包含释放诸如炭疽杆菌(anthrax)等生物战剂的都市恐怖攻击行为目前已 成为值得关注的问题。武器性炭疽菌孢子由于可进入人类肺部而具有极高的危 险性。对于人类而言，炭疽菌孢子的致死吸入剂量LD50(足以杀死50％暴露者 的致死剂量)约为2,500至50,000个孢子，参阅T.V.Inglesby等人在1999年标 题为“生物武器的炭疽菌”，JAMA第281卷第1735页，的发表文献。一些其它 可能的武器性生物制剂为耶尔森氏杆菌(鼠疫)、肉毒梭状芽孢杆菌(肉毒中毒) 以及土拉弗朗西斯菌(francisella tularensis)。鉴于此种潜在性的威胁，目前亟需 一种能检测此类攻击的早期预警系统。
激光颗粒计数器是已知的检测工具，其引导激光光线通过一样本，并检测 和分析通过该样本的光线以检测来自样本内颗粒的散射光。现有的设计用于检 测散射光的检测器或颗粒计数器的一个问题在于必需从入射照明光源信号中 萃取出散射信号。此包含从噪声极多的背景(来自激光光源的炫光)中检测一弱 信号(来自细颗粒的散射光)。此特性为长久以来造成激光颗粒计数器的仪器检 测困难的主要原因。传统上设计的激光颗粒计数器运用高价和精细的装置以降 低来自激光光源的眩光以及从大量背景噪声中测量颗粒散射光，因而使计数器 变得极为脆弱和昂贵。目前，传统上设计的激光颗粒计数器均极脆弱和昂贵， 因此不适用于此应用用途中。用于激光颗粒计数的传统技术包括测量颗粒速度 并推算出大小信息的激光多普勒(Doppler)法、测定颗粒通过一感应区所需时间 的瞬时时间法(transient time method)以及仅能够测定小颗粒的广角多传感器设 计。在T.H.Jeys等人于1998年在Proc.IRIS Active Systems期刊第1卷第235 页中叙述一种利用脉冲紫外线(UV)激光的激光诱发荧光的生物传感器。此生物 传感器能够检测每升空气中5个颗粒的气雾浓度，但其造价极为昂贵并且脆 弱。其它颗粒计数器由奥勒冈州Grants Pass市的Met One Instrument有限公司、 Colorado的Boulder市的Particle Measurement Systems有限公司，以及加州 Anaheim市的Terra国际股份有限公司制造。基于设计上的关系，这些颗粒计 数器的构造需要极精密的光学对准及极为敏感的传感器和电子仪器。这些产品 均朝向实验室使用的方向发展并且花费数千美元用于单一元件。因此，不适合 作为现场使用的检测器，也不适合作为专用于生物战药剂检测的设计。
已设计出可检测流体悬浮过敏原颗粒的各种检测器，其可在当检测到空气 样本中颗粒数目超过一预设最小值时对敏感者提出警告。这些检测均描述于 Hamburger等人的美国专利案No.5,646,597、No.5,969,622、No.5,986,555、 No.6,008,729和No.6,087,947号中。这些检测器均包含引导一光束通过一环境 空气样本，使得部分光束将被空气中的任何颗粒所散射，用于传输仅在对应于 预设过敏原大小范围的预定角度范围中散射的光的光束阻挡装置，以及一用于 检测该传输光线的检测器。该检测器所测得的光线若超过一预定值时，则启动 一警报。这些检测器虽然根据是否存在有过敏原颗粒足以用于提供警告指示， 但是其并不适合用于现场的布署并且不符合作为检测生物战药剂的病原检测 器的更严格需求。

