TW200825400A - Pathogen and particle detector system and method - Google Patents

Description

200825400 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於一種用以偵測氣媒（airborne )或 水媒（waterborne )粒子之系統及方法，且更明確地說係 關於種用以偵測氣媒或水媒粒子並以尺寸分類該偵測之 粒子的系統及方法。本發明在以尺寸來偵測及分類過敏原 液體中之生物戰劑（biological warfare agent;即氣媒或 水媒粒子）的方面尤具實用性，且將參照此種實用性來描 述之’雖然本發明亦涵蓋在其他領域中之實用性。 【先前技術】

κ 以釋放生物戰劑例如炭疽桿菌（炭疽病）而對城市進 行恐怖攻擊已不再僅存於想像中。武器化之炭疽病孢子具 有高度危險，因為它們可進入人體肺臟。據估計，人類之 炭疽病孢子吸入致死劑量LD5〇(足以殺死50%之暴露於此 物質的個人之致死劑量）為2,5 〇〇至50,000個孢子（參見， T. V. Inglesby, et al.3 f,Anthrax as a Biological Weapon" JAMA，vol. 281，page 1 735，1 999 )。其他部分可能之生物 製劑如鼠疫桿菌（鼠疫）、肉毒桿菌（肉毒症）、及土倫病 法闌西斯氏菌（/rancke/Za fw/arew/s)。有鑑於這此潛在 的威脅，當前極需一明確的警報系統以偵測此種烕脅。 已知雷射粒子計數器中，可將一雷射光束導引通過一 樣本，且可偵測並分析通過該樣本之光線以偵測樣本中之 粒子所散射之光線。既有經設計以偵測散射光線之偵測器 5 200825400 或粒子計數器的問題之一在於必須由入射照明光源信號取 得散射信號。其涉及在一高雜訊背景（來自雷射源之眩光） 中偵測一弱信號（來自小粒子之散射）。目前，傳統設計之 雷射粒子計數器容易損壞且昂貴，亦不適用於此種應用。 用於雷射粒子計數之傳統技術包括：雷射都卜勒法 (Doppler method)，其可測量粒子速度並推導出尺寸資 訊；過渡時間法，其可測量粒子橫越一感應區域所需之時 間；以及大角度多重感應器設計，其僅能夠測量小粒子。

在 T. H· Jeys，et al·，Proc. IRIS Active Systems，Vol. 1，ρ. 235，1998中描述以一種利用脈衝UV雷射之雷射誘導螢光 為基礎之生物感應器。其能夠偵測每公升空氣中五種粒子 之氣溶膠（aerosol )濃度，但必須使用昂貴且脆弱之儀器。 亦參見 Hairston et al·，J. Aerosol Sci·，Vol. 28，No. 3，p. 471-4 82 (1997)。其他粒子計數器係由 Met One lnstrument， Inc， of Grants Pass, Oregon 、 Particle Measurement Systems, Inc., of Boulder, Colorado Λ 以及 Terra Universal Corp·，of Anaheim，California等製造。由於其設計，這些 ί 粒子計數器組態需要精確之光學·排列以及複雜之感應器及 電子儀器。這些產品通常適用於實驗室用途且一單一單元 即可能耗費數千美元。因此，其不適用於一運用於實地演 練（field-depl〇yed)之偵測器，且其亦非特別設計可用於 偵測生物戰劑。 已設計各種偵測器以偵測氣媒過敏原粒子，並在當一 空氣樣本内之粒子數目超過一預定最小值時，對敏感之個 6 200825400 體提出警報。相關描述可見於Hamburger等人 國專利案號 5,646,597、5,969,622 ' 5,986,5 5 5、 以及6,〇87，947。這些偵測器皆涉及··導引一光 境空氣樣本’而使得空氣中之任何粒子可散射 一光束阻斷裝置，其僅可用以傳輸在對應於預 寸範圍之一預定角度範圍中散射之光線；以及 用以債測該傳輸之光線。若在偵測器偵測之光 定程度，則會啟動一警報器。雖然這些裝置足 原粒子之存在為基礎而提供一警報之目的， :實地演練，且不符合用以偵測生物戰劑之— 器的更加嚴格要求。 明内容】 本發明提出一新穎且改良之粒子/病房 以偵測及分類氣媒或水媒粒子方法。 根據本發明之-態樣，提出-粒子们 ::-外罩，其具有一樣本區域而容· —光源’可用以導引1焦之光束通土 因此出現於樣本區域中之具有各種尺， 从各種角度散射出， 且一未散射之光矣 :一光束阻斷裝置，可用以阻斷至幻 並沿著一光線路徑導 V弓丨至少光束之散肩 ”位於該光線路徑中，且位於光束阻_ 以偵測由光束阻斷裝置導引至該_ 所擁有之美 6,008,729 ' 線通過一環 部分光束； 定過敏原尺 一偵測器， 線高於一預 以滿足以過 但其不適用 病原體偵測 【發 及用 少包 水； 水， 光線 散射 分， 器， 而用 偵測器系統 系統，其至 樣本空氣或 本空氣、或 粒子能夠使 分仍保持未 之未散射部 分；一偵測 置之後方， 之光線，並 7

200825400 產生輸出脈衝，其中每一脈衝之高度和 一脈衝高度鑑別器，可用以取得在一指 之氣媒或水媒粒子的尺寸分佈；以及一 預定欲注意之尺寸範圍内的粒子數目為 提供一警報信號。光束阻斷裝置可阻擋 光束、有效排除光源所導致之背景雜訊 氣或水樣本中之粒子所散射之光線的角 偵測器輸出轉換成一粒子尺寸分佈直方 且若該直方圖指出在一預定尺寸範圍内 子時，則會產生一警報信號。預定尺寸 之粒子而不同。對於氣媒黴菌，則欲注 約為1至3 μπι ;對於氣媒生物製劑，則 通常約為1至7 μιη ;而對於氣媒過敏原 如鈹粉或石綿，欲注意之尺寸範圍通常 在注意水媒粒子之情形中，其通常可至 孢子，欲注意之尺寸範圍通常約為1至 在本發明之一示範性具體實施例中 器之輸出連接至一處理單元，而處理單 之高度而處理在一指定時間之粒子尺寸 或水媒粒子尺寸分佈之一直方圖，並在 該直方圖。鑑別器可至少包含：一脈峰 測量輸入脈衝高度、及一比較器及暫存 可用以暫存每一脈衝高度中之脈衝數目 高度轉換成粒子尺寸，且在一適當顯示

粒子尺寸成比例； 定時間内，樣本中 警報單元，若於一 超過時，其可用以 未散射之入射雷射 、且接著偵測一空 度分佈及強度、將 圖（histogram)、 有出現異常大量粒 範圍可隨著欲注意 意之尺寸範圍通常 欲注意之尺寸範圍 或其他有害物質例 約為5至5 0 μ m。 少包含細菌或細菌 20微米。 ，將脈衝高度鑑別 元可基於每一脈衝 分佈，而產生氣媒 一輸出裝置上顯示 偵測器，其可用以 -器（register)，其 。之後將各別脈衝 單元（例如一 LED 8 200825400 或液晶顯示器、或一電腦螢幕）上顯示及粒子尺寸分佈之 一直方圖。 本發明亦可提供一警報裝置，若某粒子尺寸範圍中之 脈衝數目超過一預定正常背景值則產生一可聽見且可看見 之警報信號。舉例而言，在某些情形中，目標為生物製劑 時，在1 μπι至7 μπι之尺寸範圍中所計數到之氣媒粒子數 目的任何突然且區域化之增加通常意味著惡意生物製劑之 蓄意釋放。

在本發明之一示範性具體實施例中，將一反射器放置 於光束阻斷器之上方或之前方，以便反射入射光束之未散 射部分的一部份，並定位一第二光偵測器以偵測由反射器 所反射之光線。光偵測器之功能為監控光源之輸出，而光 源可以是一雷射二極體。這使得該設備可進行自我校準。 粒子尺寸測量係依靠電子脈衝高度測量值，且因而其對雷 射二極體電力輸出中之任何波動具有具足輕重的地位。來 自第二偵測器之監控信號可分割來自第一偵測器之電子脈 衝信號，以便確保該結果不受任何雷射電力變異之影響。 亦可監控第二光偵測器之輸出，以顯示出雷射二極體之效 能。當來自第二光偵測器之信號低於一預定程度，例如為 起始電力程度之5 0%時，會響起一「雷射電力過低」警報， 以便啟動一維修呼叫。 在樣本區域及光束阻斷裝置之間可提供一透明分隔滑 板。該滑板之目的在於防止灰塵或其他環境污染物傳送到 光學元件及光偵測器中。當將系統運用於惡劣的實地演練 9 200825400 環境中，前述特點尤其有用。當第二光偵測器判定滑板 於渾濁而使得無法有足夠光線傳輸時，則可替換滑板。 此’雷射電力警報器可顯示出雷射二極體已經失去電力 或滑板過於渾濁二種情形其中之一。一中等渾濁之分隔 板不會影響粒子偵測之準確性，因為其會同時減低光線 未散射部分及散射部分二者之光線強度，且可記錄此二 信號之比例。 根據本發明之另一種態樣，提供一用以偵測及分類 媒或水媒粒子尺寸之方法，其至少包含下列步驟·· V引一光束通過一空氣或水樣本，則樣本中存在之 子使光束的第一部分產生散射，且一第二部分仍保持未 射， 接收已經通過樣本的二部分之光束，並將該光束之 部分導引至一光束阻斷農置上； 在光束阻斷裝置之處阻斷至少光束之第二部分，並 至少部分之光束&第一部分導引至_第—偵測器上； 測量來自第-偵測器之電子脈衝輸出的脈衝高度; 在一預定時間間隔中計數每-脈衝高度之脈衝數目 將脈衝南度轉換成粒子尺寸； 計數對應於每-粒子尺寸之脈衝數目；以及 若於一預定尺寸範圍内所偵須i之脈衝數目為超過時 產生一警報信號。 在本發明之-示範性具體實施例中，可將關於每一 子尺寸之脈衝數目的資料轉換到所俄測之粒子尺寸分佈 過 因 滑 之 種 氣 粒 散 各 將 粒 之 10

200825400 一直方圖中。之後可將其和已知之生物製劑粒子尺寸 進行比較，且若所偵測到之分佈符合任何已知之生物 尺寸分佈，可啟動一警報。亦可利用尺寸分佈來識別 測到之生物製劑，且可提供一鑑識工具以識別製造該 化生物製劑之製造過程。 本發明之粒子偵測系統及方法可用以偵測氣媒或 生物戰劑或其他有害物質之存在，包括黴菌、細菌、 抱子、及粉塵例如皱及石绵。 在本發明之另一種具體實施例中，提出一改良之 系統及方法，其用以偵測在一所選尺寸範圍内氣媒或 粒子之存在，且同時亦可鑑別該所選尺寸範圍内之生 機體或生物製劑以及惰性或無機物質。更明確地說， 明提出一氣媒或水媒粒子偵測器，並結合一螢光感應 其可用以偵測及鑑別活體生物之氣媒或水媒粒子或以 自惰性無機生物之生物製劑。本發明之系統可偵測一 欲注意之尺寸範圍之粒子，如，約1至7微米，並可 該尺寸範圍内之生物有機體或生物製劑以及惰性或無 質。 在另一種態樣中，本發明提出一改良之偵測系統 法，其可用以偵測介於一所選尺寸範圍内之氣媒或水 子之存在，且同時亦可鑑別該所選尺寸範圍内之生物 體或生物製劑及惰性或無機物質。 本發明之另一種具體實施例提出一改良之螢光偵 及方法，其係藉由利用多重偵測外罩。更具體而言， 分佈 製劑 所偵 武器 水媒 細菌 偵測 水媒 物有 本發 器， 及來 指定 鑑別 機物 及方 媒粒 有機 測器 一通 11

