있다. 상기 매트릭스가 있는 경우, 상기 레이저 에너지가 상기 매트릭스 화학 물질에 의해 우선적으로 흡수되어 상기 매트릭스와 분석 물질이 기화되게 한다. 상기 매트릭스 화학 물질은 또한 상기 기화된 분자에 전하를 전달하여 이온들을 생성하고 그 다음 이 이온들은 전계에 의해 비행관 아래로 가속된다. 그 다음, 종종 온전한 미생물(intact microbe)인 상기 코팅된 분석물 입자는 MALDI TOF(Time of Flight) 질량 분석기(MS)를 사용하여 분석된다. 샘플을 준비하는 동안, 일반적으로 트리플루오로아세트산(tri-fluoro-acetic acid: TFA)과 같은 산과 알파-시아노-4-하이드록시 신남산(alpha-cyano-4-hydroxy cinnamic acid)과 같은 MALDI 매트릭스 화학 물질로 구성된 액체를 용매에 용해하고 상기 분석물에 첨가한다. 용매에는 아세토니트릴, 물, 메탄올, 에탄올 및 아세톤이 포함된다. TFA는 일반적으로 상기 분석물의 질량 스펙트럼에 대한 염 불순물의 영향을 억제하고 상기 분석물 내에서 산 가용성 단백질을 침출하기 위해 첨가된다. 상기 산은 상기 분석물의 세포막을 부분적으로 분해하여 단백질을 TOF 질량 분석기에서 이온화 및 분석에 사용할 수 있도록 한다. 물은 친수성 단백질을 용해할 수 있게 하고, 메탄올은 적어도 일부 소수성 단백질을 용해할 수 있다. 상기 MALDI 매트릭스 용액은 MALDI 플레이트 상의 분석물에 점적(spot) 되어 상기 분석물 상에 MALDI 매트릭스 물질의 균일하고 균질한 층을 생성한다. 상기 용매는 기화되어 매트릭스 결정을 통해 퍼진 상기 분석물과 함께 재결정된 매트릭스만 남게 된다. 그 다음, 산 및 매트릭스와 혼합된 상기 분석물을 함유하는 상기 코팅된 플레이트를 TOF 질량 분석기에서 분석한다. 다른 MALDI 매트릭스 물질은 미국 특허 제8,409,870호에 기술된 바와 같이 3,5-디메톡시-4-히드록시 신남산(시나핀산)(3, 5 -dimethoxy-4-hydroxy cinnamic acid (sinapinic acid)), α-시아노-4-히드록시 신남산(α-시아노 또는 α-매트릭스)(a-cyano-4-hydroxy cinnamic acid (a-cyano or a-matrix)) 및 2,5-디히드록시벤조산(2,5-dihydroxybenzoic acid: DHB)이 포함된다. 고질량 범위 TOF(time-of-flight) 질량 분석과 결합된 상기 MALDI 기술은 또한 큰 펩티드 성분의 직접적 분석을 가능하게 할 수 있고 "전(全) 세포" 생물학적 식별을 가능하게 하는 단백질을 완성할 수 있다.
미국 특허공개 제2003/0020011호 "SAMPLE COLLECTION PREPARATION METHODS FOR TIME-OF FLIGHT MINIATURE MASS SPECTROMETER"는 생물학적 위험물과 같은 주변 에어로졸을 수집하고 상기 에어로졸 입자의 조성을 식별하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. MALDI 매트릭스 화학 물질이 분무되어 주변 샘플 에어로졸에 주입된다. 상기 매트릭스 에어로졸 입자와 샘플 에어로졸 입자는 VCR(비디오 카세트 레코더) 테이프와 같은 매체상에 함께 침착(deposit) 된다. 그런 다음, 상기 테이프는 분석을 위해 MALDI TOF(Time of Flight) 질량 분석기로 이동된다. 상기 매트릭스 입자와 주변 에어로졸 입자 상호작용은 상기 테이프에 퇴적되기 전에는 상기 입자들이 서로 충돌하지 않기 때문에 상기 테이프 상에서 발생한다. 상기 테이프 표면에서 매트릭스와 샘플 에어로졸 입자들의 충돌은 상기 입자들을 고속으로 가속하고 상기 테이프에서 에어로졸 흐름을 유도하는 노즐에 의해 가능하게 된다. 상기 흐름을 가속화하는데 소비된 에너지 때문에, 상기 입자들은 상기 표면에 충격을 주고 동시에 상기 테이프 상에서 서로 충돌한다. 이러한 가속이 없다면, 상기 입자들은 기상 흐름의 유선을 따라 상기 테이프를 지나쳐 흐를 것이다. 미국 특허 제6,841,773호 "PORTABLE TIME OF FLIGHT MASS SPECTROMETER SYSTEM"는 비디오 카세트 테이프 형태의 샘플 수집기 및 샘플 운반기를 포함한 현장 휴대형 질량 분석기 시스템을 개시한다. 상기 샘플 운반기는 샘플 수집기와 인터페이싱하여 샘플 침착물을 받는다. 이 시스템은 TOF(Time of Flight) 질량 분석기를 포함한다.
미국 특허공개 제2005/0017102호 "ELECTROSTATIC ATOMIZER AND METHOD OF PRODUCING ATOMIZED FLUID SPRAYS"는 분석물 샘플 스트림을 MALDI 매트릭스를 포함하는 별도의 저장소에 수용되어있는 하나 이상의 스프레이 유체와 접촉시켜 MALDI 플레이트와 같은 기질에 상기 분석물을 침착시키고 MALDI MS를 사용하여 분석하는 것을 개시한다. 일 예에서, 제1 마이크로 인젝터에는 이소프로판올이 공급된다. 제2 마이크로 인젝터에는 70% 아세토니트릴과 30% 물의 혼합물이, 제3 마이크로 인젝터에는 0.1% 트리플루오로아세트산이 공급된다. 제3 마이크로 인젝터에는 물, 물/글리세린, 아세트산, 포름산 및 에탄올을 포함한 다양한 공정 유체가 순차적으로 공급된다. 제어되는 상기 마이크로 인젝터들(예컨대, 전원에 작동 가능하게 연결된 100㎛ ID 스테인리스 스틸 바늘)은 상기 분무된 액체를 샘플 준비 영역에 분사한다. 상기 마이크로 인젝터들은 각각이 상기 샘플 준비 영역의 동일한 영역에 분사하도록 배향된다. 상기 샘플 준비 영역은 상기 마이크로 인젝터들의 방향에 수직인 채널이다. 세균 포자 또는 기타 생물학적 물질과 같은 분석할 샘플을 포함하는 농축된 가스 스트림은 상기 샘플 준비 영역을 통과하고, 상기 분무된 유체와 접촉한 다음, MALDI 분석을 위해 샘플 슬라이드 상으로 전달된다. 그러나, MALDI 매트릭스 에어로졸 스트림을 분석물 에어로졸 스트림과 혼합하면, 개시되듯이 입자 충돌을 유도하기위해 인가되는 음향력이나 정전기력과 같은 일부 부가의 외력이 없이는 두 에어로졸 스트림 내의 개별 입자들이 서로 충돌하게 되지는 않는다.
미국 특허 제7,125,437호 "METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCED PARTICLE COLLECTION EFFICIENCY"는 수집 및 분석할 입자를 포함하는 기류를 충돌 표면으로 안내하는 단계와, 수성 액적을 함유하는 에어로졸을 상기 충돌 표면으로부터 상류의 기류 중으로 도입하여 상기 수성 액적으로 상기 입자를 응고시키고 상기 입자의 크기를 증가시켜 상기 충돌 표면상에서 상기 응고된 입자의 수집 효율을 향상시키는 단계를 포함하는 입자 수집 방법을 개시한다. 상기 수성 액적을 함유하는 상기 에어로졸은 액체를 포함하는 저장소에 대해 담체 가스의 압축된 스트림을 지향함으로써 생성될 수 있고, 이에 의해 상기 기류에서 상기 입자를 공동 에어로졸화하기 전에 흡인된 액체를 에어로졸화하도록 액체 미립자들에 전단응력을 가하는 동안 상기 저장소로부터 상기 액체를 흡인한다. 대안적으로는, 상기 수성 액적을 함유하는 에어로졸은, 상기 액체 미립자가 상기 압전 기반 요소의 출구를 횡단함에 따라, 압전 소자를 포함하는 압전 기반 분무기를 통해 선택된 액체를 구동하고 에어로졸을 생성하도록 액체 미립자에 전단응력을 가하기에 충분한 원하는 주파수로 상기 압전 소자를 진동시킴으로써 생성될 수 있다. 상기 개시된 방법은, 응고된 입자가 상기 충돌 표면에 충돌하면서 상기 충돌 표면을 습윤화하여 상기 충돌 표면상에 액체 풀(pool)을 형성함으로써 상기 충돌 표면으로부터 응고된 입자의 튀는 것을 최소화하여 수집 효율을 향상시키는 단계와, 상기 응고된 입자를 기계적, 화학적 또는 생물학적으로 변형시키는 상기 기류 중의 또는 상기 충돌 표면상의 상기 액체 풀에서의 한 환경을 생성하기 위해 첨가제를 선택하고 선택된 첨가제를 공동 에어로졸화함으로써 상기 수집된 응고 입자의 식별을 향상시키는 단계를 포함한다. 상기 첨가제는 상기 기류 중 또는 액체 풀에서 생성된 상기 환경이 배양할 유기체의 가속화된 성장을 가능케 하도록 선택된다. 고정형(standing) 액적 풀의 형성은 또한 상기 충돌 표면 부근에서, 예를 들어 충돌 노즐의 베이스에서 직접 계량된 양의 액체를 도입함으로써 실현될 수 있다. 그 결과, 상기 충돌 표면으로부터 상류에 과도한 액적을 도입하는 대신에 바로 이 표면상에서 고정형 액적 풀이 생성될 수 있다. 미국 특허 제7,125,437호와 미국 특허 제6,841,773호는 MALDI-MS 분석을 위한 신뢰할만한 에어로졸 샘플링 및 매트릭스 혼합 장치를 제공하지는 않는다. 왜냐면, 기술된 방법을 사용하여 MALDI 매트릭스를 에어로졸화하면, 매트릭스 화학 물질의 일부가 결정화되어 분무기가 막히는 경향이 있기 때문이다.
세균, 진균, 바이러스, 독소 및 약 1000Da 미만의 분자량을 갖는 하나 이상의 화합물로 구성된 에어로졸과 같은 저휘발성 화학물질을 포함하는 에어로졸 분석물 입자의 신뢰할 수 있고 자율적이며 근 실시간 분석 및 식별을 높은 정확도로 제공하기 위한 방법 및 장치가 요망된다.
자율 샘플 포착 및 분석 시스템(autonomous sample capture and analysis system)이 개시되며, 상기 시스템은 새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 폐(spent) 디스크 카트리지를 수용하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 샘플 수집 스테이션, 및 TOFMS를 포함하되 샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 분석 스테이션을 포함한다. 상기 샘플 수집 스테이션은 에어로졸 샘플 수집 스테이션 및 액체 샘플 수용 스테이션 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 예시적인 시스템은 카메라 스테이션을 더 포함할 수 있다. 상기 예시적인 시스템은 액체 화학 물질 분배 스테이션을 더 포함할 수 있다. 상기 샘플 디스크들은 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅될 수 있다. 상기 샘플 디스크는 니켈 및 니켈 합금 중의 하나 이상으로 만들어질 수 있다. 상기 에어로졸 샘플 수집 스테이션은 직경이 약 1㎜인 샘플 점적(spot) 크기를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 분배 스테이션은 약 0.5μL 내지 약 2μL의 액체를 분배하도록 구성될 수 있다. 상기 분배되는 액체는 TFA, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 및 물 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 원격 서버와 통신하도록 구성될 수 있고, 상기 분석 스테이션의 출력은 상기 원격 서버로 전송된 다음, 데이터 처리를 위한 데이터 처리 스테이션으로 전송된다. 상기 시스템은 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 데이터 처리 스테이션과 통신하도록 구성될 수 있고, 상기 분석 스테이션의 출력은 처리를 위해 상기 데이터 처리 스테이션으로 전송된다.
또한, 자율 샘플 포착 및 분석 시스템이 개시되며, 상기 시스템은 새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 에어로졸 샘플 수집 스테이션, 액체 화학물질 분배 스테이션, 카메라 스테이션, 및 샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 분석 스테이션을 포함한다. 본 명세서에 개시된 로봇 시스템은 2개의 이동 축을 갖는다. 3개의 이동 축을 갖는 다른 실시예가 가능하지만, 2개의 이동 축을 갖는 실시예만큼의 신뢰성이 없을 수 있다. 상기 분석 스테이션은 TOFMS를 포함할 수 있다. 상기 분석 스테이션은 TOFMS 및 광학 검출기 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 카메라 스테이션은 현미경 카메라 및 디지털 카메라 중의 하나 이상을 수납하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템은 건조 스테이션을 더 포함하고 여기서 상기 샘플은 유도 가열, 저항 가열, 건조 공기의 흐름, 뜨거운 공기의 흐름, 진공 및 이의 조합 중에서 하나 이상을 사용하여 실질적으로 건조된다. 상기 예시적인 시스템은 입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터(clutter) 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하기 위해 상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 여기 개시된 예시적 시스템을 사용하여 에어로졸 분석물 입자를 수집 및 분석하는 방법이 개시되며, 상기 방법은, 샘플 디스크를 상기 새 샘플 디스크 로더 스테이션에서 상기 샘플 디스크 홀더 상으로 로드하는 단계, 에어로졸 입자가 상기 코팅된 샘플 디스크 상으로 충돌하는 상기 에어로졸 샘플 수집 스테이션으로 새 디스크가 있는 상기 샘플 디스크 홀더를 이동하는 단계, 침착된 에어로졸 샘플을 화학 물질로 처리하기 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 상기 액체 화학 물질 분배 스테이션으로 이동시키는 단계, 현미경 카메라 및 디지털 카메라를 이용한 이미징 중의 하나 이상을 사용하여 검사를 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 상기 카메라 스테이션으로 이동시키는 단계, 상기 샘플을 건조하는 단계, 및 샘플 분석을 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 TOFMS 분석 스테이션으로 이동하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템과 원격 서버 간의 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 상기 TOFMS 분석 스테이션의 출력을 상기 원격 서버로 전송하는 단계, 상기 에어로졸 분석물 입자에 고유한 로우(raw) 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계, 처리된 스펙트럼 데이터를 생성하도록 필터링(filtering), 기준선 차감(baseline subtraction), 신호 대 잡음비 추정(signal to noise ratio estimation), 피크 검출(peak detection), 및 특징 추출(feature extraction) 중의 하나 이상을 수행하는 단계, 및 상기 처리된 스펙트럼 데이터를 여러 생물학적 및 화학적 분석물들의 처리된 스펙트럼 데이터를 포함한 참조 라이브러리와 비교함으로써 상기 에어로졸 분석물 입자의 조성을 식별하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 샘플 디스크는 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅될 수 있다. 상기 에어로졸 샘플러는 반도체 공정 유체와 같은 공정 유체 중에 부유된 에어로졸 또는 주변 에어로졸의 샘플을 수용하도록 구성될 수도 있다. 만일 공정 유체가 액체인 경우, 그러면 상기 공정 유체는 상기 에어로졸 샘플러에 의해 수납되기 이전에 에어로졸화될 것이다.
또한, 자율 분석 시스템이 개시되며, 상기 시스템은, 새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 액체 샘플 수용 스테이션, 액체 화학물질 분배 스테이션, 및 샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 TOFMS 분석 스테이션을 포함한다. 상기 액체 샘플 수용 스테이션은 에어로졸 수집 장치로부터 액체 샘플을 수납하도록 구성될 수 있다. 상기 액체 샘플 수용 스테이션은 호기(exhaled breath)를 포함하는 액체 샘플을 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 액체 샘플 수용 스테이션은 표적 분석물을 정제할 수 있는 액체 샘플 처리 장치로부터 얻은 액체 샘플을 수납하도록 구성될 수 있다. 상기 에어로졸 수집 장치는 임팩터, 연속적 또는 간헐적 헹굼이 있는 회전 임팩터, 연속적 또는 간헐적 헹굼이 있는 사이클론, 습윤 벽(wet-walled) 임팩터 및 액체 집진기 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 에어로졸 입자를 수집 및 분석하는 예시적인 방법이 개시되며, 상기 방법은, 에어로졸 입자를 액체 중으로 수집하는 단계, 상기 액체 샘플에 효소(enzyme) 및 열산 처리(hot acid treatment) 중의 적어도 하나를 적용하는 단계, 상기 에어로졸 샘플의 특성을 나타내는 펩타이드(peptide)를 생성하는 단계, MALDI 매트릭스 용액을 상기 처리된 샘플에 첨가하는 단계, 상기 샘플을 건조하고 TOFMS를 이용하여 분석하는 단계를 포함한다. 상기 효소 및 열산 처리 단계 중의 적어도 하나는 약 140℃에서 약 15분 동안 수행된다.