本发明提供一种改良的病原和颗粒检测的系统和方法。更明确而言，本发 明发展出一种完全利用非弹性散射强度(即来自颗粒的荧光)的独特角度分布 模式的新颖荧光信号收集方法。理论上和实验上均已证明颗粒的非弹性散射在 后向(最强)和前向(第二强)方向上具有较佳的强度角度分布(参考文献1 “Backward-enhanced fluorescence from clusters of microspheres and particles of tryptophan”Yong-Le Pan等人，Appl.Opt.第41卷，第2994页，2002；参考文献 2“Angle-and size-dependent characteristics of incoherent Raman and fluorescent scattering by microspheres”Igor Veselovskii Appl.Opt.第41卷，第5783 页，2002。简言之，在一实施例中，该系统包括一用以提供具有光源波长的电 磁辐射束的激发光源。如二色性分光镜等第一波长选择装置置于可受到电磁辐 射光束照射的位置。第一波长选择装置可传送至少一部分任何具有光源波长的 辐射以及反射其它波长的辐射。含颗粒的介质(medium)置于可被电磁辐射光束 照射的位置。至少一部分电磁辐射光束在介质内被散射，该散射电磁辐射包括 前向散射电磁辐射及后向散射电磁辐射。设置光检测器以收集前向和后向散射 电磁辐射。
本发明也可视为提供用于检测病原体及颗粒的方法。在这方面，此类方法 的其中一实施例可大略摘要出下列步骤：发射一电磁辐射光束；经由第一波长 选择装置传送至少一部分的电磁辐射光束；以该部分电磁辐射光束照射含颗粒 之介质，其中该颗粒以前向和后向方向散射该电磁辐射；以第一波长选择装置 反射至少一部分该后向散射电磁辐射；以及，在第一光学检测器收集至少一部 分该前向和后向散射电磁辐射，从而测定出于前向和后向方向散射该电磁辐射 之颗粒的尺寸。
在检视下列附图和详细说明之后，本领域普通技术人员将可更清础了解本 发明的其它系统、方法、特征及优点。本发明的其它此类系统、方法、特征和 优点均属于本说明书内容及本发明范围内，并且受到后附权利要求书的保护。

参考下列附图可更加了解本发明的多种方案。附图内的部件并不需依照比 例绘制，而是强调能够清楚图解本发明的原理。此外，在附图中，在该整个附 图中均以相同组件符号来代表相对应的部件。
图1是根据本发明第三示例性实施方式的用于一流体悬浮颗粒检测系统 的光学系统；
图2是根据本发明的第三示例性实施方式并且结合图1的光学系统的颗粒 检测系统方块图；
图3是根据本发明的第四示例性实施方式的用于一流体悬浮颗粒检测系 统701的光学系统；
图4是根据本发明的第三示例性实施方式并且结合图3的光学系统的颗粒 检测系统方块图；
图5是米氏散射截面与颗粒半径的关系图；
图6是根据本发明的第四示例性实施方式，由模拟数字转换器、窗口比较 器电路和控制输出显示器所构成的脉波高度测量电路的方块图；
图7是根据本发明的第四示例性实施方式的模拟数字转换器示意图；
图7A是根据本发明的第四示例性实施方式，模拟数字转换器在各点的输 出的图解说明；
图8为说明粒径分布柱状图的范例；
图9示出四种代谢物的荧光发光光谱。

图1显示用于根据本发明的第一示例性实施方式的流体悬浮颗粒检测器 系统中的光学系统。该系统的第一示例性实施方式特别是有关于用来检测恐怖 分子或他人有意散播的气悬或水悬性生化恐怖战剂，但也可用于都市设施以检 测可能存在于自然界如霉菌或细菌或是如食品和制造工厂等其它工业设施意 外、不慎、自然或刻意释出有害浓度的其它气悬或水悬颗粒，以及用于室内清 净的用途被。
术语“流体传播颗粒(fluid borne particles)”一词在此处意指经由空气和水 传播的颗粒。
术语“病原体”一词在此处指任何经由空气或水媒介的颗粒、生物制剂或 毒素，若其在空气或水源中存在足够量时可能造成暴露于这些颗粒的人类潜在 性的伤害或甚至死亡。此处“生物制剂(biological agent)”定义为任何的微生物、 病原体或感染物质、毒素、生物毒素，或不论来源或制造方法经由任何此类微 生物、病原体或感染物质所产生的任何天然、生物工程或合成成分。此类生物 制剂包括例如生物毒素、细菌、病毒、立克次氏体、孢子、真菌和原虫，以及 本领域中公知的其它任何病原体。