200825400 道可供含有生物有機體或生物製劑之一流體流經 可利用該通道連接一系列之外罩。每一外罩含有 其可用以傳送光線通過流體；且一偵測器位於 中，其可用以偵測生物有機體或生物製劑之螢光 寸，並產生一相對應輸出信號。在較佳的情形中 光源以產生一光線，其具有一或更多代謝物之最 長。舉例而言，可調整光源至色胺酸、吡哆醇、 或核黃素之激發波長。此外，外罩可含有多重光 每一外罩中之一種光源具有一共同波長以確保粒 量之一致。 在本發明之另一種示範性具體實施例中，一》 偵測器系統可利用複數個光源，而該些光源可傳 過一流體，以激發流體中之該生物有機體或生物 光。可利用一光耦合器或另一種混合裝置來混合 光源。在較佳的情形中，光輅合器可調節該複數 使其具有不同之頻率。將一偵測器置於光線路徑 用以偵測該生物有機體或生物製劑之螢光及粒子 產生一相對應輸出信號。 在本發明之又另一種示範性具體實施例中， 件係設置於光線路徑上，並位於已通過一含有流 區域的光線之後方。反射構件可將至少在某些角 散射之一光線部分偏向至一第二光線路徑中。將 測器放置於第二光線路徑中，其可用以偵測散射 一部分並產生一輸出信號。在較佳的情形中，可 其中，而 一光源， 光線路徑 及粒子尺 ，可調整 佳激發波 NADH、 源，其中 子尺寸測 紅子/螢光 送光束通 製劑之螢 該複數個 個光束而 中，其可 尺寸，並 一反射構 體之樣本 度範圍所 一第一偵 之光線的 最佳化第 12 200825400 一偵測器以測量_介 s , Λ ；1 ^ ^ 尺寸範圍之粒子，如介於o.i μιη至1·0 μιη之尺 c u 了將弟一偵測器放置於光鍊路徑中， 並位於反射構侔夕他+ ^ ^ 綠 八 ’ "用以偵測在較大角度散射之 一光線部分，並產+ — μ 1出信號。在較佳的情形中， 可取住化弟二福、、91丨w t 0 偵測盗以測量—介於第二尺寸範圍之粒子， 如介於1 μΐη1 10 μιη之尺寸。

此外’在此具體實施例中 或光束分離構件放置於光束中 將光束分離成複數個光束。在 選擇性滤、波器為一雙色濾波器 該複數個光束之其中之一者的 域中粒子之螢光。 在本發明之另一種具體實 之測試系統中運用一測試構件 一腔至，其可用以裝載一 一過濾構件，其連接至該 定尺寸之粒子； ’可將一波長選擇性濾波器 且位在反射構件之後方，以 〜較佳具體實施例中，波長 。可將一第三偵測器放置於 光線路徑上，以偵測樣本區 施例中，於粒子偵測感應器 ，包括 剛試粉末； 脸室，且可用以移除大於預

該過濾構件之一出 統0 其連接至一粒子偵測感應器系 此摘測器系統靈敏、廉價、耐用，而能夠運用於實地演練。 雖然該系統不需偵測或辨識精確的粒子種類，但其可提供 具有靈敏性及成本效益之生物製劑攻擊的早期警告。其亦 可設置而提供有害且可能引起肺窘迫（pulmonary distress ) 之氣媒粒子的早期警告’例如··石綿或鍵粉末，或是可針 13 200825400 對有害之水媒粒子而提出警告 【實施方式] 1 Ί 、A及3至5圖闡明根據本發明之一示範性具體 貝％例的一氣媒粒子偵測器系統，而第6圖闡明來自該系 統之一示筋柯lb , 祀肛翰出。此種系統之具體實施例特別適用於偵 '則心丨布伤子或其他人蓄意釋出之氣媒或水媒生物恐怖製 劑，但亦可用柏^ , 用於一般日常用途以偵測可能存在於自然界中 或可月匕經忍外、非蓄意、自然地、或蓄意釋出之其他氣媒 或水媒粒子的有害量，例如黴菌或細菌。 在此處，「流體媒介粒子（fluid borne particle)」一詞 係指氣媒粒子及水媒粒子二者。 在此處，準直光線（collimated light)」一詞係指準 直光線及近準直光線二者。 物劍ΐ此處’「病原體」—詞係指任何氣媒或水媒粒子、生 :製劑：或毒素等’當其在空氣或水中存在足夠量時二 月匕對暴露於此類粒子之 、可

^ 之人類具有潛在危害甚或蔹A . L 處，將「生物製劑」定義為任何微- p在此 性物質、毒素 '生物毒辛 ^ 、，原體、或感染 程製造或合成之此類微生物或發生、生物工 何組成份’不論其製造來源或方法為何：的任 括’舉例而言，生物主 生物裳劑包 I ’、、細菌、病毒、古古 (rickettsiae )、孢子、直4 見次體 領域中所習知者。ί、及原生動物、以及其他相關 14 200825400

「生物毒素」為由植物、動物、或微生物產生之有毒 物質，但亦可能經由化學方法而產生或改變。然而，一毒 素通常可在一宿主生物體内自然產生（即，渦鞭藻毒素係 由海藻產生），但已經可在一實驗室環境中產生基因改造和 /或合成製造之毒素。相較於微生物，毒素具有相對較簡單 之生化組成且不能自我複製。在許多態樣中，它們可和化 學製劑相提並論。此類生物毒素，舉例而言，肉毒桿菌毒 素及破傷風毒素、葡萄球菌腸毒素B、ticothecene黴菌毒 素、昆麻毒素、渦鞭藻毒素，志賀及類志賀毒素、樹蛇神 經毒素、半環扁尾蛇神經毒素b、以及其他已知毒素。 偵測器系統經設計而可偵測一特定尺寸範圍之氣媒或 水媒粒子、鑑別出生物製劑及惰性或無機物質、並產生輸 出訊號以指明在一樣本中所偵測之各尺寸範圍内之粒子的 數目，並指明該粒子是否為生物或非生物粒子，且若粒子 數目相較於一正常背景程度超過一預定值時，和/或為生物 有機體或生物製劑以及具潛在危險性時，亦可產生一警報 信號。 如第1及3圖所示，系統之第一具體實施例基本上至 少包含一光學單元1 〇、一雷射二極體或其他光源1 2以導 引一準直或近準直光線進入光學單元1 0、一第一光偵測器 1 4，其位於傳輸通過光學單元1 0之光學單元可偵測光之輸 出位置、一第二光偵測器1 6，可用以偵測雷射二極體 12 之光線輸出、一信號分離器1 8，可用於以光偵測器1 6之 輸出來分離光偵測器1 4之輸出、一放大器2 6，其連接至 15 200825400 差動式放大器1 8之輸出、——類比至數位轉換器22、一窗 型比較器電路24、及一控制及輸出顯示單元25，其連接至 電路24之輸出。一低信號偵測電路2 6係連接至光偵測器/ 監控偵測器1 6之輸出，其中光偵測器1 6可偵測雷射二極 體之電力，且電路之輸出亦連接至控制單元25。一警報裝 置2 8亦連接至控制單元2 5。控制單元2 5可以是一電腦或 控制系統之特製化硬體/軟體。

參照第1及1A圖更詳細描述系統之光學單元10。此 系統之一部份類似Hamburger等人擁有之美國專利公告號 第5,98 6,5 5 5及6,08 7,947中所述之光學系統，將其内容納 入作為參照。可將光學系統容納於一外罩 3 0中，該外罩 3 0可以是管狀或其他形狀。光源1 2導引一準直雷射光束 32通過外罩30内之一空氣樣本區域34。當準直光束32 碰到空氣樣本内之粒子3 5，一部分之光束3 6會被偏向或 散射，且偏向之角度係取決於粒子尺寸。因而散射之光束 3 6可證實樣本内粒子之存在。利用一流體移動單元3 7 (例 如一風扇）而持續將環境空氣以第1圖中箭頭所示之方向 吸引通過樣本區域34，類似上文參照專利中所述之方法。 參照第1A圖，為了確保粒子偵測之正確性，穿過樣 本區域3 4之流動通道應保持相對較小，在較佳的情形中寬 約1至2毫米。若流動通道之截面過小，即，低於約1毫 米，會產生過多回流壓力而無法正確取樣。另一方面，一 流動通道超過約2毫米會導致在鄰近流動通道壁處產生一 雙層或靜止層。理想中，流動通道之截面約1 .5至2.0亳 16

200825400 米。在一較佳具體實施例中，樣本區域3 4至 室100,且其至少包含一具有一進口端102及 之本體。進口端102及出口端104各為截圓 c ο n e )之形式，但其形狀可以相同或不同。’ 截面約1至約2毫米，其包括一光學窗108， 經該光學窗108而照射。通道106連接至進 口端104的截圓錐之頂點。進口端102係與 通。液體移動單元37，如一風扇，連接於出 了減少回流壓力，在較佳的情形中，於進口 表面的中點及出口端104之圓錐表面的中點 多額外導管 11 〇，以排放空氣且因而允許更 體取樣。在較佳的情形中，以一金屬塗層1】 室1 00之外表面，且該外表面連接至地面， 之靜電力累積。 將一透鏡3 8置於外罩3 0中，且位於光 散射部分二者離開樣本區域34之路徑上。i| 一預定直徑之中央、阻斷構件 40，其經設 線。在一第一示範性具體實施例中，阻斷構卡 一片黑色乙烯黏接至透鏡3 8之前端，但是亦 用其他光束改向裝置。阻斷構件40之直徑使 聚焦之光線的未散射部分，且因而可防止其 元1 0的更遠處。圓形阻斷構件40之直徑約 之直徑大2毫米，且可設計之而使得其可阻 及由大於一預定尺寸例如5 0微米之粒子所， 少包含一流動 一出口端104 錐（truncated 一通道1 0 6之 而光束3 2可 口端1 02及出 周圍空氣為流 口端104 。為 端1 02之圓錐 間形成一或更 一致之空氣液 :2來塗覆流動 以便消除可能 束的未散射及 ί鏡3 8具有有 計而可吸收光 卜40至少包含 可替代性地使 得可至少阻斷 穿射至光學單 比未聚焦光束 斷未散射光線 良射之光線。若 17 200825400 有需要，可利用一更大之阻斷構件以進一步消除小於5〇 微米之粒子所散射之光線。透鏡3 8亦可具有一圍繞中央随 斷構件40且由光線阻斷材料構成之輪狀環（此處未顯 示），舉例而言，上文參照之美國專利公告號第6,〇87,947 中所述。其作用為阻斷小於一預定最小值之粒子所散射之 光線。然而，可設計其他大小之透鏡及外罩直徑，而使得 某種粒子所散射之光線不會被傳輸。

在上述先前技藝專利中，光束阻斷裝置至少包含透鏡 38及光束阻斷構件40 (及輪狀光束阻斷環，若存在時）其 故設計而可阻斷具有5至50微米之一預定粒子尺寸範圍以 外的粒子所散射之光線。然而，在本發明中，欲债測之孝立 子的尺寸範圍可能不同，特別是氣媒黴菌、生物製劑、或 有害灰塵。由於粒子尺寸可能小至1 μιη或甚至〇 具有預定尺寸之透鏡38、外罩30、及光束阻斷構件4〇則 可阻斯一尺寸範圍〇·5 μπι至50 μηι以外的粒子所傳輪之二 線’而可將尺寸範圍0.5 μπι至50 μπι内之粒子私 光 厂尸汗政射之部 分光束42傳輪通過圍繞阻斯構件40的读 ° 」逍鏡3 8之輪狀環 分。可以理解，若想進一步限制或擴充傳輪通過透鏡。 之部分光束，則可改變阻斷構件之尺寸。 兄3 8 除了聚焦之光束32之外’光源12亦可由| 田，、表面彦冷 某種程度之雜訊。此雜訊可由透鏡38聚隹王 艰居、至位於第二 44中心之一圓形阻斷構件45上，而使猓可η —遂鏡 便侍可阻擋其到 偵測器14。然而，透鏡44可將透鏡3 8所馑认 九 得輸之散射却 的光束42聚焦至偵測器14上，如第1圖於- 分 口尸汀不。圓 111形随斷 18 200825400 構件45可以和阻斷構件40相同。