또한, 액체 샘플 중의 오염물 입자를 포착 및 분석하기 위한 자율 샘플 포착 및 분석 시스템이 개시되며, 상기 시스템은, 캐리어 가스 중에 오염물 입자를 포함하는 에어로졸을 생성하기 위한 분무기, 에어로졸 중의 상기 오염물 입자의 크기를 사전 결정된 평균 입자 직경으로 확대하기 위한 하나 이상의 응결 성장 튜브, 새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션, 에어로졸 샘플 수집 스테이션, 액체 화학물질 분배 스테이션, 및 샘플 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 분석 스테이션을 포함한다. 상기 분석 스테이션은 LDI-MS를 포함한다. 상기 분석 스테이션은 LDI-MS 및 광학 검출기 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 분석 스테이션은 MALDI-TOFMS를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 디스크들은 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅된다. 상기 샘플 디스크는 니켈 및 니켈 합금 중의 하나 이상으로 제조될 수 있다. 특정 용도에는 다른 재료가 바람직할 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 게르마늄 또는 희토류 금속은 반도체 불순물의 미량 금속 분석에 적합할 수 있다. 만일 비자성 디스크 재료를 사용하는 경우, 샘플 디스크의 바닥에 자성 물질의 박막을 배치해야 한다. 상기 분배 스테이션은 약 0.5μL 내지 약 2μL의 액체를 분배하도록 구성될 수 있다. 상기 분배된 액체는 TFA, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 및 물의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 카메라 스테이션을 더 포함할 수 있다. 상기 카메라 스테이션은 현미경 카메라 및 디지털 카메라 중의 하나 이상을 수납하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템은 상기 샘플이 진공 하에 실질적으로 건조되는 건조 스테이션을 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하도록 상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 오염물 입자의 조성을 식별하도록 상기 분석 스테이션으로부터 출력된 처리 데이터를 획득하기 위한 데이터 처리 스테이션을 더 포함할 수 있다. 상기 오염물 입자의 평균 크기는 약 1㎚ 내지 약 20㎚일 수 있다. 상기 응결 성장 튜브를 빠져나가는 입자의 평균 크기는 1㎛에서 10㎛ 사이일 수 있다. 대안적으로, 상기 응결 성장 튜브를 빠져나가는 입자의 평균 크기는 약 2㎛ 내지 약 4㎛일 수 있다. 상기 응결 성장 튜브를 나가는 입자의 평균 크기는 약 3㎛일 수 있다. 상기 액체 샘플은 UPW 및 반도체 제조 동안 사용되는 화학 액체 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 액체 샘플 중의 오염물 입자를 포착 및 분석하는 예시적 방법이 개시되며, 상기 방법은, 여기 개시된 예시적 장치를 제공하는 단계, 액체 샘플을 분무하여 캐리어 가스 중에 오염물 입자를 포함하는 에어로졸을 생성하는 단계, 사전 결정된 평균 입자 직경의 확대된 오염물 에어로졸 입자를 생성하기 위해 하나 이상의 응결 성장 튜브를 사용하여 상기 에어로졸 중의 상기 오염물 입자의 크기를 성장시키는 단계, 샘플 디스크를 상기 새 샘플 디스크 로더 스테이션에서의 상기 샘플 홀더 상으로 로드하는 단계, 새 디스크가 있는 상기 샘플 홀더를 상기 에어로졸 수집 스테이션으로 이동하여 상기 확대된 오염물 에어로졸 입자가 코팅된 샘플 디스크 상으로 충돌하는 단계, 침착된 에어로졸 샘플을 화학 물질로 처리하기 위해 상기 샘플 홀더를 상기 액체 화학 물질 분배 스테이션으로 이동시키는 단계, 현미경 카메라 및 디지털 카메라를 이용한 이미징 중의 하나 이상을 사용하여 검사를 위해 상기 샘플 홀더를 상기 카메라 스테이션으로 이동시키는 단계, 상기 샘플을 건조하는 단계, 및 샘플 분석을 위해 상기 샘플 홀더를 분석 스테이션으로 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 사용하여 입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 분석 스테이션은 LDI-MS를 포함할 수 있다. 상기 분석 시스템은 LDI-MS, MALDI-TOFMS, LIBS, 라만 분광법 및 IR 분광법 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 에어로졸 분석물 입자에 고유한 로우 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계, 처리된 스펙트럼 데이터를 생성하기 위해 필터링, 기준선 차감, 신호 대 잡음비 추정, 피크 검출, 및 특징 추출 중에서 하나 이상을 수행하는 단계, 및 상기 처리된 스펙트럼 데이터를 여러 생물학적 및 화학적 분석물들의 처리된 스펙트럼 데이터를 포함하는 참조 라이브러리와 비교하여 상기 오염물 입자의 조성을 식별하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 식별하는 단계는 기계 학습(machine learning)을 사용하여 스펙트럼 데이터를 훈련 데이터 세트(training data set)와 비교함으로써 오염물 입자 조성을 예측하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 다른 특징 및 이점은 부분적으로 다음의 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면에 설명될 것이며, 여기서 본 개시내용의 바람직한 양태들이 설명 및 도시되고 부분적으로는 첨부된 도면과 함께 취해진 하기의 상세한 설명을 검토함으로써 통상의 기술자에게 명백해지거나 또는 본 개시내용의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 개시내용의 이점은 특허청구범위에서 특히 지적된 수단들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
본 개시내용의 전술한 양태들과 많은 부수적인 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되면서 더욱 쉽게 인식될 것이다.
도 1a, 1b 및 1c는 각각 예시적인 자율 에어로졸 샘플 포착 및 분석 시스템의 사시도, 상기 자율 시스템에서 사용하기 위한 샘플 디스크 홀더의 사시도, 그리고 샘플 수집 스테이션의 단면도를 보인다.
도 2a~2e는 각각 새 샘플 디스크를 보관하기 위한 예시적인 카트리지의 사시도, 카트리지에서 샘플 디스크들의 스택의 사시도, 샘플 디스크 홀더에서 샘플 디스크를 로드하기 전에 카트리지에 있는 디스크 스택의 단면도, 샘플 디스크 홀더에서 샘플 디스크를 로드한 후 카트리지에 있는 디스크 스택의 단면도, 그리고 카트리지의 단면도이다.
도 3은 에어로졸 입자 샘플 포착 및 분석을 위한 예시적인 자율 방법의 개략도이다.
도 4는 에어로졸 입자 샘플 포착 및 분석을 위한 자율 방법과 관련된 예시적인 시스템 재설정 방법의 개략도이다.
도 5는 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 얻은 생물학적 에어로졸 입자의 로우(raw) 질량 스펙트럼이다.
도 6은 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 얻어지고 라이브러리 Bg(Bacillus subtilis var niger) 스펙트럼(위)과 비교한, Bg 에어로졸 포자의 처리된 질량 스펙트럼(아래)이다.
도 7은 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 얻어지고 라이브러리 Bt(Bacillus thuringiensis al Hakam) 스펙트럼(위)과 비교한, Bt 에어로졸 포자의 처리된 질량 스펙트럼(아래)이다.
도 8은 전체 질량 범위(full mass range)(상단, 최대 약 80kDa) 및 저 질량 범위(low mass range)(하단, 최대 약 10kDa)에 걸쳐, Bg, Bt, 엔테로박테리아 파지 T2(Enterobacteria phage T2), E. coli 및 단백질 알부민(protein albumin)을 포함하는 바이오에어로졸 입자의 처리된 질량 스펙트럼(66kDa, Da= Dalton)이다.
도 9는 건물 먼지 및 실험실 공기를 포함하는 공기 중에서 Bg 입자의 다양한 농도에 대한 예시적인 자율 에어로졸 샘플 캡처 및 분석 시스템을 사용한 분석의 감도를 보인다.
도 10a 및 10b는 예시적인 용매 분배 펌프의 사시도 및 용매 흐름에 대한 흐름 개략도를 각각 보인다.
도 11a 및 11b는 예시적인 자율 에어로졸 샘플 포착 및 분석 시스템에서 사용하기 위한 예시적인 분무기의 개략도를 보인다.
도 12는 자율 에어로졸 샘플 포착 및 분석 시스템과 관련된 데이터 관리를 보여주는 예시적인 개략도이다.
도 13은 자율 에어로졸 샘플 포착 및 분석 시스템을 위한 소프트웨어 설계를 보여주는 예시적인 개략도이다.
도 14는 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 E. coli를 포함하는 바이오에어로졸 입자의 처리된 질량 스펙트럼을 보인다.
도 15는 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 Y. rohdei를 포함하는 바이오에어로졸 입자의 처리된 질량 스펙트럼을 보인다.
도 16은 예시적인 샘플 포착 및 분석 시스템을 사용하여 E. coli 박테리오파지 MS2 바이러스(E. coli Bacteriophage MS2 virus)를 포함하는 바이오에어로졸 입자의 처리된 질량 스펙트럼을 보인다.
상기 도면들에서 참조를 위한 모든 도면부호, 지시선 및 설명선은 여기 상세히 설명되는 것처럼 이러한 참조에 의해 통합된다. 도면의 일 요소에 부호를 매기지 않는다고 해서 권리를 포기하는 것은 아니다. 부호가 없는 참조는 도면과 청구항에서 문자로 식별할 수도 있다.
하기의 상세한 설명은 발명의 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면들에 대한 참조를 포함한다. 도면들은 예시로서 개시된 시스템 및 방법이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 도시한다. "예시(example)" 또는 "선택(option)"으로서 이해되어야 하는 이들 실시예는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 실시예들이 결합될 수 있고, 다른 실시예들이 활용될 수 있거나, 구조적 또는 논리적인 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안 되며 본 발명의 범위는 특허청구범위 및 그의 법적 등가물에 의해 정의된다.
본 개시내용에서, 에어로졸은 일반적으로 공기 중 또는 기체 중에 분산된 입자의 현탁액(suspension)을 의미한다. "자율적(autonomous)"은 "전문 기술자 또는 기기 운영자의 개입이 없거나 최소한의 개입인 것"을 의미한다. "샘플 디스크(sample disk)" 또는 "샘플 기판(sample substrate)"은 샘플이 침착(deposit) 될 수 있는 고체(일반적으로 금속) 표면을 의미한다. 에어로졸의 "실시간(real-time)" 또는 "근 실시간(near real-time)" 분석은 일반적으로 분석할 에어로졸 샘플이 수집된 후 몇 분 이내에(예컨대, 약 5분 미만) 상기 에어로졸 분석물을 식별하는 분석 방법 및 장치를 의미한다. 용어 "a" 또는 "an"은 하나 이상을 포함하는 데 사용되며, 용어 "또는"은 달리 표시되지 않는 한 비배타적인 "또는"을 나타내는 데 사용된다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 또는 용어는 달리 정의되지 않은 한 단지 설명을 위한 것이지 제한을 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 본 개시내용에서 달리 명시되지 않는 한, 용어 "약"의 범위를 해석함에 있어서, 개시된 값(치수, 작동 조건 등)과 관련된 오차 범위는 본 개시내용에서 지시된 값의 ±10%이다. 백분율로 개시된 값과 관련된 오류 범위는 표시된 백분율의 ±1%이다. 특정 단어 앞에 사용되는 "실질적으로"라는 단어에는 "특정된 범위에서 상당한 수준" 및 "대부분이 특정되나 전체가 특정되는 것이 아닌"의 의미가 포함된다.
본 발명의 특정한 측면들은 개시된 방법 및 시스템의 구성, 원리 및 작동을 예시하기 위한 목적으로 아래 상당히 상세하게 설명되어 있다. 그러나, 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 범위는 기술된 예시적인 측면들로 제한되지 않는다.
예시적인 자동 샘플 포착 및 분석 시스템(autonomous sample capture and analysis system)(100)(도 1a~1b)은 새로운 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션(loader station)(101), 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션(spent sample disk or substrate loader station)(102), 에어로졸 샘플 수집 스테이션(103), 카메라 스테이션(104), 약액 분배 스테이션(105), 및 적절한 프레임(107) 상에 배치된 TOFMS 분석 스테이션(106)을 포함할 수 있다. 샘플 디스크 홀더(108)는 프레임(107) 내에 배치되고 각 스테이션 아래에 이동 가능하게 배치되도록 구성된다. 샘플 디스크 홀더(108)는 선형 액추에이터 및 스테퍼 모터(110)를 사용하여 수평(X-Y축)으로 이동하도록 구성된다. 샘플 디스크 홀더(108)는 또한 스테퍼 모터 및 선형 액추에이터(111)를 사용하여 수직(Z 방향)으로 이동하도록 구성될 수 있다. 즉, 샘플 디스크 홀더(108)는 상기 스테이션들 사이에서 자율적으로(로봇식으로) 이동하고(수평 이동) 수직 이동을 사용하여 각 스테이션과 체결하도록 구성될 수 있다. 한 예시적인 디스크(112)는 직경이 6㎜일 수 있고 니켈 및 니켈 합금 중의 적어도 하나로 만들어질 수 있다. 디스크(112)의 두께는 약 0.05인치 내지 약 0.01인치일 수 있다. 분배 스테이션(105)은 분배 펌프를 사용하여 저장소(105')에 저장되어있는 액체의 약 0.5㎕ 내지 약 1.5㎕를 분배하도록 구성된다. 마이크로-분배(micro-dispensing) 펌프(예컨대, The Lee Company(Westbrook, CT)에 의해 공급되는 펌프)가 사용될 수 있다. 다른 예시적인 분배 펌프는 도 10a에 도시된 바와 같은 연동 펌프(220)(Insetek, Inc., CA)이다. 펌프(220)는 내경이 1㎜ 이하이고 외경이 1㎜ 이하인 내화학성 튜브와 함께 사용하기에 적합할 수 있다. 샘플 디스크(112)를 지지하는 것 외에도 샘플 로더(108)는 또한 흡착제 카드 또는 패드를 지지한다. 흡착제 카드(221)는 상기 샘플 홀더에 인접하게 배치되고 상기 튜브가 퍼지(purge) 될 때 분배된 액체를 흡착하는 데 사용된다. 상기 흡착 카드는 약 0.1~ 1 ㎜ 두께의 직조 또는 부직포 친수성 다공성 시트로 구성된다. 상기 카드 재료는 종이 섬유, 나일론, 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE) 직조 시트 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한 예시적인 내화학성 튜브 유형은 C-FLEX 튜빙(Cole-Palmer Vernon Hills, IL)이다.
상기 약액(chemical liquid)은 TFA, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올 및 물을 포함할 수 있다. 상기 약액은 약 70 vol.-% 아세토니트릴, 약 15 vol.-% TFA를 포함할 수 있고 나머지는 물이다. 대안적으로는, 상기 약액은 약 70 vol.-% 메탄올, 약 15 vol.-% TFA를 포함할 수 있으며 나머지는 물이다. 분배되는 약액의 부피는, 상기 샘플 디스크 상에 약 1㎜ 직경의 샘플 점적물(sample spot)을 얻도록(약 0.7㎜ 직경의 노즐(165)로) 약 0.5㎕ 내지 약 2㎕이다. 약 35℃를 초과하는 더 높은 주변 온도에서, 상기 분배 체적(dispense volume)은 상기 용매의 증발 손실을 보상하도록 더 높아야 할 수 있다. 상기 분배 체적 및 노즐 직경은 약 0.5㎜ 내지 약 1.5㎜의 점적(spot)을 달성하도록 변경될 수 있다. 주변 조건의 이러한 영향을 제거하기 위해, 시스템(100) 또는 그 일부는 온도 및 습도 제어가 가능한 공간에 배치될 수 있다. 대안적으로는, 시스템(100) 내부의 온도 및 습도가 모니터링될 수 있고, 그에 따라 상기 분배 체적이 제어될 수 있다. 또한, 분석을 위해 분배되는 액체의 부피는 상기 분석 점적물의 크기에 비례하여 조정될 수 있다. 결론적으로, 점적물이 작을수록 더 작은 양의 액체를 분배해야 한다. 시스템(100)을 위한 바람직한 인클로저는 밀봉된 온도 제어 케이스이다. 적절한 흡착기 구성요소(도시되지 않음)에 적재된 하나 이상의 건조제 또는 흡착제가, 시스템(100)이 따뜻하고 건조한 것을 보장하기 위해 물 및 용매 증기를 제거하도록, 케이스 내에 제공될 수 있으며, 샘플 건조는 바람직하게는 따뜻하고 건조한 주변 조건에서 발생한다. 이와 관련하여, "따뜻한(warm)"은 약 30℃ 내지 약 45℃ 범위를 의미하고 "건조한(dry)"은 상대 습도 약 25% 미만을 의미한다.
