TWI424154B - 病原體及顆粒之偵測系統及方法 - Google Patents

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病原體及顆粒之偵測系統及方法

本發明大體上有關於一種用於偵測氣懸顆粒或水懸顆粒的系統和方法，以及更明確而言係關於一種用於偵測氣懸顆粒或水懸顆粒及藉由大小分類該測得顆粒的系統和方法。本發明在偵測和藉由大小分類過敏原和生物戰爭藥劑方面具有特殊用途，以及以下將藉由此用途來說明本發明，但本發明亦可具有其他的用途。

涉及釋放如炭疽桿菌(anthrax)等生物戰劑的都市恐怖攻擊行為目前已成為值得關注的問題。武器性炭疽菌孢子由於可進入人類肺部而具有極高的危險性。對於人類而言，炭疽菌孢子的致死吸入劑量LD_{5 0} (足以殺死50%暴露者的致死劑量)約為2,500至50,000個孢子，參閱T.V.Inglesby等人之標題為「生物武器的炭疽菌」,JAMA第281卷第1735頁,1999的發表文獻。一些其他可能的武器性生物製劑為耶爾辛氏桿菌(鼠疫)、肉毒梭狀芽孢桿菌(肉毒中毒)以及弗蘭斯氏兔熱菌(francisella tularensis)。鑑於此種潛在性的威脅，目前亟需一種能偵測此類攻擊的早期預警系統。

雷射顆粒計數器是已知的偵測工具，其引導雷射光線通過一樣本，並偵測和分析通過該樣本光線以偵測來自樣本內顆粒的散射光。現行用於偵測散射光之偵測器或顆粒計數器的問題在於必需從入射光源信號中萃取出散射信號。此意味著必需從雜訊極多的背景(來自雷射光源的炫光)中偵測一弱信號(來自細顆粒的散射光)。此特性為長久以來造成雷射顆粒計數器之儀器偵測困難的主要原因。雷射顆粒計數器的習知設計運用高價和費力的方法降低來自雷射光源的眩光以及從大量背景雜訊中測量顆粒散射光，因而使計數器變得極為脆弱和昂貴。目前習知設計的雷射顆粒計數器均極脆弱和昂貴，因此不適用於此應用用途中。用於雷射顆粒計數的習知技術包括測量顆粒速度而推算出顆粒大小的雷射都卜勒(Doppler)法、測定顆粒通過一感應區所需時間的暫態時間法(transient time method)以及僅能夠測定小顆粒的廣角多感測器設計。在T.H.Jeys等人於Proc.IRIS Active Systems期刊第1卷第235頁(1998)中敘述一種利用脈衝紫外線(UV)雷射之雷射誘發螢光的生物感測器。此生物感測器能夠偵測每升空氣中5個顆粒的氣霧濃度，但其造價極為昂貴並且脆弱。其他顆粒計數器的製造商為奧勒岡州Grants Pass市的Met One儀器公司、科羅拉多州Boulder市的顆粒測量系統公司，以及加州Anaheim市的Terra國際股份有限公司。基於設計上的關係，這些顆粒計數器的構造需要極精密的光學校正及極為敏感的感測器和電子儀器。這些產品均朝向實驗室使用的方向發展並且極為昂貴。因此，不適合作為現場使用的偵測器，亦不適合作為專用於生物戰劑偵測的設計。

已設計出可偵測流體懸浮過敏原顆粒的各種偵測器，其可在當偵測到空氣樣本中顆粒數目超過一預設最小值時對敏感者提出警告。這些偵測係均描述於Hamburger等人的美國專利案5,646,597、5,969,622、5,986,555、6,008,729和6,087,947號中。這些偵測器均涉及引導一光束通過一環境空氣樣本，使得部份光束將被空氣中的任何顆粒所散射，利用可傳輸對應於預設過敏原大小角度範圍之散射光的光束阻擋裝置，以及一用於偵測該傳輸光線的偵測器。 該偵測器所測得的光線若超過一預設值時，則啟動一警報。這些偵測器雖然可根據是否存在有過敏原顆粒來提供警告指示，但是其並不適合用於現場的佈署並且不符合作為偵測生物戰劑之病原偵測器的更嚴格需求。

本發明提供一種改良的病原和顆粒偵測之系統和方法。更明確而言，本發明發展出一種完全利用非彈性散射強度(即來自顆粒的螢光)之獨特角度分佈模式的新穎螢光信號收集方法。理論上和實驗上均已證明顆粒的非彈性散射在後向(最強)和前向(第二強)方向上具有較佳的強度角度分佈(參考文獻1「來自微球簇和色胺酸顆粒的後向強化螢光」Yong-Le Pan等人，四月Opt .第41卷，第2994頁，2002；參考文獻2「微球之散射螢光與不相干拉曼光譜角度和尺寸依賴特性」Igor Veselovskii等人，四月Opt .第41卷，第5783頁，2002)。簡言之，在一實施例中，該系統包括一用以提供具有光源波長之電磁輻射束的激發光源。如 二色性分光鏡等第一波長選擇裝置置於可受到電磁輻射光束照射的位置。第一波長選擇裝置可傳送至少一部份任核具有光源波長的輻射以及反射其他波長的輻射。含顆粒的介質(medium)置於可被電磁輻射光束照射的位置。至少一部份電磁輻射光束在介質內被散射，該散射電磁輻射包括前向散射電磁輻射及後向散射電磁輻射。設置光偵測器以收集前向和後向散射電磁輻射。