“生物毒素”为活体植物、动物或微生物所产生或衍生出的毒性物质，但 也可通过化学方法制造或改造。然而，毒素通常由宿主生物所自然产生(即， 贝类毒素由海藻所产生)，但实验室环境内已可制造出基因改造和/或合成制造 的毒素。与微生物相较之下，毒素具有相对较简单的生化组成物并且无法自我 繁殖。在许多方面，生物毒素可视为是一种化学剂。此类生物毒素为例如肉毒 素和破伤风毒素、葡萄球菌肠毒素B、梭霉菌毒素、菎麻毒素(ricin)、贝类毒 素(saxitoxin)、志贺(Shiga)和类志贺毒素、树眼镜蛇毒素(dendrotoxins)、海蛇 毒素-b(erabutoxin-b)以及其它已知的毒素。
该检测系统的设计为检测空气或水传播的颗粒及产生显示例如检测样本 内各种颗粒尺寸范围中的颗粒数目的输出値，以及显示该些颗粒是否为生物性 或非生物性颗粒。该系统在颗粒数量在正常背景下超过一预定值和/或为可能 造成危害的生物有机体或生物制剂时也可发出警告信号或其它反应。
图1为用于根据本发明第一示例性实施方式的水悬颗粒检测系统的光学 系统210。如图1所示，该光学系统210包括一激发光源212，用以提供具有 一光源波长的电磁辐射光束214。在一个实施方式中，第一波长选择装置216 包括一受到电磁辐射光束214所照射的二色分光镜(dichroic beamsplitter)。该 第一波长选择装置216构造为传送至少一部分任何具有该光源波长的辐射以 及反射其它波长的辐射。该第一波长选择装置216可反射来自激发光源212 的可能混附波(spurious spectral emissions)。一部分电磁辐射光束214可被第一 波长选择装置216反射朝向一功率监控检测器250。该功率监控检测器250可 与激发光源212联系，以及视需要可作为维持该激发光源212恒定输出功率的 反馈回路中的一部分。可通过功率监控透镜256来集中被第一波长选择装置 216所反射朝向功率监控检测器250的部分电磁辐射光束214。
含颗粒220的介质218置于可被电磁辐射光束214照射的位置。至少一部 分电磁辐射光束214成为在介质218内的散射电磁辐射。该散射电磁辐射包括 前向散射电磁辐射222及后向散射电磁辐射224。第一光学检测器226置于可 接收后向散射电磁辐射224的位置。该后向散射电磁辐射224可通过第一波长 选择装置216朝向光学检测器226被反射。第一波长选择装置216和光学检测 器226之间可利用带通滤光器252以最小化来自电磁辐射光束214的任何背向 散射光和/或用来选出准备测定的光谱的特定部分。第一波长选择装置216和 光学检测器226之间可利用聚焦透镜254以聚焦朝向光学检测器226的后向散 射电磁辐射224。
如图1所示，可引导该前向散射电磁辐射222照射至第一光束阻挡透镜 260。该第一光束阻挡透镜260可设计用于反射电磁辐射光束214中的非散射 元素，以避免在光学检测器上产生眩光。第一光束阻挡透镜260具有附着于前 表面用以反射电磁辐射光束214的非散射元素的材料，例如乙烯(vinyl)。第 一光束阻挡透镜260的其它可能考虑事项已述于专利申请案序号 No.11/193,204内，将其并入于本文中以供参照。
该前向散射电磁辐射随后可被引导至第一光学组件262，其为一低通滤波 器或类似第三示例性实施方式中的波长选择组件。第一光学组件262容许至少 一部分前向散射电磁辐射222通过并反射掉一部分的前向散射电磁辐射222。 更明确而言，该第一光学组件262可反射前向散射电磁辐射222的荧光信号部 分，同时可让其余的前向散射电磁辐射222通过。第二光束阻挡透镜264可聚 焦朝向颗粒检测器266的前向散射电磁辐射222的通过部分。该颗粒检测器 266可为例如一用于测量该颗粒220的大小的光电二极管(photodiode)。