분배 튜브 팁(240)은 스테인리스 스틸과 PTFE와 같은 내용제성, 내산성 폴리머 중에서 적어도 하나를 포함한다. 도 10b는 샘플 디스크(112) 상에 용매의 볼루스(bolus)를 분배하기 위한 예시적 순서(250)를 도시한다. 먼저, 상기 샘플 흡착제 카드(221)가 상기 분배 튜브 아래에 위치된다(단계(251)). 그리고, 펌프(220)가 펌프(220)의 하류에서 상기 분배 튜브에 배치되어있는 임의의 유체를 완전히 퍼지하기에 충분한 시간 동안 활성화된다(단계(252)). 그리고, 디스크(112)가 있는 샘플 디스크 홀더(108)는 분배 튜브 팁(240) 아래에 위치하고(전술한 바와 같이 스테이션들 간에 로봇식으로 이동하도록 구성될 수 있음)(단계(253)), 액체가 상기 샘플 디스크(112) 상으로 분배된다(단계(254)). 펌프 속도 및 작동은 시스템 컨트롤러(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
디스크(112)는 용매에 용해된 알파-시아노-4-하이드록시신남산(alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid)을 포함하는 MALDI 약액(chemical)으로 미리 코팅될 수 있다. 용매는 아세토니트릴, 물, 메탄올, 에탄올 및 아세톤을 포함할 수 있다. 선택적으로, 시스템(100)은 디스크(112)를 코팅하기 위한 MALDI 매트릭스 코팅 스테이션을 포함할 수 있다. 새로운 디스크(112)는 새로운 샘플 디스크 카트리지(200)에 로드되기 전에 코팅될 수 있다(즉, 시스템(100) 내로 로드되기 이전에). 대안적으로는, MALDI 매트릭스 용액은 디스크 상에 침착(deposit) 된 후 저장소로부터 상기 샘플에 첨가될 수 있다. 상기 저장소는 상기 매트릭스를 용액 상태로 유지하도록 마그네틱 교반을 사용하여 가열 및 교반할 필요가 있을 수 있다.
시스템(100)은 또한 상기 이동 가능한 샘플 디스크 홀더(108)를 각 스테이션과 정렬하기 위한 귀환 센서(homing sensor)를 포함할 수 있다. Z축 귀환 센서(118)는 도 1b에 도시되어 있다. 스테퍼 모터((110)(X-Y축) 및 111(Z축))은 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어될 수 있다. 스테퍼 모터(111)는 X-Y축 캐리지(109) 상에 장착될 수 있다. 스테이션(106)에서, 스터브(stub)(116)는 전기 절연체 요소(117)를 사용하여 TOFMS로부터 격리될 수 있다. 에어로졸 수집 스테이션(103)은 ¼" O.D. SS 304 또는 SS 316 합금 튜브(113)를 포함할 수 있다. 가요성 튜브(도시되지 않음)가 단부(115)에서 입구 튜브(113)에 제거 가능하게 연결되고 샘플링될 영역에 위치될 수 있다. 예를 들어, 주변 공기 샘플은 스테이션(103)의 출구 튜브 또는 피팅(114)에 연결되어있는 에어로졸 펌프(도시되지 않음)를 사용하여 입구 튜브(113) 내로 끌어들일 수 있다. 일부 응용에서, 상기 가요성 튜브는 환기 덕트 내에 흐르는 상기 공기 샘플을 수집하도록 상기 환기 덕트에 연결될 수 있다. 단부(115)에 대향하여 배치되는 입구 배관(113)의 단부는 도 1c에 도시된 바와 같이 임팩터 노즐(165)에 에어로졸을 공급하도록 구성될 수 있다. 노즐(165)은 약 0.35㎜ 내지 약 1㎜ 범위의 노즐 팁(167)에서의 구멍 직경을 특징으로 할 수 있다. 상기 노즐 팁(167)과 샘플 디스크(112) 간에 배치되는 간격(166)은 대략 상기 노즐 직경의 크기일 수 있다(즉, 약 0.35㎜ 내지 약 1㎜ 범위).
로더 스테이션(101)은 샘플 디스크 로더 카트리지 또는 매거진(200)(도 2a~2e)을 포함할 수 있다. 카트리지(200)의 하단부는 샘플 디스크 홀더(108)의 스터브(116)와 기계적으로 맞물리도록 구성된다. 스터브(116)는 알루미늄 및 알루미늄 합금 중의 적어도 하나로 제조될 수 있다. 스터브(116)가 스테퍼 모터 및 Z-축 선형 액추에이터(111)에 의해 작동되는 샘플 디스크 카트리지(200)에 삽입되면, 이는 가요성 윙(201)(또는 로더 메커니즘)이 바깥쪽으로 구부러지게 하고 카트리지(200)에서 샘플 디스크들의 스택으로부터 샘플 디스크(112)를 스터브(116) 상으로 강제로 해제한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 각 디스크(112)의 표면은 각 디스크(112)의 기하학적으로 캡형(capped) 형상(204)으로 인해 다른 디스크로부터 분리된다. 상기 금속 샘플 디스크는 스터브(116)의 단부 상에 장착된 적절한 자석(202)을 사용하여 상기 스터브 상에서 제자리에 유지된다. 카트리지(200)로부터 스터브(116)를 빼내면, 상기 암 또는 윙(201)이 안쪽으로 복귀하고 탭(203)이 다음 사용 가능한 디스크과 맞물린다(도 2d). 상기 다음 사용 가능한 샘플 디스크는 이제 후속 샘플의 샘플링을 위해 스터브(116)와 결합할 위치에 있다. 샘플 디스크 카트리지(200)에서, 상기 다음 사용 가능한 디스크(112)는 탭 또는 후크(203)를 사용하여 제자리에 고정된다. 상기 샘플 디스크들은 로더 메커니즘 리테이너(205), 푸시 로드(206) 및 추(207)를 사용하여 제자리에서 지지된다.
카메라 스테이션(104)은 마운트 볼트(104')에 제거 가능하게 부착된 현미경 카메라와 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 이들 카메라는 스테이션들 간의 디스크 이미지를 검토하는 데 사용될 수 있습니다(예를 들어, 새 디스크(112)가 로더(200)로부터 적절하게 로드되었는지(새 디스크가 로더 스테이션(101)에서 추출되었는지), 샘플 포착 스테이션(103)에 침착된 샘플이 원하는 점적물 크기인지, 그리고 샘플이 충분히 건조되었는지 등의 여부). 시스템(100)은 또한 분석 과정 동안 수집된 위치 및 샘플 세부사항(예컨대, 카메라 이미지)을 기록하는 데이터 기록 시스템을 포함할 수 있다. 선택적으로, 샘플 디스크 홀더(108)가 샘플 수집 스테이션(103)에 위치할 때, 적절한 카운터를 사용하여 측정하면서 주변 공기의 입자 수가 사전 결정된 임계값을 초과할 때, 흡입 펌프의 작동이 개시될 수 있다. 카메라 스테이션(104)에서 사용될 수 있는 다른 유형의 카메라는 형광 현미경 카메라, 초분광 이미징 카메라 및 열화상 카메라를 포함한다. 예를 들어, 초분광 카메라와 열화상 카메라는 수집된 샘플의 질량과 샘플이 건조된 정도를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 스터브(116)는 O-링 밀봉(119)을 사용하여 TOF-MS의 진공 챔버와 진공 기밀 밀봉을 형성할 수 있다.
TOFMS 스테이션(106)에서 분석을 종료한 후, 샘플 디스크 홀더(108)는 스테이션(102)에서 폐디스크 카트리지(spent disk cartridge)로 사용되었거나 소비된 폐디스크를 반환하도록 구성된다. 자석(102)을 사용하여 제자리에 유지된 폐디스크가 있는 스터브(116)는 스테이션(102)에서 카트리지의 가요성 암(201)과 상기 디스크를 체결하도록 올려진다. 유한 요소 분석에 따르면, 상기 스터브에 의해 상기 가요성 암에 가해지는 약 0.1lb.의 외측력(outward force)이 약 0.015 in.의 방사상 변위를 생성하는 것으로 나타나며, 이는 탭(203)을 해제하고 상기 폐디스크를 스테이션(102)에서 상기 폐 샘플 디스크 카트리지 내로 이동시키기에 충분하다.
시스템(100)은 또한 상기 분석 스테이션으로부터 출력된 데이터를 획득 및 처리하기 위한 데이터 처리 시스템을 포함할 수 있다. 데이터 처리는, 필터/평활화(filter/smoothing), 기준선 차감(baseline subtraction), 신호 대 잡음비 추정(signal to noise ratio estimation), 피크 검출(peak detection), 특징 추출(feature extraction), 검출 및 분류와 사용자 인터페이스를 통한 보고를 포함하는 보고의 단계들을 포함할 수 있다. 검출 및 분류는 샘플에서의 에어로졸 입자(예컨대, 리신을 포함하지만 이에 국한되지 않는 생물학적 위험 입자)의 조성을 식별하기 위해 참조 스펙트럼과 비교하여 달성할 수 있다. 기계 학습(machine learning: ML) 엔진을 사용하여 획득된 수집 스펙트럼 데이터를 분석하기 위한 기계 학습(ML) 기술은 느리고 노동 집약적인 분석물 식별을 위한 수동 데이터 처리에 상당한 개선을 제공한다. 기계 학습은 일반적으로 인공 지능의 하위 집합이며 시간이 지남에 따른 데이터 분석을 통해 성능이 향상되는 알고리즘으로 구성된다. 지도식 기계 학습(supervised machine learning) 방법을 사용할 수 있다. 지도식 학습은 예시적인 입력-출력 쌍을 기반으로 입력을 출력에 매핑하는 기능을 학습하는 태스크로 구성된다. 훈련 예제 세트로 구성된 레이블이 지정된 훈련 데이터(labeled training data)에서 함수를 추론한다. 기계 학습에는 사전에 특정 기능을 식별할 필요 없이 복잡한 데이터 세트에서 특징(signature)을 식별할 수 있는 비지도식 학습 방법인 딥 러닝(deep learning) 방법론도 포함된다. 비지도식 기계 학습 방법과 반지도식(지도식 학습과 비지도식 학습 간의 하이브리드 방법) 기계 학습 방법도 또한 사용할 수 있다. 비지도식 학습 방법은 기존 레이블 없이 데이터 세트에서 이전에 알려지지 않은 패턴을 찾는 데 도움이 되는 유형 학습을 포함할 수 있다. 비지도식 학습에 사용되는 두 가지 예시적인 방법은 주성분 분석과 클러스터 분석이다. 클러스터 분석은 알고리즘 관계를 외삽하기 위해 공유 속성이 있는 데이터 세트를 그룹화하거나 분할하는 비지도식 학습에 사용된다. 클러스터 분석은 레이블이 지정, 분류 또는 카테고리화 되지 않은 데이터를 그룹화하는 기계 학습의 한 지류이다. 클러스터 분석은 데이터의 공통점을 식별하고 각각의 새로운 데이터 조각에서 이러한 공통점의 유무에 따라 반응한다. 이 접근 방식은 비정상적인 데이터 포인트를 검출하는 데 도움이 된다. 비지도식 학습 방법은 이상 감지에 사용될 수 있으며, 이는 이전에 알려지지 않은 위험을 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 공기 샘플을 주기적 간격으로 분석하여 공기 중의 입자 조성을 측정하고 입자의 특성(예컨대, 크기, 형상, 형광) 및 입자와 관련된 스펙트럼을 식별하여 "정상적인" 주변 공기 중의 입자의 기준 데이터(baseline data) 정보를 얻을 수 있다. 생물학적 위협 요소가 대기 중으로 방출되는 것과 같은 이벤트 이후에, 대기 중 입자는 기준 데이터에서 벗어난 입자 속성 데이터 및 스펙트럼 데이터를 제공하고 이상임(이상 스펙트럼으로 입증됨)을 강조 표시하고 위협을 완화하기 위한 교정 조치를 취할 기회를 제공한다. 컴파일된 스펙트럼 데이터는 입자 조성을 예측하기 위해 알려진 생물학적 물질 스펙트럼의 지식 기반으로 구성된 훈련 데이터 세트(training data set)와 비교될 수 있다. 한 예시적인 샘플 준비 및 분석 시스템은 상기 기계 학습 엔진과 데이터 통신하여 상기 훈련 데이터 세트 지식을 기반으로 업데이트하고 시간이 지남에 따라 조성의 예측을 개선할 수 있다.
생물학적 물질 질량 스펙트럼(biological matter mass spectra)은 화학적 질량 스펙트럼(chemical mass spectra)보다 약 30배 더 큰 범위를 커버하므로 자동화 기술의 적용을 상당히 복잡하게 만든다. 또한, 환경 오염물은 이온화 과정(경쟁 이온화(competitive ionization)) 동안에 표적(target)과 경쟁하여 신호 강도를 감소시킬 수 있고, 표적 특징(target signature)과 디컨볼루션(deconvolve) 되어야 하는 특징(signature) 요소(클러터(clutter))를 도입할 수 있다. 현재 자동화된 방법은 환경의 클러터가 없는 샘플에서 매우 순수한 표적을 검색하는 것으로 대부분이 제한된다. 개시된 예시적인 방법은 표적 분석물을 클러터로부터 물리적으로 분리함으로써 경쟁 이온화를 제거하고 특징(signature)에서의 모호성을 제거한다(각 이벤트는 표적 또는 클러터로 가정됨). 에어로졸 샘플과 관련된 스펙트럼 데이터 분석을 위한 기계 학습 방법의 포함에 대한 추가 세부 사항은 공동 소유의 미국 가특허출원 제62/868,906호 "Methods and Systems for Detection of Aerosol Particles Without Using Complex Organic MALDI Matrices"에 기재되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 대안적으로는, 분석 스테이션에서 출력된 데이터는 데이터 관리 시스템의 외부 데이터 처리 스테이션(1201)(도 12)을 사용하여 처리될 수 있 수 있고 데이터는 유선(이더넷, LAN)이나 무선 양방향 통신을 통해 시스템(100)에서 상기 처리 스테이션으로 전송될 수 있다. 로우 데이터(raw data), 필터링된 데이터, 데이터 로그, 알람 및 작동 파라미터와 같은 다양한 형식의 데이터는 로컬 저장 서버(1202) 및 원격 또는 클라우드 저장 서버(1203) 중의 적어도 하나에 저장될 수 있다. 상기 서버들은 데이터 처리 스테이션(1201)과 양방향 보안 통신하도록 구성된다. 모바일 애플리케이션 소프트웨어(1204)("앱(app)")는 또한 예시적 시스템(100)의 작동 상태를 모니터링하고, 데이터 처리를 개시하며, 데이터 처리 스테이션(1201)으로부터의 출력 또는 결과를 리뷰하고 보고하도록 구성될 수 있다. 모바일 애플리케이션 소프트웨어 또는 "앱"은 스마트폰, 태블릿 또는 와치(watch)와 같은 모바일 장치에서 실행되도록 구성된 컴퓨터 프로그램이다. 앱은 프런트 엔드(front-end) 요소 또는 사용자 인터페이스(user interface: "UI")로 구성되며 사용자에게 사용하기 쉽고 친숙한 인터페이스를 제공하도록 설계된다. 상기 프런트 엔드는 데이터 라우팅, 보안, 인증, 권한 부여, 오프라인 작업 및 서비스 오케스트레이션(service orchestration)을 용이하게 하는 백 엔드(back-end) 요소와 통신한다. 앱은 또한 모바일 앱 서버, 메시지 큐잉(queuing), 엔터프라이즈 서비스 버스(enterprise service bus: "ESB") 및 기타 서비스 지향 아키텍처(service-oriented architecture: "SOA") 인프라 요소를 포함하지만 이에 국한되지 않는 하나 이상의 중개 또는 중간 요소와 통신할 수 있다. 상기 모바일 장치와 데이터베이스 또는 클라우드 간의 데이터 동기화와 오프라인(인터넷 연결 없음) 기능은 성공적인 모바일 앱의 원활한 작동에 핵심이다. 데이터베이스 및 클라우드 서비스 제공업체(Couchbase Mobile(Couchbase), Azure Mobile Services(Microsoft), Cognito(Amazon), Firebase(Google) 등)는 모바일 제공과 동기화 및 오프라인 성능을 제공한다. 상기 앱은, 바람직하게는, 동기화되고 분산된 저장, 전송과, 주소 인증, 상기 앱이 파일 시스템 암호화 및 데이터 수준 암호화를 지원하는지 여부와 관련된 저장 중 데이터(data at rest), 이동 중 데이터(data in motion), 및 사용자가 액세스하고 변경/수정할 수 있는 데이터를 정의하는 읽기/쓰기 액세스와 같은 기능을 사용하는 저장을 통해, 안전한 데이터 액세스 통신을 제공해야 한다. 데이터베이스는 관계형(relational)(Oracle, mySQL 등의 SQL 데이터베이스) 또는 NoSQL(예컨대, MongoDB, CouchDB)일 수 있다. 또한, 모바일 플랫폼에서 분산된 데이터 쓰기의 경우, 동일한 데이터가 여러 장치에서 동시에 수정될 수 있고 여러 장치에서 데이터 액세스 간에 충돌이 발생할 수 있다. 상기 앱은 바람직하게는 이러한 충돌을 해결하기 위한 메커니즘을 포함해야 한다. 상기 충돌 해결 메커니즘은 상기 장치에서, 상기 클라우드에서 자동으로 해결을 허용하거나 수동으로 시작할 수 있다. 도 13은 시스템(100)에 대한 소프트웨어 설계(1300)를 보이는 예시적인 개략도이다. 시스템(100)에서 요소들(1301)의 동작은 컨트롤러(1302)에 의해 제어된다. 앞서 개시했듯이, 모바일 애플리케이션 소프트웨어("앱")는 예시적 시스템(100)의 동작 상태를 모니터링하고, 데이터 처리를 개시하고, 출력 또는 결과를 리뷰하고 보고하도록 구성될 수 있다.