本發明亦可視為提供用於偵測病原體及顆粒的方法。在這方面，此類方法的其中一實施例可大略摘要出下列步驟：發射一電磁輻射光束；經由第一波長選擇裝置傳送至少一部份的電磁輻射光束；以該部份電磁輻射光束照射含顆粒之介質，其中該顆粒以前向和後向方向散射該電磁輻射；以第一波長選擇裝置反射至少一部份該後向散射電磁輻射；以及，在第一光學偵測器收集至少一部份該前向和後向散射電磁輻射，從而測定出於前向和後向方向散射該電磁輻射之顆粒的尺寸。

在檢視下列附圖和詳細說明之後，熟習本技術之人士將可更清礎瞭解本發明的其他系統、方法、特徵及優點。本發明的其他此類系統、方法、特徵和優點均屬於本說明書內容及本發明範圍內，並且受到後附申請專利範圍的保護。

第1圖顯示用於根據本發明第一舉例性實施例所作之流體懸浮顆粒偵測器系統中的光學系統。該系統之第一舉例性實施例特別是有關於用來偵測恐怖份子或他人所散播之空氣或水散播性生化恐怖戰劑，但亦可作為都市設施以偵測可能存在於自然界如黴菌或細菌或是如食品和製造工廠等其他工業設施意外、不慎、自然或刻意釋出有害濃度的其他氣懸或水懸顆粒，以及用於室內清淨的用途被。

「流體傳播顆粒(fluid borne particles)」一詞在此處意指經由空氣和水傳播的顆粒。

「病原體」一詞在此處指任何經由空氣或水媒介的顆粒、生物製劑或毒素，若其在空氣或水源中存在足夠量時可能造成人類潛在性的傷害或甚至死亡。此處「生物製劑(biological agent)」定義為任何的微生物、病原體或感染物質、毒素、生物毒素，或不論來源或製造方法經由任何此類微生物、病原體或感染物質所產生的任何天然、生物工程或合成成分。此類生物製劑包括例如生物毒素、細菌、病毒、立克次氏體、孢子、真菌和原蟲，以及技術中習知的其他任何病原體。

「生物毒素」為活體植物、動物或微生物所產生或衍生出的毒性物質，但亦可藉由化學方法製造或改造。然而，毒素通常由宿主生物所自然產生(即，渦鞭藻毒素係由海藻所產生)，但實驗室環境內已可製造出基因改造和/或合成製造的毒素。與微生物相較之下，毒素具有相對較簡單的生化組成物並且無法自我繁殖。在許多方面，生物毒素可視為是一種化學劑。此類生物毒素為例如肉毒素和破傷風毒素、鏈球菌內毒素B、梭黴菌毒素、菎麻毒素(ricin)、渦鞭藻毒素(saxitoxin)、志賀(Shiga)和類志賀毒素、樹突毒素(dendrotoxins)、半環扁尾蛇毒素－b(erabutoxin－b)以及其他已知的毒素。

該偵測系統的設計為偵測空氣或水傳播的顆粒及產生顯示例如偵測樣本內各種顆粒尺寸範圍中的顆粒數目的輸出值，以及顯示該些顆粒是否為生物性或非生物性顆粒。該系統在顆粒超過正常背景一預設值和/或為可能造成危害之生物有機體或生物製劑時亦可發出警告信號或其他反應。

第1圖為用於根據本發明第一舉例性實施例之水懸顆粒偵測系統的光學系統210。如第1圖所示，該光學系統210包括一激發光源212，用以提供具有一光源波長的電磁輻射光束214。在一實施例中，第一波長選擇裝置216包括一受到電磁輻射光束214所照射的二色性分光鏡(dichroic beamsplitter)。該第一波長選擇裝置216的構造可傳送至少一部份任何具有該光源波長的輻射以及反射其他波長的輻射。該第一波長選擇裝置216可反射來自激發光源212的可能混附波(spurious spectral emissions)。一部份電磁輻射光束214可被第一波長選擇裝置216反射朝向一功率監控偵測器250。該功率監控偵測器250可與激發光源212聯繫，以及視需要可作為維持該激發光源212恒定輸出功率之反饋迴路中的一部份。可藉由功率監控透鏡256來集中(聚焦)被第一波長選擇裝置216所反射朝向功率監控偵測器250的電磁輻射光束214。

含顆粒220的介質218置於可被電磁輻射光束214照射的位置。至少一部份電磁輻射光束214成為在介質218內的散射電磁輻射。該散射電磁輻射包括前向散射電磁輻射222及後向散射電磁輻射224。第一光學偵測器226置於可接收後向散射電磁輻射224的位置。該後向散射電磁輻射224可藉由第一波長選擇裝置216被反射至第一光學偵測器226。第一波長選擇裝置216和光學偵測器226之間可利用帶通濾光器252以減少來自電磁輻射光束214的任何背向散射光和/或用來選出準備測定之光譜的特定部份。第一波長選擇裝置216和光學偵測器226之間可利用聚焦透鏡254以聚焦朝向光學偵測器226的後向散射電磁輻射224。