除了前述差異之外，光學單元1 〇和上述二專利中所述 之光學單元有以下差異。首先，將一反射器46放置於光束 阻斷構件4 0之上方或之前方。反射器4 6可以是一傾斜鏡 子或一塗覆之稜鏡組。此反射器46經設計而可將未散射之 入射雷射光束反射至第二光偵測器（或監控偵測器）16 上。其次，將一透明分隔滑板47放置於樣本區域34及光 束阻斷裝置（3 8、40 )之間。該滑板47之目的為防止灰塵 或其他環境污染物進入光學元件及光偵測器。當該系統運 用於惡劣的實地演練環境中時，此種特點尤其有用。滑板 47係可移除地裝置於外罩3 0中，而使得當其過於髒污而 無法允許足夠光線傳輸時，可置換之，前述情形係由第二 光偵測器判別。因此，雷射電力警報器可指出雷射二極體 已經失去電力、或滑板已經變得太髒兩種情況其中之一。 一中等程度髒污之分隔滑板不會影響粒子偵測之準確性， 因為其會同時使未散射光束部分及散射光束二者之光線強 度減弱，且這二種信號之比例亦會被記錄下來。 雖然所述具體實施例中之光束改向裝置為一透鏡，其 具有一中央阻斷區域且亦可非必須地具有一外阻斷環，而 使得僅將在一預定角度區域中散射之光線傳輸至透鏡；替 代性具體實施例中之阻斷裝置可以是一凹面鏡，其具有如 上述之一中央光線吸收光線阻斷器，或具有預定直徑之一 中央開口。在此情形中，可放置偵測器1 4使其可偵測凹面 鏡反射之光線，如Hamburger等人擁有之美國專利公告號 19 200825400 第6,008,729中所述，此處亦將其内容納入作為參照。亦 可以和第1圖中所示完全相同之方式來運用一具有角度之 鏡子或稜鏡，以便將光束之未散射部分的部分導引至第二 偵測器上。 系統没计係以Mie散射原理為基礎，意即由尺寸可和 光線波長相比較之粒子而散射光線。在M i e散射方法中， 政射之光線的角度分佈及強度二者皆高度取決於粒子尺寸 及形狀。Mie散射之特徵在於下列特性：1)散射之光線集 中於刖方，2 )散射之光線強度的角度分佈對於散射粒子尺 寸非常敏感；以及3)—粒子之散射截面與粒子尺寸成比

例’且為早一但複雜之形式。利用可見光，例如一波長ON μπι之可見雷射二極體弁 ^粒九線輪出光束，Mie散射法非常適用 於偵測及特性 卜料半p > 化微木尺寸範圍中的氣媒粒子。第2圖中顯 示Mie散射截面和粒子本— 彳叫丁 + fe之關係。 系統之光璺罝开 1 Λ 干早 10可利用散射角度和粒子尺寸成比 例之原理，以伟务I闲番 於已經通過樣本之光線的路徑中之 H阻”置（如：透鏡38)，排除—預定範圍外之散 射t、線系、統的其餘部分經設計而可债測樣本中之粒子尺 、二佈/、係藉由鑑別在偵測器丨4偵測之不同高度的脈衝 ^這是由於粒子之散射截面與粒子尺寸成比例，且 為單一但複雜夕游4，， 來自偵測器14之電子 ’之开y式如上所述及第2圖中所闡明。因此， 同 脈衝輸出的高度隨著粒子尺寸而不 債'則益1 4之輸出係連接至信號分離器1 8之一輸入， 20 200825400

如第3圖中所示，而偵測器1 6之輸出（其對應至雷射二極 體之輸出）係連接至信號分離器1 8之其他輸入，且由信號 分離器1 8輸出這些信號之比例。第4圖為一區塊圖，闡明 本發明之一示範性具體實施例中的脈衝高度測量電路，其 係由轉換器單元22、窗型比較器單元24、及控制及輸出顯 示單元2 5所組成，而第5圖為一概要圖式，更詳細闡明數 位轉換器單元。光4貞測器之輸出可以是一脈衝信號，例如 第4圖中所闡明的一信號60，其為一系列類比脈衝，且每 一脈衝表示空氣樣本中之一粒子的正確散射，且脈衝高度 與粒子尺寸成比例。來自光偵測器之每一輸入脈衝通過一 高通濾波器62以便消除DC背景，且之後通過一缓衝區 6 4至一脈锋彳貞測器6 5而測量輸入脈衝之高度。脈岭偵測 器6 5之輸出可以是具有脈衝高度資料之一系列脈衝計數 信號。第5圖中更詳細闡明一適當類比至數位轉換器及脈 峰偵測器電路之一實施例，且第5 A圖闡明在電路中各點 之脈衝輸出。將第5A圖中之輸出信號「PEAK OUT」傳送 至用於分類之窗型比較器單元。第5A圖中闡明之其他脈 衝為計時及許可信號以告知窗型比較器應取得並儲存計 數。 窗型比較器單元具有一系列窗型比較器66 (第4圖中 以例示之方式標示為1 -1 0 )，每個窗型比較器6 6係經設計 而可偵測一預定電壓範圍（窗型電壓）中之脈衝。若僅當 輸入脈衝高度位於其窗型電壓（如比較器#5之5 mV至7.5 mV )之内時，每一個窗型比較器66則傳送一信號至與其 21 200825400 相關聯之數位計數器68。將計數器68之輸出連接至一顯 示面板70，其可顯示每一粒子尺寸（或分格）中之粒子數 目。因此，輸出顯示單元25可至少包含一長條圖，其由發 光二極體（LED )陣列所點亮，而LED係以來自相關聯計 數器之輸入為基礎而依序點亮每一粒子尺寸，以產生粒子 大小分佈之一直方圖。可針對不同粒子尺寸產生不同顏色 之長條圖。亦可或二擇一地將輸出連接至一電腦，其經程 式化而可在其螢幕上顯示粒子尺寸分佈之一直方圖。

窗比較器單元24具有複數個比較器66及計數器（或 分格）68，其可用以計數對應於引起注意之粒子尺寸範圍 中的脈衝。在第4圖中，顯示十種此分格。然雨，可針對 1至7微米之粒子尺寸以一 0.5微米之間隔而提供1 4種分 格。若需要一較小或較大之尺寸範圍，則可提供一較少或 較多之比較器及計數器數目，舉例而言，一更加限制之病 原體尺寸範圍如1至5 μπι。第6圖闡明粒子尺寸分佈之一 直方圖的一實施例。雖然其指明之一分佈範圍係由1至1 9 μπι，可以理解，可將控制單元程式化以顯示在較小範圍如 上述1至7 μιη之一粒子尺寸分佈的直方圖或任何所想範 圍。控制單元2 5之輸出亦可是連接至一可見和/或可聽見 之警報裝置28，例如在外罩前方有一警報燈及一警鈴或與 其相似者。 可利用任何適當軟體以產生輸出信號之顯示直方圖， 例如位於德州奥斯汀之National Instruments Corporation 公司出產之LabView軟體。若在對應於一病原體或生物製 22 200825400 劑粒子尺寸之一尺寸範圍中，所得到的計數數目超過一預 定值（高於一正常周圍值）時，亦可利用此軟體產生一輸 出信號以啟動一可聽見之警報裝置28。這將有助於減少甚 或消除假警報。亦可利用電腦之輸出信號以啟動一更精密 之生物製劑偵測裝置，例如一以PCR為基礎之炭疽病偵測 設備。此種組合偵測方式具有成本效益且可進一步減低一 假警報之風險。

在本發明之一經修改的配置中，可將氣媒粒子尺寸分 佈之直方圖和已知武器化之生物製劑相比較，此乃因為此 種製劑之處理程序已知由於處理過程中所採用之機器設備 而具有獨一無二的特徵尺寸分佈。因此，本發明之偵測器 系統可針對生物製劑製造者之可能來源提供鑑識資訊。 如上所述，恐怖攻擊中最可能使用之生物製劑的尺寸 範圍介於1 μιη至7 μιη之間。下表1顧示美國疾病管制局 (CDC )所提出一分類Α之生物恐怖製劑的特徵： 分: 表1 類A之生物恐怖製劑 製劑 尺寸特徵 炭疽桿菌 桿形：寬 1.0-1.2 μπι，長 3.0-5.0 μιη (孢子 1 ·0Χ1 ·5 μπι ) 鼠疫桿菌（鼠疫） 橢圓形：1.0 - 2.0 μ m 肉毒桿菌 桿形：寬 0.8-1.3 μπι，長 4.4-8.6 μιη 土倫病法蘭西斯氏菌 桿形：寬 〇 · 2 μπι，長 0 · 7 μπι 23 200825400 在環境空氣中，尺寸範圍 在的氣媒粒子僅存在非常少量 所入侵之煙霧的粒子尺寸範圍 的尖峰通常分別為0.3 μπι及 可能出現花粉及其他過敏原， 於約5至50 μπι。因此，這些 少數介於武器化生物製劑的典 此外，雖然黴菌的粒子尺寸約 空氣中黴菌粒子之量通常不會 偵測器系統經設計可偵測在此 產生—輸出信號以表示在〇5 寸範圍。在一具有1至7 μιη 的任何突然及區域化增加，最 原體之蓄意釋出。可建立系統 子尺寸範圍内的一自然背景值 輸出直方圖之一比較標準，以 動警報裝置9第6圖之粒子尺 之危險情況，其中在尺寸範圍 子數目遠高於正常值。 雖然上述粒子偵測器系統 可作為一種靈敏且具成本效益 報因為在正常氣象情況中， 中之氣媒粒子係較為缺乏。對 在約1 μπι至7 之天然存 且固疋之濃度。都市區域中 以及區域沙塵源之突然成長 5 μπι。在花季時，空氣中亦 且過敏原微粒之尺寸範圍介 天然存在之氣媒粒子中僅有 型大小範圍（1至7 μη〇中。 1至5 μιη，在任何特定區域， 突然改變。因而，本發明之 特定尺寸範圍中之粒子，並 μπι間隔下所偵測之粒子尺 尺寸範圍中之氣媒粒子數目 可能代表惡意生物製劑或病 以债測並儲存在欲注意之粒 ，且之後利用該值作為後續 便在偵測到一突然增加時啟 寸分佈直方圖中指出一可能 1至7 μιη中所偵測到之粒 無法識別特定粒子，但是盆 之一氣媒生物製劑攻擊的警 具有欲注意之粒子尺寸範圍 於吸入此範圍内之粒子的人 24 200825400 而吕’該粒子可穿透人類肺部且可能有害健康甚或致命。 警報裔可對鄰近地區之個體提出一警報，以便立刻撤離該 區域’因而可減低對此種製劑之暴露。 亦可利用相同之偵測系統及方法以偵測在製造場所中 具有潛在危害之灰塵的危險程度。舉例而言，有害之石綿 ^ ^ ^ ^ 或更長’ 纖維的尺寸益网& 1 t ^ 了耗圍為約5 μπι，其長度通常約為5 μΐη 且直住約為U 。當吸入具有1-5 μχη之尺寸範圍的铍 肺Ρ % ’亦有害健康。可在含有石綿之建物中、或當 在b建物中工作時提供本發明之偵測系統，以便在當 偵測到1至5 μιη範圍中之異常尖峰時提供一警報信號， 而用以指出空翕φ 乳中石綿纖維之有害程度。相似地，當工人 在以機态製作鈹部件時，可在鄰近地區採用偵測器，以便 在2至5 μΠ1尺寸範圍中之粒子數目突然增加時提供一警 報‘號U指不可能存在達有害程度之鈹粉。雖然偵測器 '將石、、專或鈹粉與具有相同尺寸範圍之益宝粒子做一區 別，但是當在石錦或鈹環境中作#時，在=寸範圍中所 偵測到之叙+装洚从， 、 又、任何突然增加情形皆可以代表一種潛 在有害區域，而需要撖離該區域以及進一步檢驗。 在上述偵測器系統中，利用一種二階段债測及鑑別過 程:其中系統之光學單元10首先排除含有欲注意之粒子尺 寸範圍之預疋角度範圍以外的散射光線。接著，根據脈 衝冋度鑑別所偵測到之輪出脈衝，計數每一高度之脈衝數 目並將之轉換成介於某尺寸範圍之粒子尺寸(如，介於0.2 μιη内之粒子尺寸），以及將結果顯示成一直方圖，且在適 25