可引导该前向散射电磁辐射222的反射荧光信号部分通过介质218而返回 后被第一波长选择装置216反射朝向光学检测器226。在第一波长选择装置216 和光学检测器226之间可使用聚焦透镜254来聚焦朝向光学检测器226的前向 散射电磁辐射222的反射荧光信号部分。
图2为根据本发明的第一示例性实施方式的颗粒检测系统的方块图，其纳 入图1的光学系统210。该光学系统210包括引导电磁辐射光束214进入第一 波长选择装置216的激发光源212。该电磁辐射光束214通过第一波长选择装 置216进入介质218，并且一部分的电磁辐射光束214被后向散射至该第一光 学检测器226，以及另一部分的电磁辐射光束214被前向散射朝向该颗粒检测 器266。
两个信号除法器(signal divider)230A、230B将第一光学检测器226和颗粒 检测器266的输出分别除以功率监控检测器250的输出。两个放大器232A、 232B连接至该信号除法器230A、230B的输出端。一模拟数字转换器234连 接至放大器232A、232B。一窗口比较电路(window comparator circuit)236连接 至该模拟数字转换器234。一控制输出显示器(control and output display unit)238 连接至该窗口比较电路236的输出端。一低信号检测电路240连接至激发光源 212的输出端，其可提供该电磁辐射光束214的功率强度。该低信号检测电路 240的输出端还连接至该控制输出显示器238。一警报装置242也连接至该控 制输出显示器238。该控制输出显示器238可以是一计算机或定做的软件/硬 件，以控制该颗粒检测器的操作。
图3为用于根据本发明的第二示例性实施方式的水悬颗粒检测系统的光 学系统。如图3所示，该光学系统310包括激发光源312，以提供具有一光源 波长的电磁辐射光束314。一第一波长选择装置316，例如二色分光镜，置于 可被电磁辐射光束314所照射的位置。该第一波长选择装置316构造为可传送 至少一部分的任何具有光源波长的辐射以及反射其它波长的辐射。该第一波长 选择装置316可反射来自激发光源312的可能混附波。一部分的电磁辐射光束 314可被第一波长选择装置316反射朝向功率监控检测器350。该功率监控检 测器350可与激发光源312联系，以及视需要可作为维持该激发光源312恒定 输出功率的反馈回路中的一部分。可通过功率监控透镜356来聚焦被第一波长 选择装置316反射朝向功率监控检测器350的电磁辐射光束314。
含颗粒320的介质318置于可被电磁辐射光束314照射的位置。至少一部 分电磁辐射光束312可成为该介质318内的散射电磁辐射。该散射电磁辐射包 括前向散射电磁辐射322及后向散射电磁辐射324。第一光学检测器326设置 用以接收后向散射电磁辐射324。该后向散射电磁辐射324可通过第一波长选 择装置316被反射至光学检测器326。第一波长选择装置316和光学检测器326 之间可利用带通滤光器352以最小化来自电磁辐射光束314的任何背向散射光 和/或用以选出准备测定的光谱的特定部分。第一波长选择装置316和光学检 测器326之间可利用聚焦透镜354以聚焦朝向光学检测器326的后向散射电磁 辐射324。
如图3所示，该前向散射电磁辐射322可被引导而照射至第一光束阻挡透 镜360。该第一光束阻挡透镜360设计用以反射电磁辐射光束314的非散射元 素，其可避免光学检测器上的眩光。该前向散射电磁辐射随后可被引导至一光 学组件370，其为第四示例性实施方式中的第二波长选择装置316。该第一光 学组件370容许至少一部分前向散射电磁辐射322通过，并反射一部分的前向 散射电磁辐射322。更明确而言，该第一光学组件370可反射前向散射电磁辐 射322的荧光信号部分，同时可让其余的前向散射电磁辐射322通过。第二光 束阻挡透镜364可聚焦朝向颗粒检测器366的前向散射电磁辐射322的通过部 分。该颗粒检测器366可为例如一用于测定该颗粒320大小的光电二极管。