如第1圖所示，可引導該前向散射電磁輻射222照射至第一光束阻斷透鏡260。該第一光束阻斷透鏡260的設計可反射電磁輻射光束214中的非散射元素，以避免在光學偵測器上產生眩光。第一光束阻斷透鏡260具有附著於前表面用以反射電磁輻射光束214之非散射元素的材料，例如乙烯。第一光束阻斷透鏡260的其他考量事項已述於專利申請案序號11/193,204內，將其併入於本文中以供參照。

該前向散射電磁輻射隨後可被引導至第一光學元件262，其係為一低通濾波器或類似第三舉例性實施例中的波長選擇元件。第一光學元件262容許至少一部份前向散射 電磁輻射222通過並反射掉一部份的前向散射電磁輻射222。更明確而言，該第一光學元件262可反射前向散射電磁輻射222的螢光信號部份，同時可讓其餘的前向散射電磁輻射222通過。第二光束阻斷透鏡264可聚焦朝向顆粒偵測器266之前向散射電磁輻射222的通過部份。該顆粒偵測器266可為例如一用於測量該等顆粒220之大小的光二極體(photoiode)。

可引導該前向散射電磁輻射222的反射螢光信號部份通過介質218而返回後被第一波長選擇裝置216反射朝向光學偵測器226。在第一波長選擇裝置216和光學偵測器226之間可使用聚焦透鏡254來聚焦朝向光學偵測器226的前向散射電磁輻射222之反射螢光信號部份。

第2圖為根據本發明第一舉例性實施例之顆粒偵測系統的方塊圖，其納入第1圖的光學系統210。該光學系統210包括引導電磁輻射光束214進入第一波長選擇裝置216的激發光源212。該電磁輻射光束214通過第一波長選擇裝置216進入介質218，並且一部份的電磁輻射光束214被後向散射至該第一光學偵測器226，以及另一部份的電磁輻射光束214被前向散射朝向該顆粒偵測器266。

兩個信號除法器(signal divider)230A、230B將第一光學偵測器226和顆粒偵測器266的輸出分別除以功率監控偵測器250的輸出。兩個放大器232A、232B連接至該信號除法器230A、230B的輸出端。一類比數位轉換器234連接至放大器232A、232B。一窗口比較電路(window comparator circuit)236連接至該類比數位轉換器234。一控制輸出顯示器(control and output display unit)238連接至該窗口比較電路236的輸出端。一低信號偵測電路240連接至激發光源212的輸出端，其可提供該電磁輻射光束214的功率強度。該低信號偵測電路240的輸出端亦連接至該控制輸出顯示器238。一警報裝置242亦連接至該控制輸出顯示器238。該控制輸出顯示器238可以是一電腦或客製的軟體/硬體，以控制該顆粒偵測器的操作。

第3圖為用於根據本發明第二舉例性實施例之水懸顆粒偵測系統的光學系統。如第3圖所示，該光學系統310包括激發光源312，以提供具有一光源波長的電磁輻射光束314。一第一波長選擇裝置316，例如二色性分光鏡，係置於可被電磁輻射光束314所照射之位置。該第一波長選擇裝置316的構造可傳送至少一部份之任何具有光源波長的輻射以及反射其他波長的輻射。該第一波長選擇裝置316可反射來自激發光源312的可能混附波。一部份的電磁輻射光束314可被第一波長選擇裝置316反射朝向功率監控偵測器350。該功率監控偵測器350可與激發光源312聯繫，以及視需要可作為維持該激發光源312恒定輸出功率之反饋迴路中的一部份。可藉由功率監控透鏡356來聚焦被第一波長選擇裝置316反射朝向功率監控偵測器350的電磁輻射光束314。

含顆粒320的介質318置於可被電磁輻射光束314照射的位置。至少一部份電磁輻射光束314可成為該介質318 內的散射電磁輻射。該散射電磁輻射包括前向散射電磁輻射322及後向散射電磁輻射324。第一光學偵測器326係設置用以接收後向散射電磁輻射324。該後向散射電磁輻射324可藉由第一波長選擇裝置316被反射至光學偵測器326。第一波長選擇裝置316和光學偵測器326之間可利用帶通濾光器352以減少來自電磁輻射光束314的任何背向散射光和/或用以選出準備測定之光譜的特定部份。第一波長選擇裝置316和光學偵測器326之間可利用聚焦透鏡354以聚焦朝向光學偵測器326的後向散射電磁輻射324。

如第3圖所示，該前向散射電磁輻射322可被引導而照射至第一光束阻斷透鏡360。該第一光束阻斷透鏡360係設計用以反射電磁輻射光束314的非散射元素，而可避免光學偵測器上的眩光。該前向散射電磁輻射隨後可被引導至一光學元件370，其為第四舉例性實施例中的第二波長選擇裝置316。該第一光學元件370容許至少一部份前向散射電磁輻射322的通過，並反射一部份的前向散射電磁輻射322。更明確而言，該第一光學元件370可反射前向散射電磁輻射322的螢光信號部份，同時可讓其餘的前向散射電磁輻射322通過。第二光束阻斷透鏡364可聚焦朝向顆粒偵測器366的前向散射電磁輻射322之通過部份。該顆粒偵測器366可為例如一用於測定該顆粒320之大小的光二極體。