200825400 當時間間隔產生一新的直方圖以闡明粒子分佈情形之 變。然而，除了顯示一粒子尺寸分佈直方圖之外，可替 性地配置偵測器設備之光學單元，使其僅將對應於1至 μπι之一粒子尺寸範圍的該部分散射之光線信號導引至 測器1 4，並且將系統之其餘部分配置而用以當偵測器之 出信號超過一預定閾值時可發出一警報信號。其上述配 可提供一較不精確之輸出信號，且無法對所偵測之尺寸 圍内的粒子尺寸提供任何鑑別，但對於對應於已知氣媒 原體、過敏原或其他有害粒子，如，皱粉或石綿之一尺 範圍内出現異常大量粒子數目時，仍可提供一相對精確 警報。僅需修改第1圖之光學單元1 0以提供一較大中央 斷區域，而用以阻擋尺寸大於約：7 μπι之粒子所散射之 線，且可修改輸出電路系統以在偵測器之輸出處提供一 值鑑別器，且若偵測之信號高於所選閾值時，由該鑑別 提供一輸出信號以啟動一警報器。 本發明之病原體偵測器可運用於各種用途。舉例 言，可將其實作成可供現場工作人員使用之一電池k電 可攜式、手持式偵測器。在此種情形中，一外罩可容納 學單元以及電子電路系統二者，以計數不同尺寸範圍之 子，且能夠以例如一 LED顯示器來顯示每一粒子尺寸之 前粒子計數。其亦可包含一傳輸器以傳送無線電信號至 基地台。其亦可包含用於雷射低電力情形中之一可聽見 報及一警報燈。亦可提供一獨立、桌上型之模式，以用 辦公大樓或與其相似之環境中。其類似實地演練之模式 改 代 7 偵 輸 置 範 病 寸 的 阻 光 閾 器 而 Λ 光 粒 目 警 於 26 生 設施 在本發明之另一種具體實施例中，利用一： 源以取代雷射二極體。相較於一雷射光源，利戶 為光源之優點包括較長之使用壽命、較低裝置 減低斑點。LED之電子需求及遮蔽需求相較於 嚴格。然而，-LED為一種相對漫射之光源， 角度分佈通常大於一雷射二極體。相對應地，當 時，需要額外光學儀器以聚焦並準直光束。第 光學單元，其中以- LED光源12〇及光學透鏡 雷射。第7圖闡明-簡化之光學路徑，其係於 200825400 但係由一標準電子牆辟柘产 骑土插座而經由一 AC/DC | 電。在後者之情形中，可力 了在辦公室桌面陳設中運f 以提供對於生物製劑污毕夕一 J 7木之“件或包裹的保護。 偵測器亦可以是大捷仅人 々

大樓保全之一多工系統的部S 少包含在不同房間中且遠挺 遷接至一中央監控電腦或老 數個债測器。可將控制站 站耘式化以監控來自每一肩 手計數，並分析具有；虚； 畀届原體尺寸之粒子出現任何異 的起因，以及預測在建筚肉 适杀内之可能擴散模式。可於 合建物中採用較大之網絡♦絲 / Τ , ^ ^ 4、σ糸統，例如軍事基地或 道，即，如第10圖所示。可將偵測器有線連接或可 線電傳輸器以傳輸資料至—中央控制站，中央控制 彳分析所偵測到潛在生物製劑粒子增加之起因，以 物製劑煙霧之可能擴散模式。 本發明之氣媒粒子偵測器亦可有利地用以監控 中的潛在污染和/或材料耗損 流器供 I偵測器 ，其至 制站的 間之粒 常增加 大型複 城市街 具有無 站同樣 及任何 無塵室 作為光 LED作 、且可 亦較不 線發射 一 LED 顯示一 來取代 明之一 27

200825400 氣媒粒子偵測器中利用一 LED光源1 20作為光源。 圖所示，將一光學透鏡組合件122放置於LED光源 前方，且位於LED光源 120及流動室100之間。 鏡組合件122至少包含複數個透鏡，其可共同使來 光源 122之光束成形為一近準直光束1 24，且該光 於流動室100上。或者是，如第7A圖所示，可設 透鏡126而使其將光束128聚焦或近乎聚焦於Mie 子尺寸偵測器之第一透鏡3 8上，其類似先前討論 粒子尺寸债測器。有各種可商業取得之LED，其可 所期望產生之波長範圍，且可有利地用於本發明之 粒子偵測器中。 還可能有其他具體實施例。舉例而言，參照第 可修改上述氣媒粒子偵測器而能夠偵測水媒粒子， 由在樣本室34之進口及出口端提供水密式（water 進口及出口聯結器140、142，以及一蠕動式或渦卷 144以取代風扇37。由於欲注意之水媒粒子，即， 細菌抱子的一尺寸範圍約為1至20 μπι，應相對應 光束改向構件40之大小。 首先參照第11、12及1 3圖，依照本發明之一 體實施例，可用以偵測及識別氣媒或水媒生物製劑 系統至少包含：一第一光學單元2 1 0，其可用以偵 有所選粒子尺寸之粒子，如，約1至7微米；及一 學單元 3 00，其可用以鑑別生物毒素或生物製劑及 子。第一光學單元210至少包含：一雷射二極體或 如第7 120之 光學透 自LED 束集中 計光學 散射粒 之 Mie 發射一 一氣媒 8圖， 其係藉 tight) 式幫浦 細菌或 地調整 額外具 螢光之 測一具 第二光 無機粒 其他光 28 200825400 源212，其可用以導引一光束進入光學單元；一第一光偵 測器2 1 4，其位於光學單元之輸出處，用以偵測傳輸通過 光學單元之光線；一第二光偵測器2丨6，可用以偵測雷射 一極體之光線輸出；一差動式放大器2 i 8，可用以利用光 偵測器2 1 6之輸出而分離光偵測器2丨4之輸出；一放大器 226’係連接至差動式放大器218之輸出；一類比至數位轉 換器222; —窗型比較器電路224;及一控制及輸出顯示單 元225,係連接至電路224之輸出。一低信號偵測電路226 係連接至光偵測器216之輪出，而光偵測器216可债測雷 射一極體之電力，且低信號偵測電路226之輸出亦連接至 控制單兀225。一警報裝置228亦連接至控制單元us。在 此示範性具體實施射，樣本區域和前述參照帛U圖之 其他具體實施例相同。 特別參照第11-13圖’第二光學單元300包括一激發 雷射2U’其在-所選波長範圍之—波長中作業，如，約 37〇nm 至約 41〇nm。雷急耸 宙射212導引一準直雷射光束232 通過外罩内之空氣樣本區域234。雷射212應具有足夠強 度（舉例而言，其螢光約為每平方公分〇 〇3焦耳）以便在 甚至僅含有數微微克（pieDgj:am)材料之單—粒子中激發 可測量之榮光。當來自帝射9 1， 术自田射212之準直光線撞擊到空氣樣 本内之生物粒子時，若粒子中含有一生物材料例如，舉例 而言’核黃素、和/或NADH，則粒子會呈現出一螢光信號， 可經由位於空氣樣本區域234周固之一橢圓鏡3〇6而部分 收集該螯光信號’並將之聚焦至—鸯光偵測器3〇2上。雷 29 200825400 射212 '鏡306、及偵测器302皆放置於和外罩相對固定之 位置。關於橢圓鏡之選擇，係考量其將一焦點發射之光線 聚焦至其他焦點之能力。在此組態中，橢圓鏡可作為來自 生物煙塵之螢光光線的一種有效收集器（在橢圓體之第一 焦點），而該相同橢圓體中之第二焦點則可作為一光偵測 器。亦可利用一拋物鏡或其他反射性元件。

在本發明之一較佳具體實施例中，僅當發生二種情況 時才會啟動警報器：（1 )偵測到介於一預定尺寸範圍（約 1至約7 nm )内之氣媒粒子數的突然增加現象；以及（2 ) 利用下述雷射誘導之螢光而偵測到生物有機體或生物製劑 或有機材料。 粒子尺寸感應器本身容易受到周圍微粒物質之假警報 影響。為了進一步減低這些假警報，本具體實施例之病原 體偵測器系統為生物有機體或生物製劑驗證偾測器，其結 合了粒子分粒（sizing)能力以及一 UV光誘導之螢光感應 器而用以鑑別生物及非生物粒子。在較佳的情形中，本發 明之病原體偵測器系統亦包括一第二光學單元 300，其包 括一雷射誘導之螢光感應器以偵測存在於生物有機體或生 物製劑（包括生物戰劑）中之代謝物。更明確地說，第二 光學單元300包括一激發雷射，其可在約270 nm至約410 nm之波長中作用，在較佳的情形中，約3 7 0 nm至約410 nm。選擇約270 nm至約4 1 0 nm之波長的前提為生物製劑 至少包含三種初級代謝物：色胺酸，其發出之螢光通常為 約270 nm並介於約220 nm至約300 nm的範圍中；於驗 30 200825400

醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH )，其發出之螢光通常為約340 n m (範圍约為3 0 〇 n m至約4 0 0 π m )，以及核黃素，其發出 之螢光通常為約400 nm(範圍約為320 nm至約420 nm )。 然而，在較佳的情形中’偏好利用一具有波長約為370至 約4 1 0 nm之激發雷射。其可確保激發生物製劑中之上述 三個初級代謝物中的其中二者，即NADH、及核黃素，但 可排除激發干擾物例如柴油引擎廢氣及其他惰性粒子例如 沙塵或嬰兒爽身粉。因此，在本發明之一較佳具體實施例 中，可明智選擇激發光源之波長範圍，使其保有激發NADH 及核黃素（上述激發色胺酸之能力）之螢光的能力，同時 排除激發干擾物例如柴油引擎廢氣。可利用此步驟以減低 柴油廢氣產生之假警報（其可由短UV波長例如266nm之 光線而激發之）。 .螢光偵測器3 02之輸出連接至一分離器2 1 9，後者接 著經由一放大器 226及 A/D轉換器 222連接至控制器 225 ’其接著可連接至顯示器及警報裝置228。 在前述具體實施例之情形中，可將病原體偵測器實作 成可供現場工作人員使用之一電池供電之可攜式、手持式 偵測态’且包括一顯示器用以顯示每一粒子尺寸之目前粒 子計數，且當偵測到螢光性代謝物時可發出信號。其亦可 包含針對雷射低電力狀態之一可聽見警報及一警報燈，且 若有需要，可包含一傳輸器以傳送信號至一基地台。亦可 提供一獨立、桌上型模式，以用於辦公大樓或與其相似之 環境中。其類似實地模式，但係由一標準電子牆壁插座經 31 200825400 由一 AC/DC整流器供電。在後者之情形中，可在辦 面陳設中運用偵測器以提供對於生物製劑污染之信 裹的保護。 可對本發明之此具體實施例加以修改。舉例而 運用在約3 7 0 nm至约4 1 〇 ηπι波長下作業之一單一 連同一光學分光鏡使用而代替用於粒子大小計數及 發之個別獨立光源。此外，可將本發明作為用於水 體偵測之一螢光粒子分粒生物感應器。水媒病原體 細菌或細菌孢子之任一者。相對應地，水媒病原體 範圍比氣媒病原體略大一些，通常介於約〗至2〇德 照第19及2〇圖，可修改類似第u圖之該裝置，以 媒病原體偵測，其可藉由在樣本區域234提供水密 及出口聯結器340、342，及一蠕動式或渦卷式幫浦 在前述具體實施例中，利用具有一感應螢光發 器之一光學系統來分析代謝物。微生物（細菌、真 含有某些在代謝過程中產生之化學化合物（代謝物 S文比多醇、NADH、及核黃素屬於微生物的主要 物。由於這些不同代謝物在最佳激發下具有不同激 耗圍’因此可利用具有不同激發波長之多重雷射之 察有用下文為多重波長系統之基本原理：1 )藉由 代謝物螢光激發曲線之極大值為目標而最佳化激發 2 )由於不同類型之細菌（或其他微生物）的細胞中 同之代謝物組成比例，多重波長激發將能夠取得關 物之相對組成份的資訊，且可讓操作者將微生物類 公室桌 件或包 言，可 雷射源 螢光激 媒病原 可以是 之尺寸 :米。參 用於水 式進口 324 〇 射偵測 菌等） )。色胺 代謝產 發波長 系統非 以不同 效率； 具有不 於代謝 型做一 32 200825400 粗略分類。 在本發明之另一種較佳具體實施例中，為了得到來自 不同代謝物之螢光發射的清楚分析，可運用一串列模組化 的設計，其中一串粒子通過串列中之二螢光感應器500、

5 02 (參見第24圖）。每一感應器具有一雷射510、512， 二者之波長不同（調整至各種代謝物之最佳激發波長）。作 為較佳具體實施例之一種實施例：405 nm之雷射波長適用 於核黃素、且330-3 80 nm之雷射波長範圍為NADH之最 佳波長。第24圖中闡明二螢光感應器模組（感應器500 及感應器502，其雷射波長分別為405 nm及340 nm)係 以一共同空氣流動管5 04而串聯設置，而空氣流動管5 04 可通過二感應器之粒子感應區域506、508。感應器500及 感應器502可分別最佳地偵測核黃素及NADH之存在。第 21-22圖闡明螢光發射相對於激發波長之曲線圖，資料來 自：J.-K· Li et al·，"Monitoring cell concentration & activity by multiple excitation fluorometry" Biotechnology. Prog. Vol· 7，21，1991 ° 或者是，對於來自色胺酸或吡哆醇之螢光的最佳激 發，其波長選擇分別為270nm及320nm。 感應器5 00 (或感應器5 02 )之螢光偵測可以是下列類 型：1 )完整光譜範圍中之整合式整體螢光信號。在此種情 形中，可將來自代謝物之螢光信號在通過一長波長光學通 濾波器（optical pass filter)之後，傳送至感應器之光偵 測器以減少激發雷射光線。感應器500及感應器502間之 33 200825400 信號強度的比例可指出在每一感應器中二種代謝物之相對 含量。（舉例而言，若針對二感應器選擇了 405 nm及340 nm 之波長，則整體螢光信號之比例係與核黃素及NADH之相 對含量呈現關聯性）。2 )由個別感應器中之波長選擇性元 件進行光譜分析。在此情形中，二感應器所提供之光譜分 析可提供在不同激發情形下（即不同波長）之螢光光譜資 訊。在任一種情形中，可利用收集之資訊來分類微生物。

第23圖闡明上述四種代謝物之螢光發射光譜。光譜分 析（特別是利用不同激發波長者）使得能夠探查微生物之 組成份且可利用所產生之資訊來達到微生物偵測及分類之 目的。 第24圖為概要圖式，闡明具有二腔室之感應器。多波 長病原體感應器之設計考量包括：1 )串列組態中之每一感 應器單元為一自足式（self-contained )螢光/粒子尺寸感應 器，且針對目標代謝物化合物而最佳化具有一特定波長。2) 二感應器 500、502共用使用相同之空氣流動管或通道 5 04，如第24圖所示。空氣流動管504中之氣媒粒子可依 序通過感應器之感應區域 506、508。二感應器 500 '502 可依序測量同一批氣媒粒子，因而在理想的情形中，可使 來自此二感應器之螢光信號產生相互關聯。進行此種相關 性的一種方法為利用來自該二感應器之粒子尺寸測量資料 以便配對來自該二感應器之螢光信號，其係基於下列假 設，在用以將粒子由感應器5 0 0傳輸至感應器5 02之短時 期内，粒子尺寸之分佈不會顯著改變。3 )作為目前螢光/ 34 200825400

粒子尺寸感應器設計之一種變形，每一感應器中可利用二 雷射：感應器500及感應器502共用之一雷射（如一紅色 6 3 0 nm雷射二極體）可用以進行粒子尺寸測量，以確保可 利用一致的方式來判定粒子尺寸，而利用一激發雷射（感 應器500及感應器502可分別利用不同雷射）以激發來自 代謝物之螢光。針對二種感應器利用一共同雷射波長之原 因在於，可確保一種一致的粒子尺寸測量，而使得來自該 二感應器之螢光信號能夠以粒子尺寸資訊為基礎而正確地 產生相互關聯。此種配置可避免粒子對激發光線之不同吸 收而造成扭曲大小測量之可能性。雖然此示範性具體實施 例利用二感應器及外罩，習知技藝人士可理解，可利用任 何數目之外罩或感應器。 在本發明之又另一種具體實施例中，將二光束耦合以 允許同時測量二螢光信號。如第25圖所示，可經由一光耦 合器812耦合二光源802、804。可利用一光纖耦合器840 或一光束分光鏡842之任一者進行耦合，如第26圖所示。 二結合之光束814於光學單元816中之噴嘴窗開口 818内 的攔截輸入之粒子。 調變單元820、822可將二光源802、804調變為二不 同電子頻率（f 1及f2 )。可由内部電流調變（若二光源為， 如LED或雷射二極體）或由一機械斷波器、一微聲光學調 變器或一電子光學調變器來進行一外部調變、，來完成調變 單元 820 、 822 ° 在一較佳具體實施例中，可利用一光電倍增管（PMT ) 35 200825400

824以偵測光學單元816内之螢光信號。將由ΡΜΤ 824發 出之信號826發送至二鎖相放大器（l〇ck-in ampli fi e r ) 828、830，且鎖相放大器（lock-in amplifier) 828、830 經調整為不同之調變頻率（fl或f2 )。在此設計中，具調 變頻率fl之信號來自激發波長λΐ，且具調變頻率f2之信 號來自激發波長λ2。藉由不同頻率調變之入射光束及相對 應之鎖相放大器，雖然來自二激發源之螢光信號經過光學 混合’但是由於其具有不同調變頻率（分別為fl及f2 )， 因而其在電子上是明顯不同的且可由二鎖相放大器828、 8 3 0而輕易鑑別之。來自鎖相放大器8 2 8、8 3 〇之二信號輸 出分別為FLOUR1及FLOUR2。 相似地，在光耦合器，將光束之一部分分離出來並傳 送至一光偵測器832。光偵測器832將光線轉換成一電流 信號，且之後一放大器834例如一轉阻放大器（TIA)可 將該電流信號轉換成一電壓信號。最後，放大器83 6、8 3 8 可選擇性地放大具有一特定調變頻率之信號，以產生REF 1 及REF2信號。之後，分別由FLOUR1及FLOUR2信號減 去REF1及REF2信號，以建立樣本中之粒子的螢光發射光 譜0 本發明之另一種具體實施例係關於以螢光/粒子尺寸 感應器中之光束阻斷器上的模擬及實驗為基礎，而修改螢 光/粒子尺寸偵測器系統。Hamburger等人之先前專利及所 提出之專利申請案已揭露利用一光束阻斷器以阻擋雷射之 殘餘部分干擾粒子散射之光線的測量。 36 200825400 在本發明之此具體實施例中，可利用不同尺寸之光束 阻斷器以改良螢光/粒子尺寸偵測器系統之靈敏度。當光束 阻斷器之尺寸增加時，所有在其他情形中可見之粒子仍然 可見，但僅強度降低。可增大光束阻斷器以便幾乎阻擋整 個透鏡，而不會顯著減低在一大範圍之尺寸中測量粒子之 能力。

此外，可收集並測量光束阻斷器所散射之光線。對於 一非常小之光束阻斷器，散射光線及粒子尺寸間之間的關 聯性不會符合一種簡單的關係，且在某些情形中甚至是一 種非單一之關係。然而，對於某些角度，阻斷器可減低這 些不一致，且對粒子尺寸及所收集之散射光線提供了一種 可高度預測之關係。此外，當角度增加時，該關係基本上 仍保持不變，除了所收集之光線量減低之外。亦即，阻斷 器之容限非常寬鬆，只要阻斷器大於一最小尺寸，且粒子 尺寸及所收集之光線間的關係為可高度預測的。對於較大 之光束阻斷器，粒子尺寸與所收集之散射光線間的關係非 常平穩且可預測，即便是對於10及20 μπι之粒子。因而， 將一第二偵測器放置於腔室中以收集光束阻斷器所反射之 光線，使得可用另一種方式偵測粒子尺寸。 運用第二偵測器最大的優點在於，可測量尺寸為 〇. 1 μιη至1 0 μπι之粒子。測試及模擬已經顯示，測量小至0.1 μπι之粒子且伴隨有較大粒子所需之動態範圍可能需要一 種偵測器難以達到之動態範圍。測量小粒子時，阻斷光線 可提供較佳靈敏度，且測試已經顯示一理想點，可在該點 37 200825400 中於透鏡上測量粒子的角度範圍之中斷。