시스템(100)은 복수의 로더 스테이션(101)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 로더 스테이션(101)은 MALDI 매트릭스로 코팅된 디스크(112)를 포함할 수 있고 제2 로더 스테이션(101)은 코팅되지 않은 디스크를 포함할 수 있다. 예시적인 시스템(100)은 또한 교대로 코팅된 디스크와 코팅되지 않은 디스크의 스택을 포함하는 로더 스테이션(101)을 포함할 수 있다. 코팅된 샘플 디스크가 필요하고 코팅되지 않은 샘플 디스크가 새 샘플 디스크 스택 또는 카트리지(200)의 바닥에 있는 이벤트에서는, 상기 코팅되지 않은 샘플 디스크가 상기 새 디스크 스택(200)으로부터 끌어 당겨지고 상기 폐 디스크 스택으로 스테이션(102)에서의 카트리지로 이동할 수 있으며, 따라서 로봇 작동식의 샘플 홀더(108)가 상기 새 디스크 스택의 코팅되지 않은 샘플 디스크(112)에 접근할 수 있다. 로더 스테이션(101)의 새 카트리지와 스테이션(102)의 폐카트리지(spent cartridge) 사이의 이러한 이동은 약 10초 미만, 바람직하게는 약 5초 미만 내에 달성될 수 있다. 또한, 시스템(100)은 캐러셀(carousel) 상에 상주하는 복수의 로더 및 언로더 스테이션들을 포함할 수 있다. 한 샘플 디스크 카트리지가 소진되면, 상기 캐러셀이 회전하여 코팅되거나 코팅되지 않은 샘플 디스크의 새 스택이 들어 있는 새 샘플 디스크 카트리지를 제공할 수 있다. 대안적으로는, 2개의 캐러셀이 제공될 수 있고, 하나는 새 샘플 디스크용이고 다른 하나는 사용된 샘플 디스크용으로 된다. 기계 학습 기술은 또한 카메라 스테이션(104)에 의해 생성된 이미지의 분석을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 신경망(neural network)은 샘플 디스크(112)가 스테이션(101)에서 적절하게 로드되었는지 또는 스테이션(102)에서 적절하게 언로드되었는지 여부를 결정하거나, 샘플이 건조하거나 또는 건조가 필요한지 여부를 평가하도록 훈련될 수 있다.
화학적 에어로졸 입자의 분석을 위한 다른 예시적인 방법에서, MALDI 매트릭스로 디스크를 사전 침착할 필요가 없을 수 있다. 화학적 에어로졸 입자(위협제제(threat agent))의 예들로는 리신(ricin), 펜타닐(fentanyl) 및 카르펜타닐(carfentanyl)이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 이들 화학 제제는 비교적 생산이 용이하고 탄저병과 같은 생물학적 제제보다 쉽게 구입할 수 있으며 최근에는 화학무기로도 사용되고 있다. 이러한 비생물학적 화학적 에어로졸 입자를 포함하는 샘플의 샘플 준비 동안, 상기 에어로졸 입자는 MALDI 매트릭스로 사전 코팅되지 않은 샘플 디스크 또는 기판 상에 직접 침착(deposit) 될 수 있으며, 필요한 경우 건조되고, 레이저 탈착/이온화 질량 분석기(Laser desorption/ionization mass spectrometer: LDI-TOFMS)로서 작동되는 TOF-MS를 사용하여 분석할 수 있다. LDI-TOFMS(Laser Desorption/Ionization-Time of Flight Mass Spectrometry)는, 이온화 동안에 분자 이온의 상당한 단편화를 생성하여 유기 화합물에서 분자량 및 분자 구조의 측정을 가능하게 하기 때문에 작은 유기 화합물(＜1000 Da) 및 무기 화합물 분석에 사용할 수 있다. MALDI TOFMS는 폴리머와 같은 대형 유기 화합물에 적합하다.
예시적인 방법(300)(도 3)에서, MALDI 매트릭스로 사전 코팅된 새 디스크(112)를 갖는 샘플 디스크 홀더(108)는 상기 에어로졸 샘플로 상기 디스크를 충돌시키기 위해 TOFMS 스테이션(106)에서 스테이션(103)으로 이동된다. 스테이션(106)으로부터 샘플을 이동하기 전에 상기 TOFMS 스테이션의 게이트 밸브가 폐쇄된다. 단계(301)에서, 상기 에어로졸 펌프는 사전 결정된 시간 동안 켜져, 주변 공기를 튜브(113) 내로 끌어들이고 코팅된 디스크(112) 상의 입자에 충돌시킨다. 단계(302)에서 상기 펌프는 꺼지고, 상기 샘플 디스크 홀더(108)는 단계(304)에서 상기 침착된 샘플을 화학 물질로 처리하기 위해 단계(303)에서 스테이션으로 이동된다. 단계(305)에서, 상기 디스크를 갖는 상기 샘플 디스크 홀더는 현미경 카메라 또는 디지털 카메라를 사용한 이미징 중 적어도 하나를 사용하는 검사를 위해 카메라 스테이션(104)으로 이동된다. 단계(306)에서 상기 샘플의 건조가 개시된다. 상기 샘플은 스테이션(104)에서 상기 샘플의 이미지를 촬영함으로써 주기적으로 모니터링되고(단계(307)) 건조가 지속되되(단계 308), 예를 들어 이미지가 상기 샘플이 여전히 젖어 있음을 나타내는 경우 히터를 사용하여 상기 샘플을 가열함으로써 건조가 계속된다. 상기 샘플이 충분히 건조되면, 상기 샘플 홀더는 TOFMS 분석을 위해 스테이션(106)으로 이동된다. 단계(309)에서 상기 샘플 스터브(116)는 TOFMS의 진공 챔버로 밀봉되고 상기 챔버는 단계(310)에서 펌핑된다. 만일 상기 샘플 히터가 존재하고 켜져 있으면, 히터가 꺼진다. 단계(311)에서 TOFMS의 이온화 레이저가 트리거되고, 단계(312)에서 스펙트럼이 수집되고 단계(313)에서 분석된다.
새 분석을 위해 시스템(100)을 재설정하는 예시적인 방법에서, 재설정 프로세스(400)(도 4)는, 스테이션(102)에서 폐디스크(spent disk)를 폐디스크 카트리지 로 이동하는 단계(단계(401)); 그리고 카트리지 스테이션(102) 내에 디스크를 삽입하는 단계(단계(402)); 그리고 상기 폐디스크가 상기 스터브에서 제거되었는지 여부를 확인하기 위해(단계(405)) 이미징을 위한 스테이션(104)으로 상기 스터브를 이동하는 단계(단계 403)를 포함한다. 만일 상기 폐디스크가 스터브(116) 상에 여전히 존재하는 경우, 유지보수 경보가 발생한다(단계(406)). 상기 이미지가 상기 폐디스크가 제거되었음을 나타내면, 샘플 디스크 홀더(108)가 새 디스크 카트리지 스테이션(101)으로 이동되고(단계(407)) 스터브(116)가 스테이션(101)의 카트리지에 삽입된다(단계(408)). 상기 스터브는 이미징을 위해 스테이션(104)으로 이동하고(단계(409)) 이미지가 수집된다(단계(410)). 만일 이미지에서 상기 디스크가 스터브(116)에 존재하는 것으로 표시되면(단계(411)), 샘플 디스크 홀더(108)는 샘플 수집을 위해 상기 에어로졸 샘플링 스테이션(103)으로 이동된다. 만일 디스크가 없으면, 유지 관리 경보가 발생한다. 기계 학습 방법을 사용하여 재설정 프로세스 동안에 촬영한 이미지의 검토를 자동화할 수 있다. 만일 디스크가 단계(411) 이후에 존재하는 경우, 상기 샘플 디스크 홀더는 상기 새 샘플 디스크(112)가 진공 하에 저장될 수 있도록 스테이션(106)(MS 스테이션)으로 이동된다(단계(412)). 그런 다음, TOFMS 시스템의 게이트 밸브가 열리고 상기 새 디스크가 진공에 노출된다.
또 다른 예시적인 방법에서, 에어로졸 입자는 미국 특허공개 제2003/0020011호에 개시된 바와 같이 충돌에 의해 기판상에 수집될 수 있고, 이는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다. 가상 임팩터(virtual impactor)나 가상 충돌의 여러 단계는, 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제7,799,567호 "AIR SAMPLER BASED ON VIRTUAL IMPACTION AND ACTUAL IMPACTION"에 기술된 바와 같이, 샘플 디스크(112) 상에 충돌하기 전에 상기 에어로졸 입자를 농축시키도록 샘플 수집 스테이션(103) 내에 통합될 수 있다. 그런 다음, MALDI 매트릭스 용액을 상기 샘플에 첨가할 수 있다. 상기 MALDI 매트릭스 용액은 용매에 용해된 알파-시아노-4-하이드록시신남산(alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid)을 포함할 수 있다. 용매는 아세토니트릴, 메탄올, 물, 에탄올 및 아세톤을 포함할 수 있다. 상기 MALDI 매트릭스 용액은 MALDI 플레이트 상의 분석물에 점적(spot) 되어 상기 분석물 상에 MALDI 매트릭스 물질의 균일하고 균질한 층을 생성한다. 상기 용매는 기화되고 상기 매트릭스 결정을 통해 퍼진 상기 분석물과 함께 재결정된 매트릭스만 남게 된다. 상기 코팅된 플레이트 또는 기판을 건조하고 TOFMS에서 분석한다. "전체 세포(whole cell)" 분석은 약 5분 이내에 식별을 제공할 수 있다.
다른 예시적인 방법에서, 상기 시스템은 공기역학적 입도 측정기(aerodynamic particle sizer), 광학 입자 계수기(optical particle counter), 및 각 입자에 대한 형광 또는 탈분극 측정을 제공하는 장치 중에서 적어도 하나를 더 포함한다. 한 예시적인 에어로졸 입도 측정기는 Air Techniques International, Inc.(Maryland)에 의해 제조된다. 형광 및 탈분극과 같은 측정 기술은 위협 에어로졸 입자를 일반적인 주변 에어로졸 입자와 구별하는 데 도움이 되는데, 오로지 단위 시간당 크기와 개수에만 기초하여 이러한 결정을 내리는 것은 신뢰할 수 없기 때문이다. 이 광학적 감지 요소는 충돌 수집 단계의 병렬(parallel) 또는 상류(upstream)로 바람직하게 추가된다. 상기 위협 에어로졸 입자와 관련된 입자 크기에 대한 정보는 이들 입자 수집을 최적화하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 평균 입자 직경이 약 1μ인 입자는 평균 입자 직경이 약 3μ인 입자보다 충돌을 유도하는데 더 높은 속도가 필요하다. 입자 밀도가 비슷하다고 가정할 때, 약 3μ 직경 입자의 질량은 약 1μ 입자의 질량보다 약 27배 더 크다. 관성 분리는 입자 질량 및 입자 속도에 비례하기 때문에, 에어로졸 수집 스테이션(103)에서 사용되는 펌프의 작동은, 1μ 입자에 대해서는 노즐을 통해 더 높은 기류 속도를 유발하도록 조정되거나 또는 만일 수집할 입자가 크기에서 더 크다면(예컨대, 약 3μ) 속도를 늦춰 기류속도를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 광학 검출기는 상기 위협 에어로졸 입자의 평균 입자 직경에 기반하여 에어로졸 입자의 수집 효율을 최적화하기 위해 활용될 수 있다. 또한, 상기 광학 탐지기로 측정한 바와 같은 위협 입자의 개수 밀도(number density)는 샘플링 기간의 지속 시간을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일 위협 에어로졸이 높은 입자 로딩의 위협 입자를 갖는 조밀한 에어로졸이라면 더 짧은 샘플링 기간이 좋은 샘플을 얻는데 충분할 수 있고, 상기 위협 에어로졸의 농도가 희석되었다면 더 긴 샘플링 기간이 필요하다.
다른 예시적인 방법에서, 상기 에어로졸 입자는 예를 들어 이하 개시되는 임팩터 장치를 사용하여 충돌 또는 충격에 의해 액체로 수집될 수 있다. 상기 샘플은 몇 분 동안 효소 또는 열산 처리를 받을 수 있다. 소화(digestion)는 약 15분 동안 약 140℃에서 수행될 수 있다. 고온의 산은 아스파르트산(aspartic acid: Asp) 잔기에서 단백질을 절단하여 매우 특이적 펩타이드를 생성한다. 단백질 특징 분자(protein signature molecules)의 화학적 소화는 약 15분 내에 단백질 펩타이드 지도를 제공하게 된다. 개별 펩타이드는 알려진 바이오마커의 아미노산 서열을 확인하기 위해 마이크로 시퀀싱될 수 있다. 리신(ricin), 보툴리누스 중독 독소(botulism toxin), 아브린(abrin)을 포함하지만 이에 국한되지 않는 "촉매성(catalytic)" 독소의 경우, 활성 분석은 "살아있는" 독소가 상기 샘플에 존재하는지 명확하게 결정할 수 있다. 이 분석은 완료하는 데 약 1시간에서 2시간이 소요될 수 있다. 그런 다음, MALDI 매트릭스 용액을 상기 처리된 샘플에 첨가한다. 상기 샘플을 건조하고 TOFMS에서 분석할 수 있다.
자율 샘플 분석은 질량 분석 및 광학 이미징으로 제한되지 않는다. 샘플 디스크에 수집된 샘플을 분석하기 위한 다른 한 예시적인 방법에서, 형광 현미경법, RAMAN 분광법, 표면 강화 RAMAN 분광법, 주사 전자 현미경법 및 기타 표면 기반 분석이 시스템(100)의 다른 개별 스테이션에서 이용되고 샘플 홀더(108) 및 샘플 처리 로봇 캐리지(109)에 액세스할 수 있다.
