[发明专利]用于检测颗粒的装置、系统和方法

说明书

一颗粒检测器包括一壳体、一光源、以及一光电材料。该壳体包括一样本入口和一样本出口、以及包括一检测腔。该光源将照射光沿一纵轴直射该检测腔内一样本流体中的颗粒。该光电材料包围该检测腔的至少部分，接收自该颗粒且沿一组多条与该纵轴具有相对角度的测量光光路传播的测量光。该颗粒检测器可用于测量散射光和/或荧光发射光。流体样本可包括气溶胶、生物气溶胶、以及液体。

相关申请

本申请要求申请号为62/039,512的美国临时专利“用于检测颗粒的装置、系统和方法”（申请日2014年8月20日），以及申请号为62/039,519的美国临时专利“用于流体控制和样本检测控制的系统、装置和方法”（申请日2014年8月20日）的优先权，其内容在本申请中被整体引用。

技术领域

本发明涉及气溶胶或流体中颗粒的光学检测，包括光散射和自发荧光的检测。

背景技术

通过检测流体介质的分散颗粒和胶质以测量浓度或其他属性能有效实现多种用途，例如医疗诊断、科学研究、空气质量检测和威胁检测。示例包括测量流体中的悬浮颗粒浓度，例如血液中的蛋白质、以及建筑室内环境和室外环境的空气颗粒。

一个记载的应用是测量气溶胶中空气颗粒（或颗粒物，PM）的浓度和其他属性。因大气中气溶胶浓度的重要性和其对健康的影响，美国环境保护署（US EPA）发布了粗颗粒物质（介于10μιη 至 2.5 μιη之间，可吸入颗粒）和细颗粒物质（粒径小于2.5 μιη，细颗粒物）的暴露标准。对制造业而言，气溶胶浓度对工人健康和避免制造过程中污染具有同样的重要性。

一类特别引人注意的气溶胶是生物气溶胶。生物气溶胶包括生物颗粒，例如真菌孢子、细菌孢子、细菌、病毒，和生物衍生颗粒（皮肤细胞、皮屑等）。一些生物气溶胶可引发慢性和/或急性健康问题，例如某些黑霉菌株或炭疽杆菌（炭疽致病菌）。生物气溶胶浓度对医院环境安全、食品清洁生产、制药和医药设备制造和空气质量而言十分重要。空气传播疾病是公众尤为关心的话题。气雾化生物制剂可被恐怖分子利用以伤害平民和军队。

气溶胶浓度和生物气溶胶浓度的测量（检测）通常通过光学技术实现。现已可通过多种光散射测法实现气溶胶（例如分散于大气中粒径小于10 μιη的固体或液体颗粒）的浓度测量。参见海因兹，《气溶胶科技》，纽约约翰威利国际出版公司（1982）；莱蒂马基和维勒克，《测量方法》，气溶胶测量，维勒克和巴龙，纽约范诺斯特兰莱因霍尔德出版公司，112-129（1993）。最准确的方法是利用单一颗粒计数器，其将一气溶胶流对准一检测腔，检测腔中可测量长波长（大于650nm）散射光。精密光学元件用于收集散射光（同时排出源光）并将散射光聚焦到一光子检测器。该光子检测器由可耐光电效应（光子转化为电子）的硅或光电阴极材料（例如砷化铟镓）制成。这些材料集成在探测器内，以提供高倍数光子信号，例如光电倍增管（PMTs）和雪崩光电二极管（APDs）。上述探测器的主动探测区域小（小于25mm²）且仅限于几何平面。另外，上述探测器的成本在100美金以上，高灵敏度的光电倍增管的价格甚至超过1000美金。