在此具體實施例中，螢光/粒子尺寸偵測器系統900本 身不具備一光束阻斷器。然而，如前述具體實施例中，光 束906進入外罩902内之樣本區域9〇4，且流動液體中之 粒子將光束偏向。一透鏡908設置於外罩中，且位於離開 樣本區域904的光束之未散射及散射部分二者的路徑上。 將一阻斷區段910放置於透鏡9〇8後方以便將光束之未散 射P刀及以低角度散射之光線部分反射到低角度偵測單 元912中。低角度偵測單元9〗2包括一偵測器及透鏡以便 在光束進入偵測器前聚焦光束並移除光束之未散射部分。 可將較低角度之债測器最佳化以測量介於μπι至丨^ 之粒子。 外罩902亦包含一螢光偵測器914及一粒子偵測器 9 1 6。將一波長選擇性濾波器912例如一種二向色濾波器放 置於光束之路徑中，且位於阻斷區段9 1 〇之後。慮波器9 1 2 可選擇性地傳送光線使其分別通過透鏡91 8、920而到達螢 光偵測器914及粒子偵測器916。粒子偵測器916可經最 佳化而用以測量尺寸範圍介於1 μιη至10 μιη之範圍或更 大範圍中的粒子。藉由分開任一偵測器測量之粒子的範圍 以及散射之強度，可將偵測器所需之動態範圍減低為一種 較可能實現之範圍。 此具體實施例亦包括光學儀器以減低雷射中之雜訊。 可將這些光學儀器運用於本發明之任何具體實施例。減低 殘餘雜訊之光學儀器包括：一陷波濾波器（notch filter ) 38 200825400 922; —擴束器924; —線性偏光板926及一頂帽（t〇p 一 hat) 濾波器928 。 可將此種運用多重偵測器之概念延伸至選擇聚光透鏡 的任意角度區域而使其重新導引至獨立偵測器，且其係對 應於欲偵測之粒子尺寸的一最佳區域。其限制在於利用一 相機以收集所有光線並分析所產生影像。此一極端手段非 常不切實際’因為相機比起個別偵測器慢了許多、需要更 多處理電力、且實作之成本明顯更高。藉由將這些區域保 持在一取小，且比較額外之資訊（如在多重波長之個別偏 振及散射之強度）而能夠達到增強且新穎之靈敏度。 在本發明之又另一種具體實施例中，其係關於可用於 螢光/粒子尺寸感應器之一改良之測試系統。為了測試系統 偵測微米尺寸粒子之能力，必須將含有微米尺寸粒子之一 測試粉末注入樣本區域34中，如第1圖所示。傳統上，將 測試粉末置於一腔室中並連接至樣本區域3 4。之後吹動空 氣使其通過腔室以迫使測試粒子煙塵化並將粒子推入螢光 /粒子尺寸感應器之樣本區域中。 傳、”充利用亞利桑納街塵（Arizona Road Dust )來進 仃測试。在過去數十年間，已利用亞利桑納街塵來測試過 八車及重型儀益元件。關於亞利桑納街塵有多種稱 呼’包括亞利桑納衔塵矽土、Ac細質及AC粗質測試灰塵、 SAE細質及粗質測試灰塵、”26測試灰塵、及最新的稱呼 為ISO超細、ISO細質、IS〇中等及IS〇粗質測試灰塵。 亞利桑納街塵係由精製的材料組成，其係由亞利桑納鹽河 39 200825400 谷（SaItRiver ValIey)之空氣认 利率納踐河穴之<於扣 沈务出.的。檢視來自亞 矛J榮硐孤/1合之，示汙於空氣中 44所2 又塵教子顯示，其含有高 比例之極細質粒子，其本古 ^ 、’、间又磨麵性，且因而可作為 氣媒病原體、微生物、黴菌 、'、 極佳的測試替代物； 物哉劑及危險灰塵之-種 卿狂叼州戎㈢代物。然而， 於凝社名扣二， 条納街塵及其替代物傾向

於η在-起而形成較大粒子，I 及校準。因.，一么 Θ干擾偵測糸統之測試 一糸統在測試及校準 *1 Μ ^ ^ ^ Λ. 旱過耘中，必需能夠限 制政釔之較大粒子進入感應器。 在測試系統之此具體實施例中， ^ 罝分7λλ 耗出一粒子尺寸過濾 I /，以排除較大粒子或凝結粒子進入螢光/粒子尺寸 2糸統之問題。將—數量之測試粉末7G2放置於一過濟 /丨貝708上’並輕敲過濾、單元700以便驅使粒子進入並通 過過濾單元700而到達腔室706中，如第28圖所示。腔室 7〇6之出口端710連接至第1A圖之樣本區域^的進口端 二2 (參I見第1及i A圖）。過滤介質7〇8可限制不欲其進 入之大型粒子或小型粒子之凝結物被傳送到粒子偵 統之進口端102。 〇口。 過逯單元7〇〇至少包含一具尺寸選擇性的過濾介質 7(0^較佳的情形中，過渡介質7。8為—高效率空氣微二 Α)過濾器。需要ΗΕΡΑ過濾器以便自* 士 99.97%之〇1佩丄 上*中移除 、之〇·3微米粒子〆因此，它們非常理想且適用於採 用$光/粒子尺寸偵測系統之測試系統中。然而，所用之過 濾/1質不限於任一類型之過濾器。能夠移除大於 最小粒子I & 之 要未之粒子或粒子凝結物的任何過濾介質，皆可 40 200825400 用於本發明之此具體實施例。 必須強調，上述本發明之具體實施例僅為實作本發明 之可能實施例，此處僅為幫助清楚瞭解本發明之原理而提 出這些實施例。可對上述本發明之（多個）具體實施例進 行多種變形及修改，而不致於悖離本發明之精神及原理。 所有此類修改及變形皆屬於本說明書及本發明之範圍及精 神中，且受到申請專利範圍之保護。

【圖式簡單說明】 第1圖為一概要區塊圖，闡明根據本發明之一示範性 具體實施例的一粒子偵測系統之光學部分； 第1A圖闡明第1圖之偵測系統之樣本區域部分的詳 細結構； 第2圖為一曲線圖，闡明入射光線之Mie散射截面與 氣媒粒子尺寸之關係； 第3圖為一區塊圖，闡明根據本發明之一示範性具體 實施例，併入第1圖之光學系統的粒子積測器系統； 第4圖為一區塊圖，闡明一脈衝高度測量及顯示電路； 第5圖為一概要圖式，闡明第4圖之電路的類比至數 位轉換器部分； 第5 A圖為一圖表，闡明在電路中各點形成之脈衝波； 第6圖闡明第3及4圖之系統顯示的一示範性輸出直 方圖，且在一預定尺寸中之粒子計數超過一預定數量之情 況下，引發一警報狀況； 41

200825400 第7及7A圖為類似第〗圖之視圖，闡明根 之粒子偵測器的替代性形式，其中以一 UV led 光源； 第8圖為頬似第1圖之視圖，闡明根據本發 性具體實施例’特別設計可用以偵測水媒粒子之 測器； 第9圖與為類似第8圖之視圖，闡明根據第 明之替代性具體實施例之水媒粒子偵測器，其中 7或7A圖具體實施例之一 UV LED取代雷射光源 第1 〇圖為一平面圖，闡明在一網柵中本發明 偵測器； 第1 1圖為一透視圖，且第12圖為一概要圖 根據本發明之另一種具體實施例的氣媒病原體偵 性化糸統， 第1 3圖為一概要區塊圖，闡明根據本發明之 佳具體實施例的氣媒病原體偵測器及特性化系統 第14至17圖為曲線圖，分別闡明波長與下 相對瑩光強度的關係’酪胺酸、色胺酸、於鹼醯 二核苷酸（NADH)及核黃素；孢子、街塵、硝 酸銨、碳黑；啤酒酵母煙塵；以及柴油廢氣； 第18圖為類似第12圖之視圖，闡明根據本 一種較佳具體實施例的氣媒病原體偵測器及特性 第19圖與為類似第18圖之視圖，闡明根携 另一種具體實施例的水媒病原體偵測器； 據本發明 取代雷射 明之替代 一粒子4貞 8圖本發 以根據第 ， 之複數個 式，闡明 測器及特 另一種較 9 列物質之 胺腺嘌呤 酸銨、硫 發明之另 化系統； 本發明之 42

200825400 第20圖與第19圖類似，其中以一 UV LED取代 光源。 第21圖為NADPH之螢光發射相對於波長的一函 線圖； 第22圖為核黃素之螢光發射相對於波長的一函 線圖； 第23圖為一螢光發射光譜曲線圖，闡明一汞弧燈 之四種代謝物； 第24圖為一概要圖式，闡明根據本發明之一示範 體實施例的粒子/榮光偵測器系統之雙重激發雷射波 列模組設計； 第2 5圖為一概要圖式，闡明根據本發明之一示範 體實施例的一粒子/螢光偵測器系統，其中耦合二光束 進行二螢光信號之同時測量； 第26A-26B圖為可用於第25圖之粒子/螢光偵測 統中的光耦合器之實施例； 第27圖為一概要圖式，闡明根據本發明之另一種 性具體實施例及一光學系統其可減低光線信號中之雜 以及 第2 8圖為一示範性具體實施例，闡明可與粒子偵 系統一同運用之一測試系統。 【主要元件符號說明】 雷射 數曲 數曲 激發 性具 長串 性具 以便 器系 示範 訊； 测器 43 200825400

10 光學單元 12 雷射二極體/光源 14 (第一光）偵測器 16 (第二光）偵測器/監 控偵測器 18 信號分離器/差動 22 類比至數位轉換器， 式放大器 轉換器單元 24 (窗型比較器）電路/ 25 顯示單元/控制單元 窗型比較器單元 26 放大器/低信號偵 28 警報裝置 測電路 30 外罩 32 光束 34 樣本區域/樣本室 35 粒子 36 光束 3 7 流體移動單元/風扇 38、44 透鏡 40、45 阻斷構件/改向構件 42 光束 46 反射器 47 滑板 60 信號 62 高通濾波器 64 緩衝區 65 脈峰偵測器 66 比較器 6 8 計數器 7 0 顯示面板 100 流動室 102 進口端 104 出口端 106 通道 108 光學窗 110 導管 112 金屬塗層 120 L E D光源 122 光學透鏡（組合件） 124 近準直光束 126 光學透鏡 128 光束 44 200825400

140，142聯結器 21 0,300光學單元 214, 216光偵測器 219 分離器 224 (窗型比較器）電路 226 放大器/低信 號偵 測電路 232 光束 302 偵測器 324 幫浦 500,502感應器 506,508粒子感應區域 700 過濾單元 706 腔室 802,804 光源 814 光束 818 開口 824 光電倍增管（ PMT 828,830鎮相放大器 834 放大器 840 光纖耦合器 90 0 偵測器系統 144 幫浦 212 雷射二極體/雷射/ 光源 218 放大器 222 類比至數位（A/D)轉 換器 225 顯示單元/控制單元 228 警報裝置 234 樣 本 域 306 鏡 340,342 聯 結 器 504 空 氣 流 動 5 1 0，5 1 2 雷 射 702 測 言式 粉 末 708 過 濾' 介 質 812 光 耦 合 器 816 光 學 單 元 820,822 Μ 變 單 元 826 信 號 832 光 偵 測 器 836,838 放 大 器 842 光 束 分 光 902 外 罩 45 200825400 9 04 樣 本 區 域 906 光 束 908 透 鏡 910 阻 斷 區 段 912 偵測 單 元 914 螢 光 偵 測 器 916 粒 子 偵 測 器 91 8,920 it 鏡 922 陷 波 滤 波 器 924 擴 束 器 926 線 性 偏 光 板 928 頂 帽 濾 波 器

46

Claims (1)

1. 200825400 十、申請專利範圍： 1. 一種氣媒（airborne)粒子偵測器系統，其至少包含： 一外罩，其具有一空氣樣本室區域，且該區域之截面未 超過約2亳米；

   一光源，位於該空氣樣本室區域之一側上，其可用以傳 送一聚焦之光束通過一空氣樣本，因而該樣本室區域中存 在之具有各種尺寸的多個粒子能夠使部分之該光束以各種 角度散射出，且該光束之一未散射部分仍保持未散射； 一光束阻斷裝置，其位於該空氣樣本室區域之相對側 上，可用以阻斷至少部分之該光線之該未散射部分；以及 一第一光偵測器，係具備一控制電路系統，該第一光偵 測器係設置於一光線路徑上，且位於該光束阻斷裝置之後 方，可用以偵測該散射光線之一部分，並產生一輸出信號， 該輸出信號包括關於該光線路徑中介於一預定尺寸範圍内 之粒子數目的資訊。 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其至少更包含一或 更多下列特徵： (a ) —警報單元，若介於一預定尺寸範圍内之粒子數 目超過碑尺寸範圍内之一預定正常值時，其可用以提供一 警報信號，且在較佳的情形中，若在介於約1至7 μπι之 一尺寸範圍内所偵測之粒子數目超過一預定值，該警報單 元產生一警報信號； 47 200825400 (b) —處理單元，係連接至一脈衝高度鑑別器之輸出， 其係基於每一脈衝之高度而用以處理在一指定時間之粒子 尺寸分佈，以產生氣媒粒子尺寸分佈之一直方圖 (histogram )，並在一輸出裝置上顯示該直方圖；