可引导该前向散射电磁辐射322的反射荧光信号部分朝向第二光学检测 器376。第一光学组件370和第二光学检测器376之间可使用一第二带通滤光 器372，以最小化来自电磁辐射光束314的任何背向散射光和/或用以选出准备 测定的光谱的特定部分。第一光学组件370和第二光学检测器376之间可利用 聚焦透镜374以聚焦朝向第二光学检测器376的前向散射电磁辐射322的反射 荧光信号部分。该第二光学检测器376可例如为一光电倍增管(PMT)光学检测 器。
图4为根据本发明第二示例性实施方式的颗粒检测系统301的方块图，其 纳入图3的光学系统310。该光学系统310包括引导电磁辐射光束314进入第 一波长选择装置316的激发光源312。该电磁辐射光束314通过第一波长选择 装置316进入介质318中，并且一部分的电磁辐射光束314被后向散射至该第 一光学检测器326以及另一部分的电磁辐射光束314被前向散射朝向颗粒检测 器366。
三个信号除法器330A、330B、330C将第一光学检测器326、颗粒检测器 366和第二光学检测器376的输出分别除以功率监控检测器350的输出。三个 放大器332A、332B、332C连接至该信号除法器330A、330B、330C的输出。 一模拟数字转换器334连接至放大器332A、332B、332C。一窗口比较电路336 被连接至该模拟数字转换器334。一控制输出显示器338连接至该窗口比较电 路336的输出端。一低信号检测电路340连接至激发光源312的输出端，其提 供该电磁辐射光束314的功率强度。该低信号检测电路340的输出也连接至该 控制输出显示器338。一警报装置342也连接至该控制输出显示器338。该控 制输出显示器338可以是一计算机或定做的软件/硬件，用以控制该颗粒检测 器的操作。
该系统设计根据颗粒大小相当于光波长的米氏(Mie)散射原理。在米氏散 射状况中，散射光的角度分布和强度都与颗粒的大小和形状密切相关。散射的 特征为具有下列的特性：1)该散射光聚焦于前向和后向的方向；2)该散射光 强度的角度分布情形对散射颗粒的大小极为敏感；以及3)该颗粒的散射截面 以单调但复杂的方式与颗粒的大小成比例。利用可见光，例如波长0.67μm的 可见激光二极管光输出光束，该米氏散射法适合用于检测和定性微米级范围的 悬浮颗粒。图5为说明米氏散射截面与颗粒半径之间的关系图。
根据本发明的第二示例性实施方式，检测系统301的光学系统310利用散 射角度与颗粒大小成比例的原理，利用置于通过样本的光路径上的第一光束阻 挡透镜360来除去预设范围之外的散射光。由于如图5所述与描绘般，由于该 颗粒的散射截面以单调但复杂方式与颗粒大小成比例，该颗粒检测器366设计 成可通过分辨所测得的脉波高度的差异来检测样本内颗粒大小的分布情形。因 此，从颗粒检测器366输出的电脉冲的高度取决于颗粒的尺寸。
如图4所示，颗粒检测器366的输出端连接至第二信号除法器330B的一 个输入端，同时该功率监控检测器350(其相当于激发光源312)的输出端连接 至第二信号除法器330B的另一输入端，以及从第二信号除法器330B输出这 些信号的比値。图6是由本发明的第二示例性实施方式中模拟数字转换器334、 窗口比较电路336及控制输出显示器338所构成的脉冲高度测量电路的方块 图，同时图7为更详细说明该模拟数字转换器334的示意图。该颗粒检测器 366的输出可为一脉冲信号，例如于图6中所绘示一系列模拟脉冲信号中的信 号60，各脉冲代表介质318内一种颗粒的散射光，并且该脉冲的高度与该颗 粒的大小成比例。