탄저병(anthrax)과 같은 생물학적 에어로졸 입자의 수집 및 분석을 위한 한 예시적인 방법에서, 용매 중의 MALDI 매트릭스 화학물질은 적합한 금속, 금속 합금 및 기타 높은 전기 전도성 재료로 제조된 디스크를 포함하지만 이에 제한되지 않는 기판(substrate) 상에 침착될 수 있다. 한 예시적인 샘플 디스크(112)는 직경이 6㎜일 수 있고 샘플 디스크 홀더(108) 내에서 지지될 수 있다. 상기 MALDI 매트릭스 화학 물질은 용매 중에 용해된 알파-시아노-4-하이드록시신남산(alpha-Cyano-4-hydroxycinnamic acid)을 포함할 수 있다. 용매는 아세토니트릴, 물, 에탄올 및 아세톤을 포함할 수 있다. 상기 매트릭스 케미컬은 실질적으로 건조되어 상기 디스크 상에 박막을 형성할 수 있다. 그런 다음, 상기 사전 코팅된 디스크는 약 1분 미만의 샘플링 기간에 상기 디스크 상으로 샘플 에어로졸 입자를 침착시킬 수 있는 점적 노즐(spotting nozzle) 아래에 배치될 수 있다. 상기 샘플 에어로졸은 주변 공기 중의 입자를 포함할 수 있다. 트리플루오로아세트산(tri-fluoro-acetic acid: TFA), 알코올 및 물 또는 이들의 혼합물과 같은 기타 화학물질이 상기 침착된 샘플에 첨가될 수 있다. TFA는 일반적으로 상기 분석물의 질량 스펙트럼에 대한 염 불순물의 영향을 억제하고 박테리아 포자와 바이러스의 표면층들로부터의 산 가용성 단백질을 침출하기 위해 첨가된다. 물은 친수성 단백질이 용해될 수 있게 하고, 아세토니트릴이나 유기 용매는 소수성 단백질과 지질을 녹인다. 화학 물질을 첨가하기 이전에, 적절한 카메라를 사용하여 상기 샘플 점적물(sample spot)의 하나 이상의 이미지를 캡처할 수 있다. 상기 샘플 점적물의 이미지는 건조 과정을 모니터링하고 상기 샘플이 실질적으로 건조되었는지 여부를 결정하도록 상기 화학적 처리 후에 수집 및 분석될 수 있다. 고배율 이미징을 사용하여 상기 수집된 입자의 모폴로지에 대한 정보를 제공할 수 있다. 형광 이미징 또는 열화상 이미징은 상기 디스크 상의 물질 위치 또는 상기 샘플의 건조도에 대한 추가 정보를 제공하는 데 사용할 수 있다. 상기 건조 과정은, 따뜻한 공기를 건조하는 샘플 점적물 상에 통과시키거나, 또는 예를 들어 유도성 가열 또는 저항 가열된 표면을 상기 샘플 디스크와 물리적으로 접촉시키거나 유도성 가열 또는 저항성 가열 요소를 상기 샘플 디스크 홀더(108) 내에 통합하여 상기 샘플 디스크를 가열함으로써, 가속될 수 있다. 건조에 사용되는 따뜻한 공기는 건조 공정을 더욱 향상시키기 위해 건조제 베드를 통과하여 제습될 수 있다. 물에 강하게 흡수되는 파장을 방출하는 적외선 에미터 요소는 예를 들어 중적외선 영역에서도 사용될 수 있다. 상기 예시적인 방법을 사용하여 생성된 디스크 상의 샘플은 샘플 디스크의 중심에서 또는 그 근처에 작고 둥근 실질적으로 건조한 에어로졸 점적물 또는 침전물을 생성한다. 상기 디스크는 샘플 증착 전에 MALDI 매트릭스 화학 용액으로 사전 코팅될 수 있다. 대안적으로, MALDI 매트릭스 화학 용액은 건조 전에 상기 침착된 샘플과 혼합될 수 있다. 시스템(100)은 또한 상기 샘플이 진공 하에 건조되는 전용 건조 스테이션을 포함할 수 있다. 스테이션(106) 내에서 TOFMS와 연관된 러핑 펌프(roughing pump) 및 터보 펌프(turbo pump) 중의 적어도 하나가 상기 건조 스테이션에 유체 연결될 수 있다.
그 다음, 상기 샘플은 질량 분석기를 사용하여 분석될 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플을 적어도 하나의 레이저 이온화 펄스에 노출시킴으로써 상기 샘플의 약 2 내지 약 200개의 개별 질량 피크(스펙트럼) 특성이 생성될 수 있다. 레이저 이온화 펄스의 수는 약 1 내지 약 20일 수 있다. 상기 에어로졸 샘플을 첨가하기 이전에 박막으로 상기 MALDI 매트릭스를 사전 침착(pre-deposition) 하면, 상기 디스크에 침착하기 이전에 상기 매트릭스 및/또는 상기 에어로졸을 분무할 필요가 없고 실질적으로 균일하게 MALDI-매트릭스 코팅된 에어로졸 입자인 에어로졸 입자를 제공한다. 상기 예시적 방법은 또한 잠재적으로 표면 거칠기 또는 표면 점착성의 추가로 인해 입자의 점착을 개선하고, 따라서 고속의 흐름이 수집물 표면에 충돌하여 입자가 충돌 후 기판에서 "바운스(bounce-off)"를 일으킬 때 에어로졸 입자의 손실을 회피하거나 최소화한다. 상기 표면에 충돌하는 입자 개수를 최대화하면서 바운스를 최소화하기 위한 최적의 기류 속도는 약 75m/s이나, 상기 충돌 표면의 특성, 오리피스 직경 및 입자 절단 크기에 따라 약 50m/s 내지 약 150m/s 범위에서 달라질 수 있다. 상기 입자 절단 크기는 이러한 크기의 입자들 중 절반이 상기 임팩터에 의해 수집되고 절반이 상기 임팩터를 통해 전달되는 입자의 직경이다.
전술한 예시적인 방법은 자율적인 것으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 한 예시적인 에어로졸 샘플링 로봇 시스템(100)은 다음 단계를 수행하는 데 사용될 수 있다:
(a) 하나 이상의 디스크를 포함하는 새 디스크 카트리지 또는 컨테이너에서 샘플 디스크 또는 기판을 선택하는 단계;
(b) 적절한 장치를 사용하여 수집된 샘플 에어로졸 입자를 침착하기 위해 MALDI 매트릭스를 포함하는 디스크를 제1 노즐 아래에 위치시키는 단계;
(c) 상기 에어로졸 샘플을 포함하는 디스크를 TFA, 알코올 및 물 중에서 적어도 하나를 포함하는 처리 용액으로 샘플을 처리하기 위한 제2 노즐 아래에 위치시키는 단계;
(d) 상기 디스크 상에서 상기 샘플을 실질적으로 건조시키는 단계;
(e) 상기 디스크를 질량 분석기 샘플 스테이션으로 이동하는 단계;
(f) 분석 프로세스를 개시하고 질량 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계;
(g) 폐디스크(spent disk)를 처리하는 단계(예컨대, 폐디스크를 폐디스크 카트리지 또는 컨테이너로 제거함으로써).
전술한 예시적인 방법은, 디스크를 포함하는 샘플 홀더를 두 연속 단계 사이에서 카메라 스테이션(104)으로 이동시킴으로써 상기 디스크의 디지털 이미지를 캡처하여, 상기 샘플 홀더가 단계 (a)에서 로더 스테이션(101)으로부터 디스크를 추출했는지의 여부와, 단계 (b)에서 샘플이 침착되었는지의 여부와, 단계 (d)에서 건조가 실질적으로 완료되었는지의 여부 등을 검사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 카메라 스테이션(104)은 상기 디스크의 표면을 조명하도록 하나 이상의 광원(예컨대, 발광 다이오드 또는 LED)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플 또는 처리 용액을 포함한 액적이 있는 디스크 표면의 이미지는 일반적으로 상기 표면으로부터 나오는 빛의 거울과 같은 반사로 간주될 수 있는 정반사를 통해 빛을 반사할 수 있는 유리 같은 매끄러운 표면을 갖게 된다. 따라서, 상기 이미지는 상기 표면을 비추는 개별 LED를 보일 수 있다. 대조적으로, 상기 디스크가 실질적으로 건조된 때, 즉 효과적인 건조가 달성된 때, 상기 표면은 빛을 산란시키는 경향이 있고 상기 이미지는 상기 표면을 비추는 개별 LED를 보이지 않는다. 또한, 상기 단계들 동안 수집된 디지털 이미지의 검사는, 상기 디스크를 포함하는 상기 샘플 디스크 홀더(108)를 다음 단계로 이동해야 하는지 또는 상기 디스크는 폐디스크 카트리지(102)에서 폐기해야 하는지의 여부를 결정하도록, 각 단계 후에 캡처된 이미지를 표준 또는 기준선 디지털 이미지의 라이브러리와 비교함으로써 자동화될 수 있다. 상기 분석 후 디스크의 샘플은 또한 PCR(polymerase chain reaction) 및 기타 생체 분자 또는 미생물 기술을 사용하여 추출 및 분석하여 필요시 MALDI TOFMS 결과를 확인할 수 있다.
상기 분석 프로세스를 개시하는 단계 (f)는, 약 10- 5torr 미만, 바람직하게는 약 5×10- 6torr 미만으로 밀봉된 상기 샘플 디스크 홀더(108)로 상기 MS 스테이션(106)을 소개하되, 상기 전기 전도성 디스크에 전압을 인가하여 상기 디스크의 표면 근처 영역에서 강한 전계를 생성하고, 레이저 펄스를 집속하여 상기 MALDI 매트릭스 및 분석물을 기화시켜 이온을 생성하고, 상기 전계의 방향을 제어하여 상기 이온을 상기 검출기로 가속하는, 단계들을 포함할 수 있다.
상기 예시적인 방법은 상기 MALDI 매트릭스 용액을 침착시키고 상기 매트릭스를 실질적으로 건조시키기 위해 제3의 노즐 아래에 코팅되지 않은 디스크를 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
샘플 에어로졸 입자는 상기 스테이션(103)에서 충돌에 의한 수집에 국한되지 않을 수 있다. 또한, 샘플 에어로졸 입자는 기체 스트림(예컨대, 주변 공기)에 분산되어있는 미립자(예컨대, 샘플 에어로졸 입자)를 수집하는 데 사용되는 적절한 충돌 또는 액체 충격 장치를 사용하여 수집할 수도 있다. 에어로졸 입자는 일반적으로 소량의 물이나 액체에 농축되며 상기 스테이션(105)와 유사한 분배 스테이션을 사용하여 디스크 상에 점적(spot) 될 수 있다. 충돌 장치는 많은 양의 공기를 장치 내로 밀어넣고 수집된 모든 미립자를 농축하여 고품질의 대표 샘플을 제공한다. 전체가 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 제6,267,016호는 결합된 충격 수집기 및 팬을 포함하는 회전식 수집기를 개시하며, 이는 공기 또는 미립자가 공동(cavity) 내로 동반되는 기타 기체 유체를 끌어들이고, 그 다음 상기 미립자에 충돌하는 회전하는 표면을 제공하여 상기 기체 유체로부터 상기 미립자를 분리한다. 상기 미립자는 또한 상기 공동의 내부 표면을 포함하여 상기 공동 내의 기타 표면들에 충돌하고 상기 공동 내에 주입된 물 또는 기타 액체로 적셔진 이들 표면으로부터 세척된다. 상기 물 또는 기타 액체는 상기 미립자가 충돌한 임펠러 베인(impeller vane) 및 기타 표면에서 상기 미립자를 세척하도록 상기 공동 내로 지속적 또는 간헐적으로 주입된다. 상기 미립자는 나사산형 배수 포트(threaded drain port)를 통해 상기 액체에 의해 상기 공기 또는 기체 유체에 대한 배출 포트가 포함된 리시버로 운반된다. 펌프는 입구 포트를 통해 상기 공동 내로 상기 액체를 분무하는 도관을 통해 상기 리시버로부터 상기 액체를 재순환시킨다. 상기 리시버에 수집된 미립자는 상기 공기 또는 기타 기체 유체 내에 동반된 미립자를 검출하거나 식별하기 위해 분석될 수 있는 표본을 제공한다. 미국 특허 제6,695,146호는 유체의 흐름을 주 흐름(main flow)과 부 흐름(minor flow)으로 분리하여 상기 부 흐름이 원하는 크기의 더 높은 농도의 미립자를 포함하도록 하는 가상 임팩터를 개시한다. 상기 부 흐름은 보관 표면(archival surface)을 향하고 상기 미립자가 상기 보관 표면에 충돌하여 침착되도록 한다. 시간이 지남에 따라, 상기 보관 표면과 가상 임팩터는 서로에 대해 이동되어 서로 다른 시간에 수집된 미립자들이 상기 보관 표면의 서로 다른 부분에 이격된 지점들로서 침착된다. 상기 미립자들은 미립자 분석이 필요할 때까지 상기 보관 표면에 저장된다. 상기 보관 표면은 미립자의 침착 및 보유를 증진하는 물질로 코팅될 수 있고, 상기 보관 표면상에 침착된 생물학적 유기체 미립자의 수명을 유지하는 물질로 추가로 코팅될 수 있다. 미국 특허 제6,695,146호, 미국 특허 제6,290,065호, 미국 특허 제6,062,392호 및 미국 특허 제6,363,800호는 그 전체가 본 명세서에서 참고로 포함된다.
미국 특허 제7,799,567호는 공기와 같은 유체 스트림으로부터 입자를 제거하고 하나 이상의 수집 표면에 상기 입자를 침착시키는 방법을 개시한다. 비 및 곤충과 같은 특대형 입자 및 오염물을 거부하도록 전처리 필터(pre-filter)가 사용된다. 농축기(concentrator)는 상기 유체의 적어도 일부에서 사전 결정된 입자 크기보다 더 큰 입자의 농도를 증가시켜 농축된 부피의 유체를 생성하는 데 사용된다. 상기 농축기와 전처리 필터는 예컨대 가상 임팩터일 수 있다. 미국 특허 제 7,799,567호 및 미국 출원 제11/385,326호, 미국 출원 제11/058,442호, 미국 출원 제10/366,595호와, 미국 특허 제6,887,710호, 미국 특허 제6,729,196호, 미국 특허 제6,363,800호, 미국 특허 제6,951,147호, 그리고 미국 특허 제6,267,016호는 그 전체가 본 명세서에서 참고로 포함된다. 또한, 개시 내용 전체가 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 제7,759,123호는 충돌 수집 표면으로부터 수집된 미립자의 농축된 점적들을 분리해내어 이들 미립자를 액체 샘플을 준비하기에 적합한 용기로 옮기는 방법 및 장치를 개시한다. 유체 제트가 상기 미립자를 분리해내고 옮기는 데 사용된다. 액체 제트를 사용하는 경우, 샘플을 불필요하게 희석하지 않도록 액체의 양이 최소화된다.
분석할 에어로졸 입자는 주변 공기에서 발견되는 입자로 국한될 필요는 없다. 일례로, 분석물 에어로졸에는 사람이나 동물의 호기 공기에서 발견되는 호기 입자(exhaled breath particle: EBP)가 포함될 수 있다. 건강한 성인이 호흡하는 동안 내쉬는 공기의 양은 일반적으로 약 0.5리터의 정상적인 상시 호흡량(tidal volume)을 포함하여 1~2리터이다. 인간은 정상적인 호흡, 기침, 말하기 및 재채기와 같은 다양한 호흡 활동 중에 호기 입자(EBP)를 생성한다. 정상 호흡 동안 기계적으로 환기되는 환자로부터의 EBP 농도는 약 0.4개 내지 약 2000개 입자/호흡 또는 0.001개 내지 5개 입자/mL일 수 있다. 또한, 상기 EBP의 크기는 5마이크로미터 미만일 수 있으며, 그 중 80%는 0.3~1.0 마이크로미터 범위일 수 있다. 호기 입자 크기 분포도 0.3~2.0 마이크로미터 범위인 것으로 보고된 바 있다. EBP의 평균 입자 크기는 정상 호흡 동안에는 1마이크로미터 미만, 기침 동안에는 1~125 마이크로미터 범위이다. 또한, 폐결핵 환자의 25%는 기침할 때 결핵균 3~600 CFU(colony forming unit)를 내쉬었고 이 병원체의 수준은 주로 0.6~3.3 마이크로미터 범위이다. 이들 박테리아는 막대 모양이며 길이가 약 2~4 마이크로미터 범위이고 너비가 약 0.2~0.5 마이크로미터 범위이다. 전체가 본 명세서에 참고로서 포함되는 공동 소유의 미국 가출원 제62/891,954호 및 제63/069120호 "DIAGNOSIS OF TUBERCULOSIS OF TUBERCULOSIS AND OTHER DISEASES USING HOLED BREATH"는 샘플 수집 하위 시스템 및 샘플 분석 하위 시스템을 포함한 호기를 사용하는 TB의 진단을 위한 자율 시스템을 개시한다. 상기 샘플 수집 서브시스템은, 사전 결정된 호흡 기동 동안 개인으로부터 자신의 내부로 공급되는 공기의 흐름 내로 배출된 결핵균(Mycobacterium tuberculosis: Mtb)의 특징인 호흡 에어로졸(EBA) 입자 및 지질 바이오마커 중에서 적어도 하나를 추출하기 위해 개인의 얼굴을 수용하도록 구성된 샘플 추출 요소와, 인터페이스 튜브들에 의해 상기 샘플 추출 요소에 유체 연결되고 수집된 샘플로서 호기 및 공기로부터 EBA 입자 및 지질을 분리 및 수집하도록 구성된 샘플 포착 요소를, 포함할 수 있다. 하나 이상의 냉각 장치가 상기 인터페이스 튜브들 중의 하나 이상의 벽과 열 소통하도록 구성된다. 열전 냉각 장치의 한 예는 Marlow Industries(Dallas, TX)에서 제조된다. 상기 샘플 포착 요소와 샘플 분석 하위 시스템은 유동적으로 연결된다. 상기 수집된 샘플은 화학 물질을 분배하는데 사용되는 스테이션(105)와 유사한 스테이션을 사용하여 샘플 플레이트 상에 농축될 수 있다. 상기 수집된 샘플의 부피는 약 1㎖ 미만일 수 있다. 상기 수집된 샘플의 부피는 100μL 미만일 수 있고 2μL 미만일 수 있다. 막 기반(membrane-based)의 분리 또는 증발을 포함하나 이에 국한되지 않는 방법 및 장치를 사용하여 상기 액체 샘플을 밀리리터 부피에서 마이크로리터 부피로 농축할 수 있다.