   (c ) 一反射器，其設置於該光束阻斷裝置之前方，且 位於該光束之該未散射部分的路徑上，可用以在一第二光 線路徑反射至少部分之該未散射部分，及一第二光偵測 器，‘其係定位而用以偵測由該反射器所反射之光線，和/ 或 在較佳的情形中，可包括一電力監控器，係連接至該第 二光偵測器之輸出，而用以傖測光源輸出電力之減低，及 一警報裝置，其係連接至該電力監控器，若光源電力降低 至一預定程度以下，其可用以產生一警報信號，和/或 在較佳的情形中，可包括一差動式放大器，其係連接至 二個該些光偵測器之輸出，其可利用該第二光偵測器之輸 出來分割該第一光偵測器之輸出，該差動式放大器具有一 連接至該脈衝高度鑑別器之輸出； (d ) —透明分隔滑板，其設置於該樣本室區域及該光 束阻斷裝置之間，且在較佳的情形中，該分隔滑板係可移 除地裝置於該外罩内； (e )該光源至少包含一雷射； (f)該光源至少包含一發光二極體（LED )，且在較佳 的情形中亦包括多個光學透鏡，該些透鏡可用以將來自該 48 200825400 發光一極體之光線成形為近準直（Μ訂c〇〗iimated )光 (g)其中該光源包括多個光學透鏡，係用以使光 形和/或由該光束移除雜訊。 3· —種氣媒粒子偵測器系統，其至少包含： 一外罩，其具有一空氣樣本室區域； 光源，位於該空氣樣本室區域之一側上，其可用 送一聚焦之光束通過一空氣樣本，因而該樣本室區域 在之具有各種尺寸之多個粒子能夠使部分之該光束以 角度散射出，且該光束之一未散射部分仍保持未散射 一光束阻斷裝置，其位於該空氣樣本室區域之相 上，可用以阻斷至少部分之該光線之該未散射部分； 一第一光偵測器’其設置於一光線路徑上，且位於 束阻斷裝置之後方，可用以偵測該散射光線之一部分 產生多個輸出脈衝，其中每一脈衝之一高度和粒子尺 比例；以及 一脈衝高度鑑別器，可用以取得在一指定時間所偵 之該空氣樣本内的氣媒粒子尺寸分佈。 4·如申請專利範圍第3項所述之系統，其至少更包含 更多下列特徵： (还）一警報單元，若介於一預定尺寸範圍内之粒 目超過該尺寸範圍内之一預定正常值時，其可用以提 線； 線成 以傳 中存 各種 對側 該光 ，並 寸成 測到 一或 子數 供一 49 200825400 警報信號，且在較佳的情形中，若在介於约1至7 μηι之 一尺寸範圍内所偵測之粒子數目超過一預定值，該警報單 元產生一警報信號； (b ) —處理單元，係連接至該脈衝高度鑑別器之輸出， 其係基於每一脈衝之高度而用以處理在一指定時間之粒子 尺寸分佈，以產生氣媒粒子大小分佈之一直方圖，並在一 輸出裝置上顯示該直方圖；

   (c ) 一反射器，其設置於該光束阻斷裝置之前方，且 位於該光束之該未散射部分的路徑上，可用以在一第二光 線路徑反射至少部分之該未散射部分，及一第二光偵測 器，其係定位而用以偵測由該反射器所反射之光線，以及 在較佳的情形中，可包括一電力監控器，其係連接至該 第二光偵測器之輸出，而用以偵測光源輸出電力之減低， 及一警報裝置，係連接至該電力監控器，若光源電力降低 至一預定程度以下，其可用以產生一警報信號，和/或 在較佳的情形中，包括一差動式放大器，其係連接至該 二個該些光偵測器之輸出，其可利用該第二光偵測器之輸 出來分割該第一光偵測器之輸出，該差動式放大器具有一 連接至該脈衝高度鑑別器之輸出； (d ) —透明分隔滑板，其設置於該樣本室區域及該光 束阻斷裝置之間，且在較佳的情形中，該分隔滑板係可移 除地裝置於該外罩内； (e )該光源至少包含一雷射； 50 200825400 (f) 該光源至少包含一發光二極體，且在較佳的情形 中亦包括多個光學透鏡，該些透鏡可用以將來自該發光二 極體之光線成形為近乎準直光線； (g) 其中該光源包括多個光學透鏡，係用以使光線成 形和/或由該光束移除雜訊。

   5. —種用以偵測在環境空氣中具有介於約1至7 μπι之一 尺寸範圍内的氣媒粒子之偵測器設備，其至少包含： 一光源，其可用以導引一聚焦光束通過在截面小於或等 於約2毫米之一樣本室中之一環境空氣樣本，因而該光束 之一第一部分仍保持未散射，且該空氣樣本中存在之具有 各種尺寸之多個粒子能夠使該光束之一第二部分以各種角 度散射出，該散射角度及散射截面隨著粒子尺寸而不同； 一光束分離裝置，可用以將該光束中對應於由介於一預 定尺寸範圍内之粒子所散射之光線的一預定部分和該光束 之剩餘部分分離，並沿著一光線路徑導引該光束之一分離 部分；以及 一第一偵測器，其設置於該光線路徑上，該第一偵測器 可用以偵測該光束之該分離部分，並產生一相對應的輸出 信號，該輸出信號包括關於該光線路徑中介於一預定尺寸 範圍内之粒子數目的資訊。 6.如申請專利範圍第5項所述之系統，其至少包含一或更 51 200825400 多下列特徵： (a ) —控制單元，係連接至該摘測器之輸出，若在介 於約1至7 μπι之一尺寸範圍内所偵測之粒子數目超過一 預定值時，其可產生一警報信號；

   (b ) —脈衝高度鑑別器，其係連接至該偵測器之輸出， 其可基於脈衝高度而分離並計數來自該彳貞測器之輸出脈 衝，一處理單元係連接至該脈衝高度鑑別器之輸出，其係 基於每一脈衝之高度而處理在一指定時間之粒子尺寸分 佈，並產生一輸出信號，而該輸出信號包含氣媒粒子尺寸 分佈之一直方圖，及一顯示裝置，係連接至該處理單元之 輸出而用以顯示該粒子尺寸分佈直方圖； (c ) 一反射器，其設置於該光束分離裝置之前方，且 位於該光束之該未散射部分的路徑上，可用以在一第二光 線路徑反射至少部分之該未散射部分，及一第二光偵測 器，其係定位而可用以债測由該反射器所反射之光線，以 及.:. 在較佳的倩形中，可包括一電力監控器，其係連接至該 第二光偵測器之输出，其可用以偵測光源輸出電力之減 低，及一警報裝置，係連接至該電力監控器，若光源電力 降低至一預定程度以下，其可用以產生一警報信號，和/ 或 在較佳的情形中，包括一差動式放大器，其係連接至二 個該些光偵測器之輸出，其可利用該第二光偵測器之輸出 52 200825400 來分割該第一光偵測器之輸出，該差動式放大器具有一連 接至該脈衝高度鑑別器之輸出；

   (d) —反射器，其設置於該光束分離裝置之前方，且 位於一部分之該光束的該散射部分之路徑上，可用以在一 第二光線路徑中反射至少部分之該散射部分，及一第二光 偵測器，其係定位而可用以偵測由該反射器所反射之光線； (e ) —透明分隔滑板，其設置於該樣本區域及該光束 分離裝置之間； (f)該光源至少包含一雷射； (g )該光源至少包含一發光二極體，且在較佳的情形 中包括多個光學透鏡而用以將來自該發光二極體之光線成 形為近準直光線。 7. —種偵測氣媒粒子之方法，其至少包含下列步驟： 導引一光東通過在截面小於或等於約 2毫米之一樣本 室中的一環境空氣樣本，而使得該樣本中存在之多個粒子 使該光束之一第一部分產生散射，且一第二部分仍保持未 散射， 接收已經通過該空氣樣本之該光束之該些部分，並將該 光束之該些部分導引至一光束阻斷裝置上； 在該光束阻斷裝置之處阻斷至少該光束之該第二部 分，並將至少部分之該光束的該第一部分導引至一第一偵 測器上； 53 200825400 測量輸出自談第一偵測器之多個電子脈衝的脈衝高度； 在一預定時間間隔計數每一脈衝高度之脈衝數目；以及 將該脈衝高度轉換成粒子尺寸。 8.如申請專利範圍第7項所述之方法，其至少包含一或更 多下列特徵或步驟：

   (a )若於1至7#111之一尺寸範圍内所偵測之脈衝數目 為超過時，產生一警報信號； (b )將每一粒子尺寸之脈衝數目的資料轉換成所偵測到 之粒子尺寸分佈的一直方圖，在一輸出顯示裝置上顯示 該直方圖，並在預定間隔針對新的空氣樣本重複該轉換 及顯示步驟； (c )將該直方圖和已知之生物製劑粒子尺寸分佈比對， 且若該偵測之分佈符合任何已知之生物製劑粒子尺寸分 佈時啟動一警報； (d )持續吹動空氣通過該樣本區域以監控在一鄰近區域 之狀況的改變； (e)將至少部分之該光束的該第二部分反射至一第二偵 測器上，將該第二偵測器之輸出連接至一電力監控器以 偵測光源輸出電力之減低，且若該光源電力降低至一預 定值以下時產生一警報信號；以及 (f )將一透明分隔滑板放置於該樣本區域及該光束阻斷 裝置之間，以防止灰塵進入該光學元件中。 54 200825400 9. 一種水媒粒子偵測器系統，其至少包含： 外罩’其具有截面積不小於或等於約2毫米之一水樣 本室區域； 光源’位於該水樣本室區域之一側上，其可用以導引 一聚焦之光束通過一水樣本，因而該樣本室區域中存在之 具有各種尺寸之多個粒子能夠使部分之該光束以各種角度 政射出，且該光束之一未散射部分仍保持未散射； 光束阻斷裝置’其位於該水樣本室區域之相對側上， 可用以阻斷至少該光束之讓未散射部分，並沿著一光線路 徑而導引至少部分之該散射光線； 一偵測器，其設置於該光線路徑上，且位於該光束阻斷 裝置之後方，而可用以偵測由該光束阻斷裝置導引至該偵 測器之光線，並產生輸出脈衝，且每一脈衝之高度和粒子 尺寸成比例;以及 一脈衝高度鑑別器，可用以取得在一指定時間所偵測之 該水樣本内的水媒粒子尺寸分佈。 10·如申請專利範圍第9項所述之系統，其至少包含一或 更多下列特徵： (a) —警報單元，若介於一預定尺寸範圍内之粒子數 目超過該尺寸範圍内之一預定正常值時，其可用以提供一 警報信號，以及 55 200825400 在較佳的情形中，若在介於約1至7 μιη之一尺寸範圍 内所偵測之粒子數目超過一預定值，該警報單元產生一警 報信號； (b ) —處理單元，係連接至該脈衝高度鑑別器之輸出， 其係基於每一脈衝之高度而用以處理在一指定時間之粒子 尺寸分佈，以產生水媒粒子尺寸分佈之一直方圖，並在一 輸出裝置上顯示該直方圖；

   (c ) 一反射器，其設置於該光束阻斷裝置之前方，且 位於該光束之該未散射部分的路徑上，可用以在一第二光 線路徑反射至少部分之該未散射部分，及一第二光偵測 器，其係定位而可用以偵測由該反射器反射之光線，以及 在較佳的情形中，可包括一電力監控器，其係連接至該 第二光偵測器之輸出，其可用以偵測光源输出電力之減 低，及一警報裝置，係連接至該電力監控器，若光源電力 降低至一預定程度以下而可用以產生一警報信號，和7或 在較佳的情形中，可包括一差動式放大器，其係連接至 二個該些光偵測器之輸出，其可利用該第二光偵測器之輪 出來分割該第一光偵測器之輸出，該差動式放大器具有一 連接至該脈衝高度鑑別器之輸出； (d)該樣本室包括一進口及一出口 ，且在該進口及出 口上包括多個水密式（watertight)聯結器且 在較佳的情形中，該些水密式聯結器係為可移除的； (e )該光源至少包含一雷射； 56