为了除去DC背景，来自颗粒检测器366的各个输入脉冲 (incoming pluse)均通过一高通滤波器62，然后通过一缓冲器64而抵至峰值检 波器65，其将可测量出该输入脉冲的高度。峰值检波器65的输出将为一系列 具有脉冲高度数据的脉冲计数信号。模拟数字转换器334和峰值检测电路的一 实施例详细说明于图7中，图7A示出了该电路中各点的脉冲输出值。图7A 中的“PEAK OUT”输出信号被传送至窗口比较电路336以进行分类。绘示于 图7A的其它脉冲为时间和启动信号，以通知该窗口比较电路336撷取及储存 该数据。
该窗口比较电路336具有一系列窗口比较器66(图6的实施例中标示为 1～10)，分别用以检测在预设电压范围内(窗电压，window voltage)的脉冲。各 窗口比较器66仅在当该输入脉冲高度落于其窗电压范围(例如，比较器#5为5 至7.5毫伏特)内时，传送一信号至其相关的数字计数器68。该相关数字计数 器68的输出端连接至一显示板70，其将显示各粒径尺寸的颗粒数，块(bin)。 因此，该控制输出显示器338可包括由发光二极管(LED)阵列来点亮的条形图， 该发光二极管根据各颗粒尺寸来自相关计数器的输入值而依序点亮，以产生粒 径分布的柱状图。该条形图中不同粒径可具有不同的颜色。该输出值也可、或 者连接至一程序化计算机以在其银幕上显示粒径分布的柱状图。
该窗口比较电路336具有多个窗口比较器66和数字计数器68以计算在目 标范围内的对应于粒径的脉冲。在图6中，显示10个此类的块。然而，从1 至7微米的粒径之间以0.5微米的间隔可提供14块。若需要较小或较大的粒 径范围时可提供较少或较多的比较器和计数器，例如介于1至5μm的较窄病 原体大小范围。图8为说明粒径大小分布的柱状图的一实施例。虽然其显示从 1至19μm的分布范围，但是应了解可程序化控制输出显示器338以显如上所 述的1～7μm较窄范围或任何期望范围的粒径分布柱状图。该控制输出显示器 338的输出端也可连接至一视觉和/或听觉警报装置342，例如位于外壳前端上 的警示灯及蜂鸣器等。
可使用任何适合的软件来以产生该输出显示柱状图，例如德州Austin市 National Instruments Corporation供应的LabView软件。若一病原体或生物制剂 粒径范围内的计数量超过正常环境的预设浓度时，此软件也可用于产生启动警 报装置342的输出。此将有助于降低或甚至消除误报的危险。该计算机的输出 也可用于触发一更精细的生物制剂检测装置，例如一利用PCR技术的炭疽菌 检测仪。此结合检测法将具有成本效益以及将进一步降低误报的危险。
在本发明的一改良配置中，由于已知道用于处理此类物质的处理程序，并 已知对于该处理程序中所使用的仪器具有独特的识别尺寸分布模式，因此可将 该悬浮颗粒的尺寸分布的柱状图与已知的武器化生物制剂的分布图相比较。因 此，本发明的检测系统可提供可能来源的生物制剂制造商的鉴识信息。
如上所述，最可能被用于恐怖攻击的生物制剂的粒径范围介于1至7μm 之间。下表1显示疾病管制中心所记载的生物恐怖战剂种类的特性：
表1生物恐怖战剂的种类
  生物战剂   尺寸特性   炭疽菌   杆状：宽1.0-1.2微米，长3.0-5.0微   米(孢子1.0×1.5微米)   耶尔森氏杆菌(鼠疫)   隋圆形：1.0-2.0微米   肉毒梭状芽孢杆菌   杆状：宽0.8-1.3微米，长4.4-8.6微
  米   弗兰斯氏兔热菌   杆状：宽0.2微米，长0.7微米
