[发明专利]用于对生物和非生物粒子进行检测和分类的实时光学方法和系统

说明书

本发明涉及用于基于粒子大小和偏振弹性散射来实时地对个体气载生物和微生物粒子进行检测和分类的方法、设备和系统。自体荧光含量也可以与粒子大小和偏振弹性散射一起使用以供进一步正交分类。利用偏振弹性散射，可以使用根据粒子形态、折射指数、内部不对称结构和分子光学活性所产生的线退偏振度或圆退偏振度来对个体气载粒子进行分类。可选地，可以使用圆强度差散射(CIDS)或线强度差散射(LIDS)来区分各个粒子。

技术领域

本发明一般涉及气溶胶分析器，更具体地涉及用于对气载生物和非生物粒子的实时检测和分类的光学分析器。

背景技术

在过去的15年中，在用于提供对气载生物和非生物粒子的实时检测和分类的方法和系统这两者的开发方面取得了重大进展。这些方法和系统中的大多数是基于利用粒径测量和激光诱导荧光(LIF)这两者来将生物粒子与非生物粒子区分开的光学方法。这些方法包括使用对于激发生物粒子中常见的内源荧光团特定的各个波长的照射方法。基于LIF的方法还包括以不同波长工作的多个激发源以改进分类。其它方法包括与用于测量单个粒子的自体荧光和矿物成分这两者的LIF检测相结合的激光击穿光谱法、以及单个粒子的拉曼光谱法和傅立叶变换红外光谱法。

存在对于以下各领域中的改进环境生物监控的日益增长的需求，如战场和国土防御、室内和室外空气质量监测、气载医院感染控制、生物制药和其它制造操作、污水厂、动物生产厂房以及其它操作的污染控制监测等，其中连续的实时监测有助于提供对微生物、病毒和其它类型的生物粒子的有害暴露的早期预警和预防。关于防御应用，最致命的生物攻击形式来自雾化剂。迄今为止，利用粒径测量和激光诱导荧光这两者的光学方法已经应用于战场和国土防御。该方法已被证明是有效的早期预警功能，特别地用于监视室内生物攻击的建筑物保护应用。在较小程度上，使用基于LIF的检测的实时气载微生物监测已被应用于生物制药制造和其它洁净室操作的污染控制监测。尽管这些基于LIF的生物粒子计数器方法已经显示为有用的早期预警系统，但是这些方法并非没有限制，并且存在显著的改进空间。

基于LIF的生物粒子检测存在三个主要限制。首先是它们检测单个营养型或孢子型生物的能力。当前领域的基于LIF的生物粒子检测器局限于检测营养细胞和孢子聚集粒子、或者每气溶胶粒子包含大量营养细胞或孢子的粒子。对于生物防御和其它应用这两者，需要并且有必要检测单个营养细胞和孢子，以提供充分的保护或有效的污染控制监测。对于基于LIF的方法，除非使用具有相当大的光功率的激光源，否则通过荧光激发所发射的光量不足以在粒子大小为0.5～1.5微米直径的大小时可靠且准确地将生物粒子与非生物粒子分类开。这对于诸如350～450nm波长范围等的较长激发波长尤其如此，但大多数情况下也适用于诸如250～300nm波长范围等的较短波长。

其次，这些基于LIF的生物粒子检测的将生物粒子与非生物粒子区分开并且对诸如以下的生物粒子类型进行分类的能力是非常有限的，例如：细菌孢子、霉菌孢子、营养细菌、病毒聚集体、蛋白质毒素聚集体、以及包含细菌、病毒或真菌的污染物粒子。在对生物与非生物的区分的最低限度需求下，基于LIF的粒子检测方法的使用对于无机粒子与不发荧光的人造粒子的区分是有用的，但是对于掺杂有荧光团的(诸如包含荧光增白剂的纸粒子或织物粒子、以及具有固有荧光的常见粒子(诸如人体皮肤细胞碎片和动物皮屑等)等的)粒子面临着严重的限制。基于LIF的多波长激发方法的使用相对于单源方法具有一些改进分类，但是这些方法对于广泛应用不具有成本效益。

第三，当前的基于LIF的方法在其检测感兴趣的生物粒子浓度水平的能力方面受到限制，特别是在要求仅检测每升空气中的少量粒子的一小部分的应用方面受限。对于基于LIF的生物粒子检测方法，及时地检测低水平并将其与常见气溶胶背景区分开的能力变得非常具有挑战性。当前系统局限于每分钟1～3升的空气采样流速。这相当于慢响应时间和长采样时间，以检测并警告低浓度的生物粒子的存在。使用气溶胶浓缩器来补偿这一点在其应用方面是受限的，这是因为区分的问题随着采样流速和背景气溶胶浓度的增加而严重。

发明内容