可引導該前向散射電磁輻射322的反射螢光信號部份朝向第二光學偵測器376。第一光學元件370和第二光學 偵測器376之間可使用一第二帶通濾光器372，以減少來自電磁輻射光束314的任何背向散射光和/或用以選出準備測定之光譜的特定部份。第一光學元件370和第二光學偵測器376之間可利用聚焦透鏡374以聚焦朝向第二光學偵測器376之前向散射電磁輻射322的反射螢光信號部份。該第二光學偵測器376可例如為一光電倍增管(PMT)光學偵測器。

第4圖為根據本發明第二舉例性實施例之顆粒偵測系統301的方塊圖，其納入第3圖之光學系統310。該光學系統310包括引導電磁輻射光束314進入第一波長選擇裝置316的激發光源312。該電磁輻射光束314通過第一波長選擇裝置316進入介質318中，並且一部份的電磁輻射光束314被後向散射至該第一光學偵測器326以及另一部份的電磁輻射光束314被前向散射朝向顆粒偵測器366。

三個信號除法器330A、330B、330C將第一光學偵測器326、顆粒偵測器366和第二光學偵測器376的輸出分別除以功率監控偵測器350的輸出。三個放大器332A、332B、332C連接至該信號除法器330A、330B、330C的輸出。一類比數位轉換器334連接至放大器332A、332B、332C。一窗口比較電路336被連接至該類比數位轉換器334。一控制輸出顯示器338連接至該窗口比較電路336的輸出端。一低信號偵測電路340連接至激發光源312的輸出端，其提供該電磁輻射光束314的功率強度。該低信號偵測電路340的輸出亦連接至該控制輸出顯示器338。 一警報裝置342亦連接至該控制輸出顯示器338。該控制輸出顯示器338可以是一電腦或客製化軟體/硬體，用以控制該顆粒偵測器的操作。

該系統設計係根據顆粒大小相當於光波長的米氏(Mie)散射原理。在米氏散射狀況中，散射光的角度分佈和強度皆與顆粒的大小和形狀密切相關。散射的特徵為具有下列的特性：1)該散射光聚焦於前向和後向之方向；2)該散射光強度的角度分佈情形對散射顆粒的大小極為敏感；以及3)該顆粒的散射截面以單調但複雜的方式與顆粒的大小成比例。利用可見光，例如波長0.67微米之可見雷射二極光輸出光束，該米氏散射法適合用於偵測和定性微米級範圍的懸浮顆粒。第5圖為說明米氏散射截面與顆粒半徑之間的關係圖。

該根據本發明第二舉例性實施例，偵測系統301的光學系統310係利用散射角度與顆粒大小成比例的原理，利用置於通過樣本之光路徑上的第一光束阻斷透鏡360來除去預設範圍之外的散射光。由於如第5圖所述與描繪般，該顆粒的散射截面以單調但複雜方式與顆粒大小成比例，該顆粒偵測器366係設計成可藉由分辨所測得之脈波高度的差異來偵測樣本內顆粒大小的分佈情形。因此，從顆粒偵測器366輸出之電脈衝的高度取決於顆粒的尺寸。

如第4圖所示，顆粒偵測器366的輸出端係連接至第二信號除法器330B的一輸入端，同時該功率監控偵測器350(其相當於激發光源312)的輸出端連接至第二信號除法 器330B的另一輸入端，以及從第二信號除法器330B輸出這些信號的比值。第6圖係由本發明第二舉例性實施例中類比數位轉換器334、窗口比較電路336及控制輸出顯示器338所構成之脈衝高度測量電路的方塊圖，同時第7圖為更詳細說明該類比數位轉換器334的略圖。該顆粒偵測器366的輸出可為一脈衝信號，例如於第6圖中所繪示一系列類比脈衝信號中的信號60，各脈衝代表介質318內一種顆粒的散射光，並且該脈衝之高度與該顆粒的大小成比例。為了除去DC背景，來自顆粒偵測器366的各個輸入脈衝(incoming pluse)均通過一高通濾波器62，然後通過一緩衝器64而抵至峰值檢波器65，其將可測量出該輸入脈衝的高度。峰值檢波器65的輸出將為一系列具有脈衝高度資料的脈衝計數信號。類比數位轉換器334和峰值偵測電路的一實施例詳細說明於第7圖中，第7A圖繪示該電路中各點的脈衝輸出值。第7A圖中的「PEAK OUT」輸出信號被傳送至窗口比較電路336以進行分類。繪示於第7A圖的其他脈衝為時間和啟動信號，以通知該窗口比較電路336擷取及儲存該數據。

該窗口比較電路336具有一系列窗口比較器66(第6圖之實施例中標示為1~10)，分別用以偵測在預設電壓範圍內(窗電壓，window voltage)之脈衝。各窗口比較器66僅在當該輸入脈衝高度落於其窗電壓範圍(例如，比較器#5為5至7.5毫伏特)內時，傳送一信號至其相關的數位計數器68。該相關數位計數器68(塊，bin)的輸出端係連接至 一顯示板70，其將顯示各粒徑尺寸的顆粒數。因此，該控制輸出顯示器338可包括由發光二極體(LED)陣列來點亮的條形圖，該等發光二極體根據各顆粒尺寸來自相關計數器的輸入值而依序點亮，以產生粒徑分佈的柱狀圖。該條形圖中不同粒徑可具有不同的顏色。該輸出值亦可、或者連接至一程式化電腦以在其銀幕上顯示粒徑分佈的柱狀圖。