环境空气中自然存在的大小约介于1至7微米的流体悬浮颗粒极微量且具 有恒定浓度。都会区域及突然发生的局部粉尘源的烟雾侵入粒径范围的峰值分 别为0.3微米和5微米。在花季时，空气中也可能存在花粉和其它的过敏原， 以及过敏原颗粒的大小介于约5至50微米之间。因此，这些天然的悬浮颗粒 中仅有少数落在生化战剂的粒径范围内(1至7微米)。此外，虽然霉菌具有约 1至5微米的粒径，但是在任何特定区域内的霉菌颗粒数通常不会突然地改变。 因此根据第四示例性实施方式的该检测系统301的设计可检测在此特定尺寸 范围内的粒径，并以0.5微米之间隔来产生代表该粒径检测范围的输出。任何 颗粒尺寸介于1至7微米内的悬浮颗粒数目的突然及区域性增加最可能为刻意 地释出侵略性生物战剂或病原体。该系统可设定为检测和储存所欲颗粒大小范 围内的颗粒天然背景浓度，然后利用此背景浓度作为其后输出柱状图的比较浓 度，以在检测到颗粒突然增加的情形时启动该警报器。图8的粒径分布柱状图 显示一可能的危险状态，在图中，介于1至7微米粒径范围内所检测的颗粒数 目已远超过正常值。
虽然如上所述的颗粒检测系统无法分辨特定的颗粒，但由于在正常都市空 气环境中，此目标范围内的悬浮颗粒通常相对较为稀少，故其可作为警告悬浮 生物战剂攻击的一种敏感和具成本效益的方法。大小落在此范围内的颗粒可能 侵入人类肺部而产生可能的伤害或甚至造成吸入者死亡。该警报装置342可对 附近民众提出警告而立刻进行疏散以减少暴露于该毒剂中的危险。
该检测系统301也可用于检测工厂中有害粉尘的危险程度。例如，有害石 绵纤维的大小约为5微米，其通常具有约5微米或更长的长度以及约1-2微米 的直径。若将大小介于1-5微米间的铍尘被吸入肺部时也会造成伤害。该检测 系统301可置于含石绵的建筑物内，或当建筑工人在此类建筑物内工作时，以 便在检测到1至5微米范围内的异常峰值时产生警告信号，其表示空气中存在 危险量的石绵纤维。同样，该检测系统301可置于制造含铍零件的工人的附近， 以便于当介于1至5微米的颗粒数目突然增加时产生警告信号，其表示铍尘可 能已达到危险的浓度。该检测系统301于正常情况下虽然无法分辨在该相同粒 径范围内的石绵或铍尘，但是当工作于石绵或铍环境下时若此粒径范围内的颗 粒突然增加应听从可能存在危险状态的指示立刻疏散该区域之后再作进一步 的检测。
同样，该检测系统301也可被用于无菌制造工厂，例如食品或医药制造厂， 以连续监控微生物的溢出，而可在第一时间采取紧急的补救措施。同样，该检 测系统301已被用作一持续监控系统，以便根据无尘室的要求，提醒工厂管理 人有关微生物检测的历史数据和趋势信息。
在上述检测系统301内，使用两阶段的检测及鉴别过程，该具有光学系统 310的系统首先将落在该包含目标粒径范围的预设角度范围以外的散射光除 去。接着，根据脉波高度来识别所测得输出脉冲，计算各高度的脉波数目并转 换成例如0.2微米内的粒径，并将结果显示为柱状图，并且每隔适当的时间间 隔便产生一新的柱状图以说明颗粒分布情形的改变。然而，除了以粒径分布柱 状图显示之外，该检测系统301的光学部分或可配置成仅将相当于1至7微米 粒径范围的散射光信号部分引导至检测器14，以及检测系统301的其余部分 则配置成当检测系统301的输出若超过一预设阀值时会发出一警告信号。此将 提供较不准确的输出，并且无法判断在该检测大小范围内的粒径识别，但若有 相当于已知悬浮病原体、过敏原或如铍尘或石绵等其它有害颗粒的大小范围内 的颗粒数目不寻常大量增加时，仍能产生一相对准确的警报。图3的光学系统 301仅需改良成可提供较大的中央阻挡区，以阻挡尺寸大于约7微米的颗粒的 散射光，并且该输出电路被改良成可在颗粒检测器366的输出端提供一阀值鉴 别器，以在该检测信号若高于所选择的阀值时，从该鉴别器提供一输出信号来 启动一警报器。