   200825400 (f)該光源至少包含一發光二極體，以及 在較佳的情形中亦包括多個光學透鏡，該些光學 用以將來自該發光二極體之光線成形為近準直光線 1 1 . 一種用以在水中偵測具有介於約1至20 μιη之 範圍内之水媒粒子的偵測器設備，其至少包含： 一光源，其可用以導引一聚焦光束通過在戴面小 於約2毫米之一樣本室中之一水樣本，因而該光束 一部分仍保持耒散射，且該水樣本中存在之具有各 的多個粒子能夠使該光束之一第二部分以各種角 出，該散射角度及散射截面隨粒子尺寸而不同； 一光束分離裝置，係用以將該光束中對應於由介 定尺寸範圍内之粒子所散射之光線的一預定部分和 之剩餘部分分離，並沿著一光線路徑導引該光束之 部分；以及 一镇測器，其設置於該光線路徑上，可用以偵測 之該分離部分，並產生一相對應輸出信號，該信號 於該光線路徑中介於一預定尺寸範圍内之粒子數 訊0 12·如申請專利範圍第11項所述之系統，其至少包 更多下列特徵： (a ) —控制單元，其係連接至該偵測器之輸出 透鏡可 〇 一尺寸 於或等 之一第 種尺寸 度散射 於一預 該光束 一分離 該光束 包括關 目的資 含一或 ，若在 57 200825400 介於約1至20 μπι之一尺寸範圍内所偵測之粒子數目超過 一預定值時，其可產生一警報信號；

   (b ) —脈衝高度鑑別器，係連接至該偵測器之輸出， 其可基於脈衝高度而分離並計數來自該偵測器之輸出脈 衝，一處理單元係連接至該脈衝高度鑑別器之輸出，其基 於每一脈衝之高度而處理在一指定時間之粒子尺寸分佈， 並產生一輸出信號，而該輸出信號至少包含水媒粒子尺寸 分佈之一直方獨，及一顯示裝置，係連接至該處理單元之 輸出，其可用以顯示該粒子尺寸分佈直方圖； (c ) 一反射器，其設置於該光束分離裝置之前方，且 ' - ： ... ... - . 」 位於該光束之該未散射部分的路徑上，可用以在一第二光 線路徑反射至少部分之該未散射部分，及一第二光偵測 器，其係定位而可用以偵測由該反射器所反射之光線，以 及 在較佳的情形中，可包括一電力監控器，其係連接至該 第二光偵測器之輸出而可用以偵測光源輸出電力之減低， 及一警報裝置，係連接至該電力監控器，若光源電力降低 至一預定程度以下而可用以產生一警報信號，和/或 在較佳的情形中，包括一差動式放大器，其係連接至二 個該些光偵測器之輸出，其可利用該第二光偵測器之輸出 來分割該第一光偵測器之輸出，該差動式放大器之輸出具 有一連接至該脈衝高度鑑別器之輸出； (d ) —透明分隔滑板，其設置於該樣本區域及該光束 58 200825400 分離裝置之間； (e )該光源至少包含一雷射； (f)該光源至少包含一發光二極體，以及 在較佳的情形中包括多個朵；^ & ^调九學透鏡，該些透鏡可用以將 來自該發光二極體之光線成形為近準直光線。 13. —種偵測水媒粒子之方法，其至少包含該下列步驟： 導引一光束通過在截面小於或等於約2毫米之一樣本 室中的一環境水樣本，而使得該樣本中存在之多個粒子能 夠使該光束之一第一部分產生散射，且一第二部分仍保持 未散射； 接收已經通過該水樣本之上述該光束的該些部分，並將 該光束之該些部分導引至一光束阻斷裝置上； 在該光束阻斷裝置之處阻斷至少該光束之該第二部 分，並將至少部分之該光線的該第一部分導引一第一偵測

   測量輸出自該第一偵測器之多個電子脈衝的贩衝高度； 在一預定時間間隔計數每一脈衝高度之脈衝數目；以及 將該脈衝高度轉換成粒子尺寸。 14·如申請專利範園第13項所述之方法，其至少更包含一 或更多下列特徵或步驟： 59 200825400 (a)若於1至20μπι之一尺寸範圍内所偵測之脈衝數 目為超過時，產生一警報信號； (b )將每一粒子尺寸之脈衝數目的資料轉換成所偵測到 之粒子尺寸分佈的一直方圖，在一輸出顯示裝置上顯示 該直方圖，並在預定間隔針對新的水樣本重複該轉換及 顯示步驟；

   (c )將該直方圖和已知之生物製劑粒子尺寸分佈比對， 且若該偵測之分佈符合任何已知之生物製劑粒子尺寸分 佈時啟動一警報； (d )持續吹動水通過該樣本區域以監控在一鄭近區域之 狀況的改變；以及 (e )將至少部分之該光束的該第二部分反射至一第二偵 測器上，將該第二偵測器之輸出連接至一電力監控器以 偵測光源輸出電力之減低，且若該光源電力降低至一預 定值以下時產生一警報信號。 15. —種用以在一流體中债測具有預定粒子尺寸之生物有 機體或生物製劑之偵測器系統，其至少包含： 一外罩，其具有一通道以允許一流體流經該外罩； 一第一光源，其可用以傳送一光束通過流動於該通道中 之該流體； 一偵測器，其設置於讓第一光源之光線路徑上，且位於 該通道之後方，可用以偵測並鑑別該流體中具有介於一所 60 200825400 選尺寸範圍之多個粒子； 一第二光源，其可用以傳送光束通過流動於該通道中之 該流體，以激發該流體中該些粒子之螢光； 一橢圓形鏡，可用以收集在該橢圓形鏡之多個焦點其中 之一者所產生之螢光光線信號，並將該收集之螢光光線信 號導引至位於該橢圓形鏡之另一焦點的一光偵測器；

   一偵測器，其位於該第二光源之光線路徑中，可用以偵 測該些粒子之螢光；以及 一控制電路，連接至來自該第一及第二偵測器之輸出， 以便在所選情形下產生一警報輸出信號。 16.如申請專利範圍第15項所述之系統，其至少包含一或 更多下列特徵： (a )該第一光源及一第二光源，其至少包含一單一光 源； (b )其中該流體至少包含空氣； (c )其中該流體至少包含水； (d )其中該流體至少包含空氣，且粒子尺寸介於約 1 至約7微米； (e )其中該流體至少包含水，且粒子尺寸介於約1至 約20微米； (f)其中該第二光源在約270 nm至約4 1 0 nm之一波 長下作業，且在較佳的情形中該第二光源在約3 70 nm至 61 200825400 約4 1 0 nm之一波長下作業。 1 7. —種可用於一粒子偵測感應器之過濾單元，其至少包 含： 一腔室； 一過濾介質，其可用以限制大於預定尺寸之粒子或凝結 之粒子進入該腔室；以及

   一該腔室之出口，其可用以連接至一粒子偵測感應器系 統0 1 8 . —螢光/粒子偵測系統，其至少包含： 一通道，可供含有生物有機體或生物製劑之一流體於其 中流動； 複數個外罩，其沿著該通道而依序連接； 至少一光源，位於各個該些外罩中，可用以傳送光線通 過該流體以激發該生物有機It或生物製劑之螢光； 一偵測器，其設置於一光線路徑上，且位於該通道之後 方，可用以偵測該生物有機體或生物製劑之螢光及粒子尺 寸，並產生一相對應輸出信號。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項所述之螢光/粒子偵測系統， 其少包含一或更多下列特徵： (a)其中每一光源可產生具有一不同波長之光線； 62 200825400 (b )其中調整每一光源以產生具有一或更多代謝物之 一最佳激發波長的光線； (c ) 其中一光源之波長適用於偵測核黃素 (riboflavin )； (d )其中一光源之波長適用於偵測NADH ;

   (e) —長波長光學通濾波器（optical pass filter)，其 位於該光束之路徑中，且設置在該螢光感應器之前，減少 雷射光線之激發， (〇其中該偵測器含有波長選擇性之元件以進行該光 線之光譜分析； (g)其中該些感應器可測量相同批次之流體的螢光； (h )其中每一外罩含有二光源及在每一外罩中之一光 源具有一共同波長以確保一致之粒子尺寸測量； (i)其中該流體為空氣； (j )其中該流體為水； (k )其中一光源之波長約為270 nm至約4 1 0 nm。 2 0. —種偵測生物有機體或生物製劑之方法，其至少包含 下列步驟： 導引複數個光束通過一流體，而使得該光束之一部分激 發該些生物有機體或生物製劑之螢光； 以設置於光線路徑中之一偵測器來偵測該些生物有機 體或生物製劑之螢光及粒子尺寸，並產生一相對應的輸出 63 200825400 信號。 21. —種螢光/粒子偵測系統，其至少包含： 外罩，其具有一樣本區域可供含有多個生物有機 生物氣劑之一流體於其中流動； 複數個光源，其可用以傳送多個光束通過該液體以 該些生物有機體或生物製劑之螢光； 一光耦合器，其位於該光線路徑上，且設置於該樣 域之前方，以將該些光束調變成具有不同頻率； 或更多^貞測益，其位於該光線路徑上，可用以偵 些生物有機體或生物製劑之螢光及粒子尺寸，並產生 對應輸出信號； 一控制構件，其基於該光束之調變頻率而鑑別該 束，並產生多重螢光信號之測量。 22. —種粒子偵測器系統，其至少包含： 一外罩，其具有一空氣樣本室； 一光源’其位於該空氣樣本室區域之一側上，可用 送一聚焦之光束通過一空氣樣本，因而該樣本室區域 在之具有各種尺寸之多個粒子能夠使部分之該光束以 角度散射出，且該光束之一未散射部分仍保持未散射 一反射構件’其位於一光線路徑上，可用以將至小 些角度範圍散射之該光線部分偏向至一第二光線路徑 體或 激發 本區 測該 一相 些光 以傳 中存 各種 t 在某 中； 64

   200825400 一第一偵測器，其位於該第二光線路徑上，可用 該光線之一部分並產生一相對應輸出信號；以及 一第二偵測器，其設置於該光線路徑上，且位於 構件之後方，可用以偵測在該反射構件未反射且在 度散射之光線的一部分，並產生一相對應輸出信號 23.如申請專利範圍第22項所述之系統，其至少包 更多下列特徵： (a )其中該第一偵測器經最佳化而可用以測量 於0.1 μπι至1.0#111之粒子； (b )其中該第二偵測器經最佳化而可用以測量 於1 μπι至ΙΟμιη之粒子； (c ) 一構件，其位於該光線路徑中，且設置在 射構件之後方及該第一偵測器之前方，可用以將該 離成複數個光束； 一第三偵測器，其位於該些光束其中之一者的光 中，可用以偵測該樣本室區域中粒子之螢光；以及 在較佳的情形中，可用以分離該光束之該構件為 濾波器; (d )其中該第二偵測器含有多個光學儀器，以 第二光束之反射部分； (e)其中該第二偵測器含有多個光學儀器，以 前移除該第二光束之未散射部分； 以禎測 該反射 不同角 〇 含一或 尺寸介 尺寸介 在該反 光束分 線路徑 一雙色 聚焦該 在偵測 65 200825400 (f)其中該光源包括多個光學透鏡，可用以使光線成 形和/或自該光線移除雜訊。 66