該窗口比較電路336具有複數個窗口比較器66和數位計數器68以計算在目標範圍內之對應於粒徑的脈衝。在第6圖中，顯示10個此類的塊。然而，從1至7微米的粒徑之間以0.5微米的間隔可提供14塊。若需要較小或較大的粒徑範圍時可提供較少或較多的比較器和計數器，例如介於1至5微米的較窄病原體大小範圍。第8圖為說明粒徑大小分佈之柱狀圖的一實施例。其雖然顯示從1至19微米的分佈範圍，但是應瞭解可程式化控制輸出顯示器338可以顯示1~7微米較窄範圍或任何所欲範圍的粒徑分佈柱狀圖。該控制輸出顯示器338的輸出端亦可連接至一視覺和/或聽覺警報裝置342，例如位於外殼前端的警示燈及蜂鳴器等。

可使用任何適合的軟體來以產生該輸出顯示柱狀圖，例如德州Austin市國家儀器公司供應的LabView軟體。若一病原體或生物製劑粒徑範圍內的計數量超過正常環境之預設濃度時，此軟體亦可用於產生啟動警報裝置342的輸出。此將有助於降低或甚至消除誤報的危險。該電腦的輸出亦可用於觸發一更精細的生物製劑偵測裝置，例如一利用PCR技術的炭疽菌偵測儀。此結合偵測法將具有成本效益以及進一步降低誤報的危險。

在本發明的一改良配置中，由於已知道用於處理此類物質的處理程序，並已知對於該處理程序中所使用的儀器具有獨特的識別尺寸分佈模式，因此可將該懸浮顆粒之尺寸分佈的柱狀圖與已知的武器化生物製劑的分佈圖相比較。因此，本發明之偵測系統可提供可能來源之生物製劑製造商的鑑識資訊。

如上所述，最可能被用於恐怖攻擊的生物製劑之粒徑範圍介於1至7微米之間。下表1顯示疾病管制中心所記載之生物恐怖戰劑種類的特性：

環境空氣中自然存在之大小約介於1至7微米的流體懸浮顆粒極微量且具有恒定濃度。都會區域及突然發生的局部粉塵源的煙霧侵入粒徑範圍的峰值分別為0.3微米和5微米。在花季時，空氣中亦可能存在花粉和其他的過敏原，以及過敏原顆粒的大小介於約5至50微米之間。因此，這些天然的懸浮顆粒中僅有少數落在生化戰劑的粒徑範圍內(1至7微米)。此外，黴菌雖然具有約1至5微米的粒徑，但是在任何特定區域內的黴菌顆粒數通常不會突然地改變。因此根據第四舉例性實施例之該偵測系統301的設計可偵測在此特定尺寸範圍內的粒徑，並以0.5微米之間隔來產生代表該粒徑偵測範圍的輸出。任何顆粒尺寸介於1至7微米內之懸浮顆粒數目的突然及區域性增加最可能為刻意地釋出侵略性生物戰劑或病原體。該系統可設定為偵測和儲存所欲顆粒大小範圍內之顆粒天然背景濃度，然後利用此背景濃度作為其後輸出柱狀圖的比較濃度，以在偵測到顆粒突然增加的情形時啟動該警報器。第8圖的粒徑分佈柱狀圖顯示一可能的危險狀態，在圖中，介於1至7微米粒徑範圍內所偵測的顆粒數目已遠超過正常值。

雖然如上所述之顆粒偵測系統無法分辨特定的顆粒，但由於在正常都市空氣環境中，此目標範圍內的懸浮顆粒通常相對較為稀少，故其可作為警告懸浮生物戰劑攻擊的一種敏感和具成本效益的方法。大小落在此範圍內的顆粒可能侵入人類肺部而產生可能的傷害或甚至造成吸入者死亡。該警報裝置342可對附近民眾提出警告而立刻進行疏散以減少暴露於該毒劑中的危險。

該偵測系統301亦可用於偵測工廠中有害粉塵的危險程度。例如，有害石綿纖維的大小約為5微米，其通常具有約5微米或更長的長度以及約1－2微米的直徑。若將大小介於1－5微米間的鈹塵被吸入肺部時亦會造成傷害。該偵測系統301可置於含石綿的建築物內，或當建築工人在此類建築物內工作時，以便在偵測到1至5微米範圍內之異常峰值時產生警告信號，其表示空氣中存在危險量的石綿纖維。同樣，該偵測系統301可置於製造含鈹零件之工人的附近，以便當介於1至5微米的顆粒數目突然增加時產生警告信號，其表示鈹塵可能已達到危險的濃度。該偵測系統301於正常情況下雖然無法分辨在該相同粒徑範圍內的石綿或鈹塵，但是當工作於石綿或鈹環境下時若此粒徑範圍內的顆粒突然增加應聽從可能存在危險狀態的指示立刻疏散該區域之後再作進一步的檢測。

同樣，該偵測系統301亦可被用於無菌製造工廠，例如食品或醫藥製造廠，以連續監控微生物的溢出，而可在第一時間採取緊急的補救措施。同樣，該偵測系統301已被用作一持續監控系統，以便根據無塵室的要求，提醒工廠管理人有關微生物偵測的歷史數據和趨勢資訊。