미생물의 특징적인 세포 내용물을 MALDI 분석에 더 많이 노출함으로써 예시적 시스템(100)을 사용하여 미생물 분석을 개선하도록, 미생물 세포벽(cell wall) 또는 포자피(spore coat)가 개방(open)되거나 "용해(lysing)"될 수 있다. 미국 특허 제5,989,824호 "APPARATUS AND METHOD FOR LYSING BACTERIAL SPOES TO FACILITATE THEIR IDENTIFCATION"는 플라즈마 또는 전기 방전을 사용하여 금속 기판상에 있는 개방 세포 또는 포자를 파괴하는 방법을 개시하며, 그 전체가 본 명세서에서 참고로 포함된다. 용해(lysing)는 화학물질, 집속 음향 및 집속 전자기 처치들을 사용하여 달성할 수도 있다.
액체 샘플은 호기 에어로졸 수집기 또는 액체 또는 고체 현탁액을 포함하는 모든 공정에서 얻을 수 있다. 액체 샘플 처리 요소는 염과 같은 불순물을 제거하거나 분석 시스템의 성능을 향상시키기 위해 샘플을 농축 또는 화학적으로 수정하는 데 필요할 수 있다. 예를 들어, C18 수지는 액체 샘플에서 염을 제거하는 데 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 효소 또는 열산 처리를 사용하여 단백질을 특정 표적 분석물과 보다 더 정확하게 연관된 펩티드로 분해할 수 있다. 마이크로필러 어레이(micropillar array)는 입자들의 크기를 정렬하거나 크기를 선택한 다음 복합 현탁액 또는 희석 현탁액으로부터 특이적 대상 입자를 농축하거나 제거하는 데 사용할 수 있다. 예시적인 방법 및 장치는 이들 샘플 준비 측면을 추가로 포함할 수 있다. 공동 소유의 미국 가특허출원 제63/005179호 및 제63/010029호 "DIAGNOSIS OF RESPIRATORY DISEASES USING EXHALED BREATH"와, 미국 가특허출원 제63/069029호 "DIAGNOSIS OF RESPIRATORY DISEASES USING ANALYSIS OF EXHALED BREATH AND AEROSOLS"는 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있으며, 비휘발성 유기 성분을 선택적으로 포착하기 위한 충전층 컬럼을 포함한 샘플 포착 요소를 포함하고, 호기와 기타 에어로졸을 사용하여 호흡기 질환을 진단하기 위한 호흡 샘플 수집 시스템을 개시한다.
다른 한 예시적인 방법에서, 앞서 설명된 방법은 샘플이 생물학적 입자와 화학적 입자 모두를 포함하는 경우 수정될 수 있다. 베어 디스크(bare disk) 또는 기판(substrate)(MALDI 매트릭스 코팅 없음)이 상기 점적 샘플러(spot sampler) 아래에 위치할 수 있고 앞서 개시된 수집 장치들 중의 하나를 사용하여 수집된 에어로졸 샘플이 상기 디스크 상에 침착될 수 있다. 그런 다음, 상기 디스크는 화학 조성 및 식별의 분석을 위해 LDI-TOFMS 기기로 운반될 수 있다. 그 다음, 동일한 샘플 디스크가 예시적 장치(100)의 스테이션으로 운송될 수 있으며, 여기서 화학 물질이 상기 샘플 점적에 첨가된다. 상기 화학적 혼합물은 알파-시아노-4-하이드록시신남산(alpha-Cyano-4-hydroxycinnamic acid), 메탄올, TFA 및 물을 포함할 수 있다. 상기 샘플은 생물학적 조성 및 식별을 위해 건조되고 MALDI-TOFMS에서 분석될 수 있다. 이후에, 화학적 및 생물학적 위협 에어로졸 입자는 단일의 샘플에서 신속하게 식별될 수 있다.
예시적인 시스템(100)에서, 새 샘플 디스크는 두 개별 위치, 즉 MALDI 매트릭스로 코팅된 디스크가 저장되는 하나의 위치와, 코팅되지 않은 디스크가 저장되는 다른 위치에 저장될 수 있다. 대안적으로는, 교대로 샘플 디스크를 코팅할 수 있고 만일 코팅되지 않은 샘플 디스크가 새 샘플 디스크 스택의 맨 아래에 있을 때 코팅된 샘플 디스크가 필요한 경우, 상기 코팅되지 않은 샘플 디스크를 새 디스크 스택에서 빼내어 폐디스크 스택(spent disk stack)으로 이동할 수 있고, 따라서 로봇으로 하여금 상기 새 디스크 스택에서의 코팅되지 않은 샘플 디스크에 액세스할 수 있게 한다. 이러한 움직임은 몇 초 만에 완료될 수 있다.
대기 중 생물학적 위협 요소의 존재를 식별하기 위해, 공기 샘플은 사전 결정된 시간 간격으로 수집되고, 배경/기준선(background/baseline) 정보의 이력 데이터 세트(훈련 데이터 세트)를 생성하도록 앞서 개시된 예시적 방법을 사용하여 분석될 수 있다. 분석은 기계 학습 알고리즘을 사용하여 시간이 지남에 따라 향상될 수 있다. 배경 정보의 변화는 보호받는 지역에서 대기의 정상적인 행동을 매핑하도록 모델링될 수 있다. 생물학적, 생화학적 또는 화학적 에어로졸 입자의 방출이 의심될 때 전술한 예시적인 방법을 사용하여 공기를 샘플링하면, 이력 배경 정보에서 벗어난 정보가 생성된다. 그러한 위협의 존재에 대한 첫 번째 특징(signature)은 정상적인 배경에서 크게 벗어나는 것이 된다. 이 단계에서 각 개별 입자의 조성에 대해 알고리즘 결정이 내려질 수 있다. 따라서, 인명을 보호하고 인명 손실을 방지하도록 신속하게 시정 조치를 취할 수 있다. 예를 들어, 건물의 HVAC(heating, ventilation, and air conditioning: 난방, 환기 및 공조) 시스템을 차단하여 상기 에어로졸의 확산을 제한하고 화재 경보기를 작동함으로써 상기 건물을 소개할 수 있다.
앞서 개시된 예시적인 방법 및 장치는 액체 샘플과, 반도체 가스 및 액체 공정 스트림을 포함하나 이에 국한되지 않는 다양한 샘플의 분석을 위해 사용될 수도 있다. 액체 샘플은 분무될 수 있다. 이 경우, 상기 샘플의 분취량(aliquot)은 적절한 수단을 사용하여 에어로졸화될 수 있다. 예를 들어, 분무기를 사용하여 공기 중에 상기 액체 샘플을 에어로졸화할 수 있다. 예를 들어, 분무기를 사용하여 상기 액체 샘플을 여과된 공기 흐름 중으로 에어로졸화할 수 있다.
액체 샘플, 특히 반도체 공정 스트림의 액체 샘플은 초순수(UPW)에서 약 1 ㎚ 내지 약 100㎚ 범위 입자 크기의 나노입자 오염물을 포함할 수 있다. 액체 샘플은 반도체 제조 공정 또는 FEOL(front-end-of-line)의 시작부에 있는 화학 액체와 상기 제조 공정의 BEOL(back-end-of-line) 단계에서 사용되는 화학 물질을 포함할 수도 있다. 반도체 산업에서 초순수는 생물학적(예컨대, 세균성 물질), 금속 및 금속 양이온(나트륨, 붕소, 바륨, 철, 규소 및 칼슘을 포함하지만 이에 국한되지 않음), 유기 금속 화합물, 플라스틱 구성요소로부터 물로 침출되는 폴리머와 같은 유기 화합물, 음이온 화합물(특히, 염소 및 질산염을 포함하는 화합물 이온), 무기 화합물(예컨대, 질산암모늄), 용존 및 미립자 물질, 용존 산소를 포함한 용존 가스를 포함하는 거의 모든 오염물을 제거하도록 처리된 물을 일컫는다. 상기 화학적 화합물은 휘발성 및 비휘발성 화학물질을 포함할 수 있고 반응성 및 불활성 화학물질, 친수성 및 소수성 화학물질 등을 추가로 포함할 수 있다. UPW 품질 요구 사항은 ASTM D5127 "Standard Guide for Ultra-Pure Water Used in the Electronics and Semiconductor Industries" 및 SEMI F63 "Guide for ultrapure water used in semiconductor processing"을 포함하되 이에 국한되지 않는 표준들에 요약되어 있다. UPW는 제약 및 생명공학 산업에서도 사용될 수 있다. UPW는 반도체 부품과 요소들의 세척 및 살균에 사용할 수 있다.
예시적인 시스템(100)을 사용하여 나노입자 오염물(분석물)을 포함하는 액체 샘플의 분석은, 바람직하게는 상기 액체 샘플을 분무하여 나노입자 및 수증기를 포함하는 에어로졸을 생성하고, LDI-MS 또는 기타 표면 기반 분석 방법을 사용한 분석용 응축 성장 튜브 내에서 수증기를 상기 나노입자 상으로 응축시켜 상기 입자의 크기를 증가 또는 확대하는 것을 포함할 수 있다. 그 다음, 큰 "성장(grown)" 입자를 포함하는 에어로졸은 전술했듯이 스테이션(103)에서 샘플 디스크(112) 상으로 침착되거나 가상 임팩터에 의해 농축될 수 있다. 샘플 디스크(112)는 오염물로 간주되지 않는 금속으로 제조되거나 코팅되어 상기 샘플 디스크 자체로부터의 간섭을 제거할 수 있다. 전술했듯이, 나노입자를 포함하는 상기 액체 샘플은 액체 액적 또는 액체 스트림과 접촉하면서, 적절한 가스 노즐 또는 오리피스(1101)를 빠져나가는 고속 캐리어 가스(예컨대, 공기)의 스트림을 사용하여 분무될 수 있다. 상기 캐리어 가스 흐름은 kdrl 액체 샘플 흐름에 수직일 수 있다(그림 11a). 대안적으로, 상기 분무기는 출구에 오리피스를 포함하는 환형 튜브의 형태일 수 있다(도 11b). 이 경우 상기 액체 샘플은 고리를 통해 흐르고 상기 캐리어 가스에 의해 상기 오리피스를 통해 에어로졸로서 강제 배출된다. TSI, Inc.(Shoreview, Minnesota)는 일련의 액체 분무용 제품을 판매한다.
한 양태에서, 상기 분무기에서 나오는 에어로졸 내의 표적 나노입자는 TOF-MS 및 기타 광학 검출기의 검출을 가능하게 하도록 크기가 적어도 약 3 마이크론으로 하술하는 바와 같이 응축 또는 성장된다. 상기 나노입자를 농축하기 위한 모든 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자는 광학적으로 검출될 수 있는 크기로 입자를 성장시키기 위해 응축될 수 있다. 미국 특허 제7,736,421호 "HIGH SATURATION RATIO WATER CONDENSATION DEVICE AND METHOD"에 개시되는 바와 같이, 초미세 입자의 응축 성장은, (1) 단열 팽창, (2) 난류 혼합, 또는 (3) 냉벽 응축기 튜브를 사용하여 수행할 수 있다. 이들 각각의 방법은 과포화(super-saturation) 영역을 생성하며, 여기서 응축 증기의 농도는 국부 가스 온도에서의 평형 증기압보다 크다. 미국 특허 제6,712,881호 "CONTINUOUS, LAMINAR FLOW WATER-BASED PARTICLE CONDENSATION DEVICE AND METHOD"는 에어로졸 또는 에어로졸 ＋ 무입자 시스 공기(particle-free sheath air)가 벽이 젖어 있는 장치 또는 튜브를 통해 층류 방식으로 흐르고 유입되는 흐름보다 더 높은 온도에서 유지되는 방법을 개시한다. 수증기의 질량 확산율이 공기의 열 확산율보다 크기 때문에, 따뜻하고 습한 벽으로부터의 수증기 수송은 흐름이 데워지는 속도보다 더 빠르다. 이것은 상기 흐름의 중심선을 따라 최대값을 갖는 수증기 과포화 영역을 생성하고, 여기서 과포화는 평형 수증기 함량을 초과하는 수증기 함량으로 정의된다. 5㎚만큼 작은 입자가 이러한 층류 수성 응축 장치를 사용하여 응축될 수 있다. 상기 에어로졸 샘플 스트림이 통과하는 습식형 심지(wetted wick)로 라이닝된 튜브를 사용할 수 있다. 이러한 심지-라이닝된 튜브의 제1부분의 벽은 제1온도에서 유지되고 사전 조절기(pre conditioner) 역할을 한다. 상기 튜브의 제2부분의 벽은 제1온도보다 더 높은 온도로 가열된다. "성장 영역(grown region)"이라고 하는 이 제2부분에서, 상기 흐름의 온난화와 비교하여 따뜻하고 습한 벽으로부터 수증기의 상대적으로 더 빠른 확산으로 인해, 과포화, 입자 활성화 및 응결 성장 영역이 생성된다. 무입자 시스 공기는 입자를 가장 높은 과포화도가 달성되는 중심선으로 제한하도록 함입자(particle-laden) 에어로졸 흐름을 포위하는 데 사용될 수 있다. Aerosol Devices(Fort Collins, Colorado)는 시스템(100) 내에 통합될 수 있는 응축 성장 튜브 시스템을 제공한다.
상기 미국 특허 제7,736,421호는, 제1온도에서 벽을 갖는 성장 챔버를 제공하는 단계와, 제1온도보다 낮은 제2온도로 고농도의 응축성 증기(공기와 같은 캐리어 가스 중의 수증기)를 포함하는 따뜻한 시스 흐름(sheath flow)을 제공하는 단계와, 상기 시스 흐름과 함께 층류 에어로졸 흐름을 도입하되 상기 에어로졸 흐름 온도는 제1온도 및 제2온도보다 더 낮은 제3온도에 있는 단계를 포함하는 방법을 개시한다. 이러한 시스 흐름은 더 차가운 에어로졸 흐름을 둘러싸도록 층류 방식으로 도입된다. 결합된 흐름을 수용하는 상기 챔버 내에서 증기 과포화 영역은 열적 수송 및 물질 수송의 차등 속도의 결과로 생성된다. 결과적으로 상기 증기는 입자 상에 응축되어 상기 입자를 액적으로 확대한다. 상기 시스 흐름은 상기 응축 성장 영역에 들어가기 전에 온도 조절될 수 있다. 이 방법은 직경이 3.2㎚만큼 작은 입자를 성장시키는 데 사용할 수 있다. 상기 응축성 증기는 공기, 이산화탄소 및 아르곤 중의 적어도 하나를 포함하는 캐리어 가스에 메탄올을 포함할 수 있다.
미국 특허 제9,821,263호 "ADVANCED LAMINAR FLOW WATER CONDENSATION TECHNOLOGY FOR ULTRAFINE PARTICLES"는 층류에서의 공기 스트림을 입구 및 출구를 갖는 습윤 벽 응축기로 도입하는 것을 포함하여 에어로졸 입자 크기를 성장시키는 방법을 개시하며, 상기 공기 스트림은 상기 응축기의 입구에서 입구 온도를 갖되, 상기 입구에 인접한 상기 응축기의 제1부분을 상기 입구 온도보다 5℃ 이상 더 높은 제1온도로 제어하고, 상기 제1부분과 출구 간에 있는 상기 응축기의 제2부분을 상기 제1온도보다 더 낮은 제2 온도로 제어한다. 상기 응축기의 제1부분 및 제2부분은 체적을 정의하며, 여기서 상기 공기 스트림을 상기 응축기 내로 도입하면, 상기 체적 내에서 체적 공기 유량(volumetric air flow rate)이 생성되고, 상기 체적은 원통형 기하구조 또는 다중 판 기하구조를 가지며 각 플레이트는 너비와 플레이트 들간의 간격을 갖는다. 원통형 기하구조 튜브의 경우, 상기 제1부분의 길이를 상기 체적 유량으로 나눈 값은 0.5 s/㎝2 미만이고 다중 플레이트 기하구조의 경우 상기 제1부분의 길이를 상기 체적 유량으로 나눈 값에 상기 너비를 상기 간격으로 나눈 값을 곱한 값은 0.5 s/㎝2 미만이다. 응축 성장 튜브의 벽은 심지를 사용하여 적실 수 있다. 미국 특허 제9.610,531호 "WICK WETTING FOR WATER CONDENSATION SYSTEMS"는 층류 물 응축 성장 시스템의 습윤 벽을 형성할 수 있는 심지의 수동 습윤을 개시하고, 여기서 상기 자급식 심지는 상기 심지 물질의 모세관 작용에 의존하여 수증기가 상기 심지 표면에 응축되는 더 차가운 영역에서 그것이 증발하는 더 따뜻한 부분으로 물을 수송한다. 이 접근 방식은 물 저장소 없이 확장된 작동을 허용하고 성장 튜브의 방향에는 둔감하다. 사이펀 심지(siphoned wick)는 사이펀과 같은 방법을 사용하여 상기 공기 스트림 반대편 심지 측에 상기 심지 뒤에 물이 채워진 간격을 유지할 수 있다. 이 접근 방식은 대규모 시스템을 수용하도록 능동 펌핑으로 보완될 수 있다. 일 양태에서, 성장 튜브 내의 온도 프로파일을 제어함으로써 상이한 크기 또는 직경의 표적 에어로졸 입자를 성장시키는데 하나보다 많은 응결 성장 튜브가 사용될 수 있다.