本发明的病原体检测器可用于各种用途。例如，病原体检测器可实施成现 场人员使用的电池供电式可携、手持检测器。在此情况下，其外壳可容纳光学 设备和依尺寸范围来计算颗粒的电路，以及具有用以显示各粒径的目前颗粒计 数的显示器，如一LED显示器。其也可包含一传输器，以传送无线信号至一 基地台。其也可包含一声音警报器及一用以提示激光电力不足的警示灯。也可 提供用于辨公大楼等建筑物内的独立式、桌上型仪器。此独立式、桌上型仪器 类似用于现场的机型，但其经由一AC/DC转换器而使用墙壁上的标准电源插 座来供电。在后者的情况，该检测器可提供对辨公桌上被生物战剂所污染的信 件或包裹的保护。
该检测器也可作为一多功能建筑物保全系统中的一部分，其包括置于不同 房间内并连接至中央监控计算机或控制台的多台检测器。可程序化该控制台以 监控各房间的颗粒数，及分析任何病原体大小颗粒的异常增加来源，以及预测 病原体颗粒在该建筑物内的可能散播模式。该检测器可利用实体线路相连接， 或具有无线电传送器以便将数据传送至中央控制台，以分析任何生物战剂颗粒 增加的来源以及任何生物战剂烟尘的可能扩散模式。
揭示于此处的流体悬浮颗粒检测器也可用于监控无尘室，以防可能的污染 和/或材料损失。
较大范围地利用检测系统301时，仅在符合下列两种情况之下启动该警报 装置342：(1)当检测到在预设粒径范围(约1至约7纳米)内的气悬颗粒数目突 然增加时；以及(2)当利用如下述的激光诱发荧光检测到生物有机体、生物战 剂或有机物质时。
粒径传感器本身具有环境颗粒误报的缺点。若该病原检测系统301为结合 有利用紫外线诱发荧光传感器以分辨生物性或非生生物性颗粒的颗粒尺寸测 定能力的生物有机体或生物战剂辨认检测器时，可进一步减少这些误报的情 形。本发明的检测系统301包括一第一光学检测器326和一具有激光诱发荧光 传感器以检测生物有机体的代谢物或如生物战剂等生物制剂的第二光学检测 器376。更明确而言，该光学系统310包括一可在约270至约410纳米波长， 较佳为在约350至约410纳米下操作的激发光源312。当生物制剂含有三种主 要代谢物：色胺酸，其通常约270纳米(在约220至约300纳米范围内)下发出 荧光；烟酰胺腺嘌呤双核苷(NADH)，其通常在约340纳米(从约300至约400 纳米范围)下发出荧光；以及核黄素(riboflavin)，其通常在约400纳米(从约320 至约420纳米范围)下发出荧光的情况下，选择约270至约410纳米波长。然 而，该激发光源312较佳为具有约350至约410纳米的波长。此波长确保可激 发生物制剂内上述三种主要代谢物中的两种，即生物制剂NADH和核黄素， 但不激发其它干扰物质，如柴油引擎废气和其它如粉尘或爽身粉等惰性颗粒。 因此，在第四实施例中，使激发光源312的明确选择的波长范围能够保留激发 NADH和核黄素的荧光的能力(上述激发色胺酸的能力)，同时不激发其它如柴 油废气等干扰物。此步骤可减少因柴油废气(可被如266纳米的光线等短UV 波长所激发)而产生的误报。
图9显示上述四种代谢物的荧光光谱。光谱分析，特别该利用不同激发波 长的光谱分析，可探测微生物的组成成分，并可将所产生的数据用于微生物的 检测和分类上。
该光学检测器326、376的输出端分别连接至除法器330A、330C，进而 经由放大器330A、330C和模拟数字转换器334连接至控制显示装置338，从 而连接至警报装置342。
必需强调的是，上述本发明实施例，特别指任何“较佳”实施例为可行的 实施例，仅为帮助更清础了解本发明的原理而作的说明。上述本发明的实施例 可进行许多不同的改良，但其实质上仍未偏离本发明的精神和原理。全部此类 的改良和变化均属于本文公开内容及本发明范围内，并且受到下列权利要求书 的保护。
相关申请
本申请要求享有2005年7月15日提交的未诀的美国临时申请的权益，该 申请的序列号为60/700,008，题目为“Pathogen and Particle Detector System and Method”，在此引入其全部内容作为参考。