在上述偵測系統301內，係使用兩階段的偵測及鑑別過程，該具有光學系統310的系統首先將落在該包含目標粒徑範圍之預設角度範圍以外的散射光除去。接著，根據脈波高度來識別所偵得輸出脈衝，計算各高度的脈波數目並轉換成例如0.2微米內的粒徑，並將結果顯示為柱狀圖，並且每隔適當的時間間隔便產生一新的柱狀圖以說明顆粒分佈情形的改變。然而，除了以粒徑分佈柱狀圖顯示之外，該偵測系統301的光學部份或可配置成僅將相當於1至7微米粒徑範圍的散射光信號部份引導至偵測器14，以及偵測系統301的其餘部份則配置成當偵測系統301的輸出若超過一預設閥值時會發出一警告信號。此將提供較不準確的輸出，並且無法判斷在該偵測大小範圍內的粒徑識別，但若有相當於已知懸浮病原體、過敏原或如鈹塵或石綿等其他有害顆粒之大小範圍內的顆粒數目不尋常大量增加時，仍能產生一相對準確的警報。第3圖的光學系統301僅需改良成可提供較大的中央阻斷區，以阻斷尺寸大於約7微米之顆粒的散射光，並且該輸出電路被改良成可在顆粒偵測器366的輸出端提供一閥值鑑別器，以在該偵測信號若高於所選擇之閥值時，從該鑑別器提供一輸出信號來啟動一警報器。

本發明的病原體偵測器可用於各種用途。例如，病原體偵測器可實施成現場人員使用的電池供電式可攜、手持偵測器。在此情況下，其外殼可容納光學設備和依尺寸範圍來計算顆粒的電路，以及具有用以顯示各粒徑之目前顆粒計數的顯示器，如一LED顯示器。其亦可包含一傳輸器，以傳送無線信號至一基地台。其亦可包含一聲音警報器及一用以提示雷射電力不足的警示燈。亦可提供用於辨公大樓等建築物內的獨立式、桌上型儀器。此獨立式、桌上型儀器類似用於現場的機型，但其經由一AC/DC轉換器而使用牆壁上的標準電源插座來供電。在後者的情況，該偵測器可提供對辨公桌上被生物戰劑所污染之信件或包裹的保護。

該偵測器亦可作為一多功能建築物保全系統中的一部份，其包括置於不同房間內並連接至中央監控電腦或控制台的多台偵測器。可程式化該控制台以監控各房間的顆粒數，及分析任何病原體大小顆粒的異常增加來源，以及預測病源體顆粒在該建築物內的可能散播模式。該偵測器可利用實體線路相連接，或具有無線電傳送器以便將資料傳送至中央控制台，以分析任何生物戰劑顆粒增加之來源以及任何生物戰劑煙塵的可能擴散模式。

揭示於此處的流體懸浮顆粒偵測器亦可用於監控無塵室，以防可能之污染和/或材料損失。

較大範圍地利用偵測系統301時，僅在符合下列兩種情況之下啟動該警報裝置342：(1)當偵測到在預設粒徑範圍(約1至約7奈米)內的氣懸顆粒數目突然增加時；以及(2)當利用如下述之雷射誘發螢光偵測到生物有機體、生物戰劑或有機物質時。

粒徑感測器本身具有環境顆粒誤報的缺點。若該病原偵測系統301為結合有利用紫外線誘發螢光感測器以分辨生物性或非生生物性顆粒之顆粒尺寸測定能力的生物有機體或生物戰劑辨認偵測器時，可進一步減少這些誤報的情形。本發明之偵測系統301包括一第一光學偵測器326和一具有雷射誘發螢光感測器以偵測生物有機體之代謝物或如生物戰劑等生物製劑的第二光學偵測器376。更明確而言，該光學系統310包括一可在約270至約410奈米波長，較佳為在約350至約410奈米下操作的激發光源312。當生物製劑含有三種主要代謝物：色胺酸，其通常約270奈米(在約220至約300奈米範圍內)下發出螢光；菸醯胺腺嘌呤雙核苷(NADH)，其通常在約340奈米(從約300至約400奈米範圍)下發出螢光；以及核黃素(riboflavin)，其通常在約400奈米(從約320至約420奈米範圍)下發出螢光的情況下，選擇約270至約410奈米波長。然而，該激發光源312較佳為具有約350至約410奈米的波長。此波長確保可激發生物製劑內上述三種主要代謝物中的兩種，即生物製劑NADH和核黃素，但不激發其他干擾物質，如柴油引擎廢氣和其他如粉塵或爽身粉等惰性顆粒。因此，在第四實施例中，係使激發光源312的遴選波長範圍能夠保留激發NADH和核黃素之螢光的能力(上述激發色胺酸的能力)，同時不激發其他如柴油廢氣等干擾物。此步驟可減少因柴油廢氣(可被如266奈米之光線等短UV波長所激發)而產生的誤報。

第9圖顯示上述四種代謝物的螢光光譜。光譜分析，特別該些利用不同激發波長的光譜分析，可探測微生物的組成成份，並可將所產生的資料用於微生物的偵測和分類上。

該光學偵測器326、376的輸出端係分別連接至除法器330A、330C，進而經由放大器330A、330C和類比數位轉換器334連接至控制顯示裝置338，從而連接至警報裝置342。

必需強調的是，上述本發明實施例，特別指任何「較佳」實施例為可行的實施例，僅為幫助更清礎瞭解本發明之原理而作的說明。上述本發明之實施例可進行許多不同的改良，但其實質上仍未偏離本發明的精神和原理。全部此類的改良和變化均屬於本文揭示內容及本發明範圍內，並且受到下列申請專利範圍的保護。