상기 분무기(또는 에어로졸의 일부)를 빠져나가는 에어로졸은 상기 응결 성장 튜브로 보내질 수 있다. 상기 응축 성장 튜브의 설계(길이, 직경 및 작동 온도)는 상기 분무기에서 나가는 에어로졸의 입자 로드(수)와, 상기 응축 성장 튜브 내로의 유량과, 일반적으로 여과된 공기인 상기 캐리어 가스의 유량을 기반으로 최적화될 수 있다. Aerosol Devices 응축 성장 튜브 시스템은 길이가 약 4.5인치이고 튜브당 약 1LPM에서 1.5LPM 사이의 유량을 처리할 수 있는 성장 튜브를 제공한다. BioSpot VIVAS(Aerosol Devices)는 8개의 튜브를 통해 8LPM의 흐름을 처리할 수 있다.
상기 응결 성장 튜브를 빠져나가는 에어로졸은 건조 또는 습윤 입자로서 샘플 디스크(112) 상에 침착될 수 있다. 노즐(1101)은 표적 액적의 최적 충돌 속도를 생성하도록 설계될 수 있다. 0.35~0.7 ㎜ 범위의 노즐 직경에 대한 최적 속도는 50~100 m/s 범위이다. 샘플 디스크(112) 상에 표적 입자의 효율적인 수집을 달성하고 입자 바운스(bounce)를 최소화 또는 제거하기 위해, 습윤 에어로졸 입자를 침착시키는 것이 유리할 수 있다. 수집 동안 또는 수집 후에, 액체 물은 앞서 개시된 바와 같이 디스크(112)를 건조함으로써 제거될 수 있다. 상기 분무의 중요한 측면은 작은 양의 필터 공기에 에어로졸을 동반하는 것이다. 만일 상기 분무기에 존재하는 공기의 체적 유량(volumetric flow rate)이 상기 응축 성장 튜브에 의해 허용되는 체적 유량에 비해 크면, 상기 분무기 출구의 일 단편만이 상기 성장 튜브 내로 향하게 된다. 대안적으로, 상기 응축 성장 튜브의 번들을 상기 분무기의 하류에서 사용하여 평균 직경이 1 마이크론보다 큰 에어로졸을 생성할 수 있다. 이 흐름은 상기 임팩터로 향하여지기 전에 가상 임팩터 내에 집중될 수 있다.
예시적인 시스템(100)에서, 스테이션(106)은, 디스크(112) 상에 침착된 분석물 샘플이 레이저 펄스로부터 충분한 광 에너지를 흡수할 때, 고 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 천이할 때 특징적인 광자를 방출하고 고차 형광(high-order fluorescence), 레이저 유도 파괴 분광법(laser-induced breakdown spectroscopy: LIBS), 라만 스펙트럼 및 적외선 스펙트럼과 같은 일시적인 광학적 특징(signature)을 생성하므로, TOF-MS 질량 스펙트럼 분석에 추가하여 하나 이상의 광학 검출 도구 및 방법을 포함할 수 있다. 따라서, 질량 분석에 추가하여, 광학 센서/검출기를 사용하여 샘플 입자의 조성을 식별할 수 있다. TOF-MS와 광학 센서 둘 다를 사용하여 수집된 측정 데이터는 데이터 융합 기술을 사용하여 처리함으로써 상기 샘플 분석물의 조성에 대한 정보를 제공할 수 있다. 하나 이상의 광학적 방법 및 질량 분석을 포함하여 다양한 검출기로부터 정보를 수집함으로써, 데이터 융합 프로토콜을 사용하여 상기 샘플과 관련된 데이터를 필터링 및 분석하여 그 조성 및 유형을 신속하게(실시간에 가깝게) 높은 정확도와 감도 및 특이도로 식별할 수 있다. TOF-MS, LIBS, 라만 분광법 및 적외선 분광법 중 적어도 하나를 포함하는 각각의 측정 데이터는 상기 입자를 완전히 특성화하도록 기계 학습 및 딥 러닝을 포함한 인공 지능 도구가 사용될 수 있는 센서 데이터 융합 엔진으로 전송될 수 있다.
라만 분광법은 표적 특이적 시약을 사용하지 않으며 신속할 수 있는 가능성이 있다(약 5분 이하). 라만 분광법은 샘플 식별 및 정량화에 사용할 수 있는 분자 진동에 대한 정보를 제공한다. 이 기술은 샘플에 레이저 빔(예컨대, 파장이 약 330~360 ㎚ 범위인 UV 레이저 소스)을 집중시키고 비탄성 산란광을 검출하는 것을 포함한다. 상기 산란된 빛의 대부분은 여기 소스와 동일한 주파수이며 레일리 산란(Rayleigh scattering) 또는 탄성 산란(elastic scattering)으로 알려져 있다. 입사 전자기파와 샘플 분자들의 진동 에너지 준위들 간의 상호 작용으로 인해 매우 적은 양의 산란된 빛이 상기 레이저 주파수로부터의 에너지에서 천이한다. 이러한 "천이된(shifted)" 빛의 강도 대 주파수를 플롯하면, 상기 샘플에서의 라만 스펙트럼이 생성된다. 라만 분광법의 한계는 그룹의 일부 구성원이 인간에게 병원성이고 일부는 그렇지 않은 속 또는 종에서의 가까운 이웃을 분석하는 데 어려움이 있다는 점이다.
LIBS에서, 레이저 펄스(예를 들어, 약 1064㎚의 파장을 갖는 고에너지 Nd:YAG 레이저로부터의 레이저 펄스)는 플라즈마를 생성하도록 소량의 입자를 절제(ablate)하기 위해 입자에 집속된다. 분석물 입자가 이온 및 원자 종으로 분해(해리)된다. 상기 플라즈마가 냉각되면, CCD 검출기와 같은 광학 검출기를 사용하여 원소들의 특징적인 원자 방출 라인을 관찰할 수 있다. 형광 분광법에서, 샘플 분자들은 특정 파장의 조사에 의해 여기되고 다른 파장의 방사선을 방출한다. 방출 스펙트럼은 정성적 및 정량적 분석 모두에 대한 정보를 제공한다. 적절한 파장의 빛이 분자에 흡수되면, 상기 분자의 전자 상태는 바닥 상태로부터 여기된 전자 상태들 중에서 하나의 많은 진동 준위들 중의 하나로 변화한다. 일단 상기 분자가 이 여기 상태에 있으면, 여러 과정을 통해 이완이 일어날 수 있다. 형광은 이러한 과정들 중의 하나이며 빛 방출을 초래한다. 형광 분광법에서 방출되는 빛의 서로 다른 주파수와 상대적 강도를 분석하여, 서로 다른 진동 수준과 관련된 화학 구조를 결정할 수 있다. 예를 들어 트립토판과 같은 생물학적 샘플에서의 특정 아미노산은 형광 양자 효율이 높기 때문에 이들 아미노산을 식별하기 위해서는 형광 분광법을 사용하는 것이 선호된다.
예시적인 시스템(100)에서, 스테이션(106)은, 디스크(112) 상에 침착된 분석물 샘플이 레이저 펄스로부터 충분한 광 에너지를 흡수할 때, 고 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 천이할 때 특징적인 광자를 방출하고 고차 형광(high-order fluorescence), 레이저 유도 파괴 분광법(laser-induced breakdown spectroscopy: LIBS), 라만 스펙트럼 및 적외선 스펙트럼과 같은 일시적인 광학적 특징(signature)을 생성하므로, TOF-MS 질량 스펙트럼 분석에 추가하여 하나 이상의 광학 검출 도구 및 방법을 포함할 수 있다. 따라서, 질량 분석에 추가하여, 광학 센서/검출기를 사용하여 샘플 입자의 조성을 식별할 수 있다. TOF-MS와 광학 센서 둘 다를 사용하여 수집된 측정 데이터는 데이터 융합 기술을 사용하여 처리함으로써 상기 샘플 분석물의 조성에 대한 정보를 제공할 수 있다. 하나 이상의 광학적 방법 및 질량 분석을 포함하여 다양한 검출기로부터 정보를 수집함으로써, 데이터 융합 프로토콜을 사용하여 상기 샘플과 관련된 데이터를 필터링 및 분석하여 그 조성 및 유형을 신속하게(실시간에 가깝게) 높은 정확도와 감도 및 특이도로 식별할 수 있다. TOF-MS, LIBS, 라만 분광법 및 적외선 분광법 중 적어도 하나를 포함하는 각각의 측정 데이터는 상기 입자를 완전히 특성화하도록 기계 학습 및 딥 러닝을 포함한 인공 지능 도구가 사용될 수 있는 센서 데이터 융합 엔진으로 전송될 수 있다.
라만 분광법은 표적 특이적 시약을 사용하지 않으며 신속할 수 있는 가능성이 있다(약 5분 이하). 라만 분광법은 샘플 식별 및 정량화에 사용할 수 있는 분자 진동에 대한 정보를 제공한다. 이 기술은 샘플에 레이저 빔(예컨대, 파장이 약 330~360 ㎚ 범위인 UV 레이저 소스)을 집중시키고 비탄성 산란광을 검출하는 것을 포함한다. 상기 산란된 빛의 대부분은 여기 소스와 동일한 주파수이며 레일리 산란(Rayleigh scattering) 또는 탄성 산란(elastic scattering)으로 알려져 있다. 입사 전자기파와 샘플 분자들의 진동 에너지 준위들 간의 상호 작용으로 인해 매우 적은 양의 산란된 빛이 상기 레이저 주파수로부터의 에너지에서 천이한다. 이러한 "천이된(shifted)" 빛의 강도 대 주파수를 플롯하면, 상기 샘플에서의 라만 스펙트럼이 생성된다. 라만 분광법의 한계는 그룹의 일부 구성원이 인간에게 병원성이고 일부는 그렇지 않은 속 또는 종에서의 가까운 이웃을 분석하는 데 어려움이 있다는 점이다.
LIBS에서, 레이저 펄스(예를 들어, 약 1064㎚의 파장을 갖는 고에너지 Nd:YAG 레이저로부터의 레이저 펄스)는 플라즈마를 생성하도록 소량의 입자를 절제(ablate)하기 위해 입자에 집속된다. 분석물 입자가 이온 및 원자 종으로 분해(해리)된다. 상기 플라즈마가 냉각되면, CCD 검출기와 같은 광학 검출기를 사용하여 원소들의 특징적인 원자 방출 라인을 관찰할 수 있다. 형광 분광법에서, 샘플 분자들은 특정 파장의 조사에 의해 여기되고 다른 파장의 방사선을 방출한다. 방출 스펙트럼은 정성적 및 정량적 분석 모두에 대한 정보를 제공한다. 적절한 파장의 빛이 분자에 흡수되면, 상기 분자의 전자 상태는 바닥 상태로부터 여기된 전자 상태들 중에서 하나의 많은 진동 준위들 중의 하나로 변화한다. 일단 상기 분자가 이 여기 상태에 있으면, 여러 과정을 통해 이완이 일어날 수 있다. 형광은 이러한 과정들 중의 하나이며 빛 방출을 초래한다. 형광 분광법에서 방출되는 빛의 서로 다른 주파수와 상대적 강도를 분석하여, 서로 다른 진동 수준과 관련된 화학 구조를 결정할 수 있다. 예를 들어 트립토판과 같은 생물학적 샘플에서의 특정 아미노산은 형광 양자 효율이 높기 때문에 이들 아미노산을 식별하기 위해서는 형광 분광법을 사용하는 것이 선호된다.
실시예
실시예 1. 예시적 시스템(100)을 사용한 생물학적 에어로졸 입자의 검출
예시적인 테스트에서, 바실러스 서브틸리스 변종(Bacillus subtilis var niger: "Bg"), 바실러스 투린지엔시스(Bacillus thuringiensis: "Bt"), 대장균(Escherichia coli), 엔테로박테리아 파지 T2 바이러스(Enterobacteria phage T2 virus), 및 분자량이 66kDa인 알부민(단백질)을 포함하는 샘플이 MALDI 코팅 디스크상에 침착(deposit) 되었다. 이어서, 상기 샘플을 70% 메탄올, 10% TFA 및 15% 물을 포함한 용액으로 처리하였다. 상기 샘플은 TOFMS를 포함한 예시적 시스템(100)을 사용하여 건조되고 분석되었다. 각각의 경우에, 상기 샘플은 건조되었고, 상기 샘플이 있는 디스크를 포함한 샘플 스터브는 MS 스테이션(106)으로 이동되고 MS 시스템에서 소개(evacuate) 되었다. 도 5는 다음 2가지 조건에서 이들 샘플 각각에 대한 로우(raw)(처리되지 않은) 질량 스펙트럼을 보여준다: (a) 실질적으로 건조되지 않은(또는 비효율적으로 건조된) 샘플, 및 약 10- 5torr 미만에서 배기하여 효과적으로 건조된 샘플. 알 수 있듯이, 각 경우에 효과적으로 건조된 샘플은, 효과적으로 건조되지 않은 샘플과 대비하여, 피크의 증가된 신호 강도(단편화 이온(fragmented ion)의 상대 도수(relative abundance)), 피크 선명도(peak sharpening), 새 단편의 식별, 및 스펙트럼 라이브러리와의 더 나은 비교를 허용하는 스펙트럼 지문을 보였다.
실시예 2. 예시적 시스템(100)을 사용한 TOFMS 분석의 감도(sensitivity)
포자, 영양 박테리아(vegetative bacteria) 및 바이러스를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자들을 포함하는 샘플을 약 250리터 체적의 챔버 내로 인입하고 리터당 1000ppl(parts per liter)의 입자 농도를 달성하도록 보충 공기(make-up air)를 사용하여 분무화했다. 상기 챔버는 공기 중 에어로졸 입자들의 균질한 샘플을 얻도록 상기 샘플링된 공기를 교반 및 혼합하는 혼합 팬을 포함한다. 그런 다음, 상기 챔버에서 샘플을 채취하고 약 4리터/분(liters per min: LPM) 에어로졸 입자의 유속을 충돌에 의해 MALDI 코팅 디스크에 침착했다. 침착 전에, 인라인(inline) APS/형광 센서를 사용하여 입자 크기 분포를 측정하고, 생체 입자(형광)의 수를 계수하고, 비생물학적 입자의 수를 계수하여, 표적 입자 대 클러터(clutter) 비율을 결정했다. 그런 다음, TOFMS를 사용하여 상기 샘플을 분석했다. 공기 중 약 50개 내지 약 100개 포자의 감도가 입증되었다.
실시예 3. 예시적 시스템(100)을 사용한 Bg 포자를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고 특이성(specificity) 검출
Bg 포자를 포함하는 에어로졸 샘플을 포착하여 예시적 시스템(100)을 사용하여 분석하고 라이브러리 기준선 기준 Bg 질량 스펙트럼과 비교했다. 도 6에 도시된 바와 같이, 측정된 스펙트럼의 특징으로서 상기 기준 스펙트럼의 특징과 높은 상관관계를 가지며 상기 예시적 시스템 및 데이터 처리 도구의 우수한 특이성(질량 분해능) 성능을 보였다.
실시예 4. 예시적 시스템(100)을 사용한 Bt 포자를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고 특이성 검출
Bt(바실러스 투린지엔시스 알 하캄(Bacillus thuringiensis al Hakam)) 포자를 포함하는 에어로졸 샘플을 포착하여 예시적 시스템(100)을 사용하여 분석하고 라이브러리 기준선 기준 Bt 질량 스펙트럼과 비교하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 측정된 스펙트럼의 특징은 기준 스펙트럼의 특징과 높은 상관관계가 있고 상기 예시적 시스템 및 데이터 처리 도구의 우수한 특이성(질량 분해능) 성능을 보였다.
