[发明专利]用于气溶胶粒子的尺寸和化学成分的实时确定的系统和方法

说明书

大卫·菲利普·弗根森

发明领域

本发明涉及气溶胶粒子识别，尤其是涉及一种用于气溶胶粒子的尺寸和可选地化学成分的实时确定的系统和方法。

背景

对恐怖主义的顾虑的上升增加了对气粒子溶胶粒子的实时检测和识别的关注，因为放射性的、化学的、生物的和爆炸性的材料及它们的前体都可以存在于烟雾化的形式中。

气溶胶质谱法的新进展实现在实地气溶胶粒子的实时分析，这在诸如政府中心、机场和体育场馆的高价值的恐怖主义目标处极其重要。气溶胶质谱法需要调节经受分析的气溶胶，形成粒子束，以及通过激光解吸/电离质谱法来分析单独的粒子。调节可包括如果粒子不是已经被烟雾化的就产生气溶胶，以及调整粒子的浓度。粒子束通过围绕穿过聚焦孔的粒子的气体的超声膨胀来形成。液体流中的粒子可被相似地形成束。粒子束中的单独的粒子然后通过质谱法被分析。

稠密的粒子浓度可不利地影响气溶胶质谱仪准确地跟踪、分辨和分析单独的粒子的能力。不准确的速度测量结果可使电离激光器的精确启动所必需的计时产生偏斜。另外，分辨高粒子密度在历史上经受了增加的复杂性和花费。

例如，在McKeown等人的“On-Line Single Particle Analysis by LaserDesorption Mass Spectromerty”，63 Anal.Chem.1906，2069(1991)中所公开的快速单粒子光谱仪(RSMS)——其公开通过引用被并入本文——利用用于检测气溶胶束内的粒子的存在的连续波激光器。每个粒子在横穿连续激光束的同时散射光。光电增倍管(PMT)测量光散射强度，以使用粒子的反射指数来提供粒子尺寸的近似度量——一种固有地不准确的尺寸测量。脉冲激光器邻近连续激光束被瞄准并且在检测到粒子时被启动。质谱从由粒子解吸/电离的材料收集。

在颁发给Prather等人的美国专利号5,998,215中所公开的气溶胶飞行时间质谱仪(ATOFMS)基于所估计的速度来定气溶胶粒子的尺寸，该专利的公开通过引用被并入本文。在由两个连续激光器横跨的距离内的粒子横越时间被测量和推断出，以触发质谱仪脉冲激光器的启动。粒子速度比光散射强度产生更准确的粒子尺寸确定，但是当气溶胶浓度增加时，跟踪单独的粒子的能力变差，因而限制了分析通过量。另外，两个激光器的利用比单个激光器设计增加了复杂性。

采用六个连续激光器的阵列的气溶胶质谱仪系统在颁发给Gard等人的美国专利号7,260,483中被公开，该专利的公开通过引用被并入本文。通过量通过使用六激光器阵列被改善，以跟踪单独的气溶胶粒子的轨迹。在增大的粒子浓度下的较高的性能被获得，但是以尺寸、费用和复杂性为代价。

概述

为了粒子识别，气溶胶粒子的尺寸和可选地成分被实时确定。气溶胶束发生器使含有气溶胶样品的气溶胶束聚焦。一旦达到终速度，每个粒子即与从连续波测径激光器(continuous wave sizing laser)发射的已知恒定宽度的激光束相交。穿过测径激光器的束的粒子横越时间被边对边地测量，并且被用于确定粒子速度，粒子尺寸然后可从粒子速度被估计。在一个实施方式中，脉冲激光器使粒子解吸和电离，用于光谱分析。在另一方面，粒子的特性从粒子尺寸和成分的分析来确定。

从下面的详细描述中，又一些其它实施方式对于本领域的技术人员将变得容易明显，其中，通过说明所设想的最佳模式来描述实施方式。正如将被认识到的，其它和不同的实施方式是可能的，并且它们的一些细节能够在各种明显的方面中修改，而所有修改不偏离本精神和范围。因此，附图和详细描述将被视为本质上是说明性的而不是限制性的。

附图的简要描述

图1是显示根据一个实施方式的用于确定单独的气溶胶粒子的尺寸和化学成分的系统的功能简图。

图2是作为例子显示气溶胶粒子的尺寸和化学成分的实时确定的功能图。

图3A-C是作为例子显示粒子横越图1的系统的测径激光束的简图。

图4是显示穿过圆形激光束和方形激光束的路径长度的简图。

图5是显示示范性的粒子尺寸与粒子速度的校准曲线的图。

图6是显示根据一个实施方式的用于确定单独的气溶胶粒子的尺寸和化学成分的方法的流程图。

图7是显示使用于图6的方法中的用于确定粒子的速度和尺寸的程序的流程图。

详细描述