14‧‧‧偵測器

60‧‧‧信號

62‧‧‧高通濾波器

64‧‧‧緩衝器

65‧‧‧峰值檢波器

66‧‧‧窗口比較器

68‧‧‧數位計數器

70‧‧‧顯示板

210‧‧‧光學系統

212‧‧‧激發光源

214‧‧‧電磁輻射光束

216‧‧‧第一波長選擇裝置

218‧‧‧介質

220‧‧‧顆粒

222‧‧‧前向散射電磁輻射

224‧‧‧後向散射電磁輻射

226‧‧‧第一光學偵測器

230A‧‧‧信號除法器

230B‧‧‧信號除法器

232A‧‧‧放大器

232B‧‧‧放大器

234‧‧‧類比數位轉換器

236‧‧‧窗口比較電路

238‧‧‧控制輸出顯示器

240‧‧‧低信號偵測電路

250‧‧‧功率監控偵測器

252‧‧‧帶通濾光器

254‧‧‧聚焦透鏡

256‧‧‧功率監控透鏡

260‧‧‧第一光束阻斷透鏡

262‧‧‧第一光學元件

264‧‧‧第二光束阻斷透鏡

266‧‧‧顆粒偵測器

301‧‧‧顆粒偵測系統

310‧‧‧光學系統

312‧‧‧激發光源

314‧‧‧電磁輻射光束

316‧‧‧第一波長選擇裝置

318‧‧‧介質

320‧‧‧顆粒

322‧‧‧前向散射電磁輻射

324‧‧‧後向散射電磁輻射

326‧‧‧第一光學偵測器

330A‧‧‧信號除法器

330B‧‧‧信號除法器

330C‧‧‧信號除法器

332A‧‧‧放大器

332B‧‧‧放大器

332C‧‧‧放大器

334‧‧‧類比數位轉換器

336‧‧‧窗口比較電路

338‧‧‧控制輸出顯示器

340‧‧‧低信號偵測電路

342‧‧‧警報裝置

350‧‧‧功率監控偵測器

352‧‧‧帶通濾光器

356‧‧‧功率監控透鏡

360‧‧‧第一光束阻斷透鏡

364‧‧‧第二光束阻斷透鏡

366‧‧‧顆粒偵測器

370‧‧‧第一光學元件

372‧‧‧第二帶通濾光器

374‧‧‧聚焦透鏡

376‧‧‧第二光學偵測器

參考下列附圖可更加瞭解本發明的多種態樣。圖示內的組件並不需定出其比例尺寸，而是在於清楚圖解本發明之原理。此外，在該數幀附圖中均以相同元件符號來代表相對應的部件。

第1圖係根據本發明第三舉例性實施例之用於一流體懸浮顆粒偵測系統的光學系統。

第2圖係根據本發明第三實施例並納入第1圖光學系統的顆粒偵測系統方塊圖。

第3圖係根據本發明第四舉例性實施例之用於一流體懸浮顆粒偵測系統701的光學系統。

第4圖係根據本發明第三實施例並納入第3圖之光學系統的顆粒偵測系統方塊圖。

第5圖係米氏散射截面對顆粒半徑的關係圖。

第6圖係根據本發明第四舉例性實施例之由類比數位轉換器、窗口比較器電路和控制輸出顯示器所構成之脈波高度測量電路的方塊圖。

第7圖係根據本發明第四舉例性實施例之類比數位轉換器的示意圖。

第7A圖係根據本發明第四舉例性實施例之類比數位轉換器在各點之輸出的圖解說明。

第8圖為說明一粒徑分佈柱狀圖的範例。

第9圖顯示四種代謝物的螢光發光光譜。

210‧‧‧光學系統

212‧‧‧激發源

214‧‧‧電磁輻射束

216‧‧‧第一波長選擇裝置

218‧‧‧介質

220‧‧‧顆粒

222‧‧‧前向散射電磁輻射

224‧‧‧後向散射電磁輻射

226‧‧‧第一光學偵測器

250‧‧‧功率監控偵測器

252‧‧‧帶通濾光器

254‧‧‧聚焦透鏡

256‧‧‧功率監控透鏡

260‧‧‧第一光束阻斷透鏡

262‧‧‧第一光學元件

264‧‧‧第二光學阻斷透鏡

266‧‧‧顆粒偵測器

Claims (30)