실시예 5. 예시적 시스템(100)을 사용한 생물학적 에어로졸 입자의 고 특이성 검출
Bt, Bg, 대장균(E. coli) 및 알부민(66 kDa)을 포함하는 에어로졸 샘플을 예시적 시스템(100)을 사용하여 포착 및 분석하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전체 질량 범위(80 kDa)에 걸쳐 이들 생물학적 입자의 스펙트럼 특징이 식별되었다.
실시예 6. 예시적 시스템(100)을 사용하여 Bg 입자를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고감도 검출
Bg 입자 대 배경 입자 비율이 약 0.05 내지 약 0.56인 Bg 입자를 포함하는 에어로졸 샘플을 예시적 시스템(100)을 사용하여 포착 및 분석하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, Bg 스펙트럼 특징이 식별됨에 따라 이러한 농도 범위에 대한 Bg 검출에 대한 감도가 우수하였다.
실시예 7. 예시적 시스템(100)을 사용한 E. coli 를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고감도 검출
대장균(E. coli)을 포함하는 에어로졸 샘플을 예시적 시스템(100)을 사용하여 포착 및 분석하였고 기준선 기준 질량 스펙트럼과 비교되었다. 도 14에 도시된 바와 같이, 측정된 스펙트럼의 특징은 상기 기준 스펙트럼의 특징과 높은 상관관계를 가지며 상기 예시적 시스템 및 데이터 처리 도구의 우수한 특이성(질량 분해능) 성능을 보였다.
실시예 8. 예시적 시스템(100)을 사용한 Y. rohdei 를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고감도 검출
Y. rohdei를 포함하는 에어로졸 샘플을 예시적 시스템(100)을 사용하여 포착 및 분석하였으며 기준선 기준 질량 스펙트럼과 비교하였다. 도 15에 도시된 바와 같이, 측정된 스펙트럼의 특징은 상기 기준 스펙트럼의 특징과 높은 상관관계를 가지며 상기 예시적 시스템 및 데이터 처리 도구의 우수한 특이성(질량 분해능) 성능을 보였다.
실시예 9. 예시적 시스템(100)을 사용한 E. coli 박테리오파지 MS2 바이러스 입자를 포함하는 생물학적 에어로졸 입자의 고감도 검출
대장균(E. coli) 박테리오파지 MS2 바이러스를 포함하는 에어로졸 샘플을 포착하고 예시적 시스템(100)을 사용하여 분석하였다. 도 16에 도시된 바와 같이, 측정된 스펙트럼의 특징은 상기 예시적 시스템 및 데이터 처리 도구의 우수한 특이성(질량 분해능) 성능을 보였다.
요약서는 37 C.F.R. §1.72(b)에 따라 독자로 하여금 피상적인 검토로부터 기술 개시내용의 본질과 요지를 신속하게 결정할 수 있도록 한다. 이는 특허청구범위의 범위나 의미를 해석하거나 제한하는 데 사용되어서는 안 된다.
본 개시내용이 이를 실시하는 바람직한 형태와 관련하여 설명되었지만, 통상의 기술자는 본 개시의 정신을 벗어남이 없이 많은 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시내용의 범위가 위의 설명에 의해 어떤 방식으로든 제한되는 것으로 의도되지 않는 것이다.
또한, 본 개시내용의 본질을 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 변경들도 본 발명의 상세한 설명에 암시적으로 포함되는 것이다. 이것들은 여전히 본 개시내용의 범위에 속한다. 본 개시내용은 독립적으로 그리고 전체 시스템으로서, 그리고 방법 유형 및 장치 유형 모두에서, 본 개시내용의 다양한 측면을 포괄하는 특허를 산출하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 개시내용 및 특허청구범위의 다양한 요소들 각각은 또한 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 본 개시내용은 임의의 장치 구현, 방법 구현 또는 프로세스 구현의 구현의 변형이든 간에, 또는 심지어 이들 중 단지 임의의 요소의 변형이든 간에, 이러한 각각의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 각 요소에 대한 단어는 기능 또는 결과만 동일하더라도 등가의 장치 용어 또는 방법 용어로 표현될 수 있음을 이해해야 한다. 이와 같은 동등하거나 더 광범위하거나 훨씬 더 일반적인 용어는 각 요소 또는 작용의 설명에 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 이러한 용어는 본 개시내용의 권리가 주어지는 묵시적으로 광범위한 범위를 명시하기 위해 원하는 경우 대체될 수 있다. 모든 작용은 그 작용을 취하기 위한 수단으로 또는 그 작용을 유발하는 요소로 표현될 수 있음을 이해해야 한다. 유사하게, 개시된 각각의 물리적 요소는 그 물리적 요소가 용이하게 하는 작용의 개시를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 사용된 각 용어와 관련하여, 본 출원에서의 그 활용이 그러한 해석과 불일치하지 않는 한, 일반적인 사전적 정의는, 장인들에 의해 인정된 최신 기술사전들 중의 적어도 하나에 포함되어 있는 바와 같은, 각 용어 및 모든 정의, 대체 용어와 동의어에 대해 통합된 것으로 이해되어야 하고, Random House Webster의 Unabridged Dictionary(최신판)이 참조로 여기에 포함된다.
또한, 전환부 "포함하는(comprising)"의 사용은 전통적인 청구항 해석에 따라 여기서는 "개방형" 청구항을 유지하는 데 사용된다. 따라서, 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, "포함하다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 명시된 요소나 단계, 또는 요소들 또는 단계들의 그룹을 포함하는 것을 의미하지만 다른 요소나 단계, 또는 요소들 또는 단계들의 그룹을 배제하지 않도록 의도된 것임이 이해되어야 한다. 이러한 용어는 법적으로 허용되는 가장 광범위한 범위를 본 출원인에게 제공하도록 가장 광범위한 형태로 해석되어야 한다.

Claims (48)

  1. 자율 샘플 포착 및 분석 시스템에 있어서,
    새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    폐(spent) 디스크 카트리지를 수용하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    샘플 수집 스테이션; 및
    TOFMS를 포함하되, 샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는, 분석 스테이션을
    포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 수집 스테이션은 에어로졸 샘플 수집 스테이션 및 액체 샘플 수용 스테이션 중의 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    카메라 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    액체 화학 물질 분배 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디스크들이 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 디스크가 니켈 및 니켈 합금 중의 하나 이상으로 제조된 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 에어로졸 샘플 수집 스테이션은 직경이 약 1㎜인 샘플 점적(spot) 크기를 생성하도록 구성된 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 분배 스테이션은 약 0.5μL 내지 약 2μL의 액체를 분배하도록 구성된 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액체가 TFA, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 및 물 중에서 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템은 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 원격 서버와 통신하도록 구성되고, 상기 분석 스테이션의 출력은 상기 원격 서버로 전송된 다음, 데이터 처리를 위한 데이터 처리 스테이션으로 전송되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 데이터 처리 스테이션과 통신하도록 구성되고, 상기 분석 스테이션의 출력은 처리를 위해 상기 데이터 처리 스테이션으로 전송되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  12. 자율 샘플 포착 및 분석 시스템에 있어서,
    새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    에어로졸 샘플 수집 스테이션;
    액체 화학물질 분배 스테이션;
    카메라 스테이션; 및
    샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 분석 스테이션을
    포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분석 스테이션은 TOFMS를 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 분석 스테이션은 TOFMS 및 광학 검출기 중의 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 카메라 스테이션은 현미경 카메라 및 디지털 카메라 중의 하나 이상을 수납하도록 구성되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 샘플은, 유도 가열, 저항 가열, 건조 공기의 흐름, 진공 및 이의 조합 중에서 하나 이상을 사용하여, 실질적으로 건조되는 건조 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터(clutter) 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하기 위해 상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  18. 제13항의 시스템을 사용하여 에어로졸 분석물 입자를 수집 및 분석하는 방법으로서,
    샘플 디스크를 상기 새 샘플 디스크 로더 스테이션에서 상기 샘플 디스크 홀더 상으로 로드하는 단계;
    에어로졸 입자가 상기 코팅된 샘플 디스크 상으로 충돌하는 상기 에어로졸 샘플 수집 스테이션으로 새 디스크가 있는 상기 샘플 디스크 홀더를 이동하는 단계;
    침착된 에어로졸 샘플을 화학 물질로 처리하기 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 상기 액체 화학 물질 분배 스테이션으로 이동시키는 단계;
    현미경 카메라 및 디지털 카메라를 이용한 이미징 중의 하나 이상을 사용하여 검사를 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 상기 카메라 스테이션으로 이동시키는 단계;
    상기 샘플을 건조하는 단계; 및
    샘플 분석을 위해 상기 샘플 디스크 홀더를 TOFMS 분석 스테이션으로 이동하는 단계를
    포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템과 원격 서버 간의 유선 통신 및 무선 통신 중의 하나 이상을 사용하여 상기 TOFMS 분석 스테이션의 출력을 상기 원격 서버로 전송하는 단계;
    상기 에어로졸 분석물 입자에 고유한 로우 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계;
    처리된 스펙트럼 데이터를 생성하도록 필터링, 기준선 차감(baseline subtraction), 신호 대 잡음비 추정, 피크 검출, 및 특징 추출(feature extraction) 중의 하나 이상을 수행하는 단계; 및
    상기 처리된 스펙트럼 데이터를 여러 생물학적 및 화학적 분석물들의 처리된 스펙트럼 데이터를 포함한 참조 라이브러리와 비교함으로써 상기 에어로졸 분석물 입자의 조성을 식별하는 단계를
    더 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 샘플 디스크가 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅되는 방법.
  21. 자율 분석 시스템에 있어서,
    새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    액체 샘플 수용 스테이션;
    액체 화학물질 분배 스테이션; 및
    샘플 디스크 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는, TOFMS 분석 스테이션을
    포함하는 자율 분석 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 액체 샘플 수용 스테이션은 에어로졸 수집 장치로부터 액체 샘플을 수납하도록 구성된 자율 분석 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 액체 샘플 수용 스테이션은 호기를 포함하는 액체 샘플을 수용하도록 구성된 자율 분석 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 액체 샘플 수용 스테이션은 표적 분석물을 정제할 수 있는 액체 샘플 처리 장치로부터 얻은 액체 샘플을 수납하도록 구성된 자율 분석 시스템.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 에어로졸 수집 장치는 임팩터, 연속적 또는 간헐적 헹굼이 있는 회전 임팩터, 연속적 또는 간헐적 헹굼이 있는 사이클론, 습윤 벽(wet-walled) 임팩터 및 액체 집진기 중에서 하나 이상을 포함하는 자율 분석 시스템.
  26. 에어로졸 입자를 수집 및 분석하는 방법에 있어서,
    에어로졸 입자를 액체 중으로 수집하는 단계;
    상기 액체 샘플에 효소 및 열산 처리 중의 하나 이상을 적용하여 상기 에어로졸 시료의 특징적인 펩타이드를 생성하는 단계;
    처리된 상기 샘플에 MALDI 매트릭스 용액을 첨가하는 단계; 및
    TOFMS를 사용하여 상기 샘플을 건조 및 분석하는 단계를
    포함하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 효소 및 열산 처리 단계 중의 하나 이상이 약 15분 동안 약 140℃에서 수행되는 방법.
  28. 액체 샘플 중의 오염물 입자를 포착 및 분석하기 위한 자율 샘플 포착 및 분석 시스템에 있어서,
    캐리어 가스 중에 오염물 입자를 포함하는 에어로졸을 생성하기 위한 분무기;
    에어로졸 중의 상기 오염물 입자의 크기를 사전 결정된 평균 입자 직경으로 확대하기 위한 하나 이상의 응결 성장 튜브;
    새 디스크들의 스택이 있는 카트리지를 수납하도록 구성된 새 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    폐 디스크 카트리지를 수납하도록 구성된 폐 샘플 디스크 또는 기판 로더 스테이션;
    에어로졸 샘플 수집 스테이션;
    액체 화학물질 분배 스테이션; 및
    샘플 홀더가 스테퍼 모터 및 액추에이터 중의 하나 이상을 사용하여 수평 및 수직으로 이동하고 사전 결정된 분석 시퀀스를 사용하여 각 스테이션과 결합하도록 구성되고 상기 자율 샘플 포착 및 분석 시스템의 작동이 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어되는 분석 스테이션을
    포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 분석 스테이션은 LDI-MS를 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 분석 스테이션은 LDI-MS, MALDI-TOFMS 및 광학 검출기 중의 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 디스크들은 MALDI 매트릭스 화학 물질로 사전 코팅된 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 샘플 디스크는 니켈 및 니켈 합금 중의 하나 이상으로 제조되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 분배 스테이션은 약 0.5μL 내지 약 2μL의 액체를 분배하도록 구성된 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 액체는 TFA, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 및 물의 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  35. 제28항에 있어서,
    카메라 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 카메라 스테이션은 현미경 카메라 및 디지털 카메라 중의 하나 이상을 수납하도록 구성되는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  37. 제28항에 있어서,
    상기 샘플이 진공 하에 실질적으로 건조되는 건조 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  38. 제28항에 있어서,
    입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하도록 상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  39. 제28항에 있어서,
    상기 오염물 입자의 조성을 식별하도록 상기 분석 스테이션으로부터 출력된 처리 데이터를 획득하기 위한 데이터 처리 스테이션을 더 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  40. 제28항에 있어서,
    상기 오염물 입자의 평균 크기는 약 1㎚ 내지 약 20㎚인 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  41. 제28항에 있어서,
    상기 응결 성장 튜브를 빠져나가는 입자의 평균 크기는 약 3㎛인 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  42. 제28항에 있어서,
    상기 액체 샘플은 UPW, 및 반도체 제조 동안 사용되는 화학 액체 중의 하나 이상을 포함하는 자율 샘플 포착 및 분석 시스템.
  43. 액체 샘플 중의 오염물 입자를 포착 및 분석하는 방법에 있어서,
    제28항의 장치를 제공하는 단계;
    액체 샘플을 분무하여 캐리어 가스 중에 오염물 입자를 포함하는 에어로졸을 생성하는 단계;
    사전 결정된 평균 입자 직경의 확대된 오염물 에어로졸 입자를 생성하기 위해 하나 이상의 응결 성장 튜브를 사용하여 상기 에어로졸 중의 상기 오염물 입자의 크기를 성장시키는 단계;
    샘플 디스크를 상기 새 샘플 디스크 로더 스테이션에서의 상기 샘플 홀더 상으로 로드하는 단계;
    새 디스크가 있는 상기 샘플 홀더를 상기 에어로졸 수집 스테이션으로 이동하여 상기 확대된 오염물 에어로졸 입자가 코팅된 샘플 디스크 상으로 충돌하는 단계;
    침착된 에어로졸 샘플을 화학 물질로 처리하기 위해 상기 샘플 홀더를 상기 액체 화학 물질 분배 스테이션으로 이동시키는 단계;
    현미경 카메라 및 디지털 카메라를 이용한 이미징 중의 하나 이상을 사용하여 검사를 위해 상기 샘플 홀더를 상기 카메라 스테이션으로 이동시키는 단계;
    상기 샘플을 건조하는 단계; 및
    샘플 분석을 위해 상기 샘플 홀더를 분석 스테이션으로 이동시키는 단계를
    포함하는 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 샘플 수집 스테이션의 상류측에 배치된 형광 센서를 사용하여 입자 크기 분포, 입자 수, 및 표적 분석물 입자 대 클러터 입자 비율 중의 하나 이상을 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 분석 스테이션은 LDI-MS를 포함하는 방법.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 분석 시스템은 LDI-MS, MALDI-TOFMS, LIBS, 라만 분광법 및 IR 분광법 중의 하나 이상을 포함하는 방법.
  47. 제43항에 있어서,
    상기 에어로졸 분석물 입자에 고유한 로우 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계;
    처리된 스펙트럼 데이터를 생성하기 위해 필터링, 기준선 차감, 신호 대 잡음비 추정, 피크 검출, 및 특징 추출 중에서 하나 이상을 수행하는 단계; 및
    상기 처리된 스펙트럼 데이터를 여러 생물학적 및 화학적 분석물들의 처리된 스펙트럼 데이터를 포함하는 참조 라이브러리와 비교하여 상기 오염물 입자의 조성을 식별하는 단계를
    더 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 식별하는 단계는 기계 학습을 사용하여 스펙트럼 데이터를 훈련 데이터 세트와 비교함으로써 오염물 입자 조성을 예측하는 단계를 포함하는 방법.
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