1. 一種顆粒偵測系統，其包含：一取樣區；一光源，位在該取樣區的一側，用於傳送一實質上準直光束通過該取樣區；一光束阻斷裝置，位在該取樣區的一相反側，其具有一非傳遞區用於阻斷由該取樣區出現之未散射光的至少一部份；一第一偵測器，置於該光束阻斷裝置後方的光路徑中，配置用來接收與偵測由該些不同粒徑之顆粒以不同角度所散射之前向散射光的一部份，以及產生一含有該些顆粒數目與粒徑資訊的輸出；一第二偵測器，置於該取樣區的光源側，配置用來接收與偵測一部份的後向散射光，以及產生一含有該些顆粒數目與來自該些顆粒之螢光資訊的輸出，其中該光源發射波長約270奈米至約410奈米的光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中自該取樣區出現的後向散射光係進一步被一置於該光源與該取樣區之間的第一波長選擇裝置所引導，以被該第二偵測器所接收。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一警報器，用以當該預設粒徑範圍內所偵測的顆粒數目超出該預設粒徑範圍內的預設正常值時，提供一警報信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光源包括一雷射二極體或一發光二極體(LED)。
5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，更包括一準直鏡，其光學性地置於該光源和該第一波長選擇裝置之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一與該第一偵測器電子聯繫之峰值檢波器，一處理器，該處理器連接至該峰值檢波器之一輸出端，用以在一指定時間根據各脈波高度來處理粒徑分佈，而產生一氣懸粒徑分佈的柱狀圖，以及在一輸出裝置上顯示該柱狀圖。
7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括：一第一光學元件，置於該光束阻斷裝置後方與該第一偵測器前方，以被至少一部份的該前向散射光所照射，其中該第一光學元件僅傳送該部份前向散射光的一特定波帶至該第一偵測器；其中該第一光學元件進一步引導一部份的該前向散射 光至該第二光學偵測器，該第二光學偵測器設置用以接收並偵測該第一光學元件引導的一部份前向散射光；及一濾光器，置於該第二偵測器前方；因而該第二偵測器偵測該前向散射光的一螢光部分並產生一含有來自該些顆粒之螢光資訊的輸出。
8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其進一步包括一第一透鏡，配置以被該光束照射，其中該第一透鏡更包括一準直鏡。
9. 如申請專利範圍第7項所述之系統，更包括一功率監控偵測透鏡，設置用以接收和傳送被該第一波長選擇裝置所引導的輻射，以及一功率監控偵測器，該功率監控偵測器設置於用以接收來自該功率監控偵測透鏡的輻射，其中該功率監控偵測器係與該光源聯繫。
10. 如申請專利範圍第7項所述之系統，更包括一第三偵測器，其中該第三偵測器係配置於該取樣區後方，且其中該第一光學元件係配置用以引導至少一部份的該前向散射光至該第三偵測器。
11. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該第一光學元 件係一濾光器，設置用於僅傳送該部份前向散射光的一特定波帶，其中其他波帶被該濾光器反射而沿著一光學路徑朝向該第二偵測器或者朝向該第二與第三偵測器。
12. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該光源波長係介於約350至410奈米之間以及該第一濾光器傳送約低於400奈米的光。
13. 如申請專利範圍第7項所述之系統，更包括第二光束阻斷透鏡，其光學性地設置於該第一光學元件和該第一偵測器之間，其中該第二光束阻斷透鏡傳送散射光以及吸收非散射光。
14. 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括至少一濾光器，其光學性地設置於該取樣區和該第一偵測器之間，其中該濾光器傳送來自該取樣區的該部分前向散射光以及反射來自該取樣區的該部分散射光。
15. 如申請專利範圍第4項所述之系統，更包括複數個用於將來自該光源之光線塑造成接近準直光線的光學透鏡。
16. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該光源包括複數個用於塑形光線和/或將雜訊從該光束中除去的光學 透鏡。
17. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該取樣區包括一空氣樣本。
18. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該取樣區包括一水樣本。
19. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該第一波長選擇裝置包括一二色性分光鏡。
20. 如申請專利範圍第10項所述之系統，其中該第一光學元件包括一二色性分光鏡。
21. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中該第一光學元件係一低通濾波器。
22. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該系統係用來收集來自該些顆粒之粒徑資訊與螢光，且其中該波長選擇裝置係用來分隔來自各個個別顆粒之螢光資訊與散射雷射光資訊。
23. 如申請專利範圍第22項所述之系統，該系統收集之一 顆粒的螢光強度與粒徑資訊係用來確定該顆粒為生物的或無生命的。
24. 一種偵測病原體和顆粒的方法，該方法包括下列的步驟：發射一光束，該光束的波長約350奈米至約410奈米；傳送至少一部份的該光束通過一第一波長選擇裝置；以一部份該光束照射一含顆粒的取樣區，其中該等顆粒以前向及後向散射該光線；以及偵測和測量該前向散射光和該後向散射光。
25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，更包括：以該第一波長選擇裝置引導至少一部份的該後向散射光；及在一第一光學偵測器接收至少一部份的該後向散射光，因而偵測來自以後向散射該光線之該等顆粒的螢光為生物性或非生物性。
26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，更包括：傳送至少一部份該前向散射光通過一第二透鏡；僅傳送該部份前向散射光的一特定波帶通過一第一光學元件；以及引導被傳送通過該第一光學元件的一部份該前向散射 光至一第二光學偵測器，使得該第二光學偵測器測定出前向散射該光線之該等顆粒的尺寸。
27. 如申請專利範圍第24項所述之方法，更包括：利用該第一光學元件引導一部份的該前向散射光朝向一第三光學偵測器，其中該第一光學元件係一第二波長選擇裝置。
28. 如申請專利範圍第26項所述之方法，更包括：以一第三透鏡聚焦該被傳送通過該第一光學元件朝向該第二光學偵測器的該部份前向散射光，其中該第三透鏡吸收非散射光。
29. 如申請專利範圍第25項所述之方法，更包括：以一第四透鏡聚焦被該第一波長選擇裝置引導朝向該第一光學偵測器的該部份後向散射光。
30. 如申請專利範圍第25項所述之方法，更包括：以一濾光器來過濾被該第一波長選擇裝置所反射朝向該第一光學偵測器的該部份後向散射光。