專利名稱：沉積、檢測和鑒別威脅物質(zhì)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請通常涉及4企測和鑒別有害物質(zhì)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
威脅物質(zhì)的使用對人體和經(jīng)濟(jì)健康產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。該威脅還伴有枱r 測使用所述物質(zhì)的有限能力。現(xiàn)有技術(shù)中的檢測策略依賴于獨(dú)立的檢測和 鑒別威脅物質(zhì)的儀器。檢測空氣中的物質(zhì)的常規(guī)方法包括相對無特異性的 光學(xué)和光i普檢測方法，包括激光散射、紫外激光誘導(dǎo)熒光(UV-LIF)和激 光誘導(dǎo)分解光語(LIBS )。常規(guī)的鑒別威脅物質(zhì)的方法包括濕化學(xué)方法或 光語法?；谠噭┑蔫b別生物威脅物質(zhì)的方法包括例如特異性抗體、遺傳 標(biāo)記物和培養(yǎng)繁殖的方法。盡管其高度特異性，但是這些鑒別方法耗時、 耗力而且昂貴。用于鑒別的光i普法作為基于試劑的鑒別方法的替換方案， 包括質(zhì)譜、紅外光語、拉曼光譜和成像光鐠。質(zhì)語受到背景干擾靈敏度的 限制。紅外光譜顯示了低靈敏度。拉曼光譜可以在幾種不同的設(shè)備中進(jìn) 行，包括普通拉曼光譜、UV共振拉曼光譜、表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS) 和非線性拉曼光語。盡管普通拉曼光語顯示對檢測空氣中的物質(zhì)具有足夠
的靈敏度和特異性，但是其他形式的拉曼光譜的靈敏度、特異性或信號強(qiáng) 度不夠?，F(xiàn)有技術(shù)的成像光譜收到以下需求的局限，即需要從用于光成像 的寬帶光源轉(zhuǎn)換至基本為單色的光源以進(jìn)行光譜成像。其導(dǎo)致檢測和鑒別 之間的時間較長，在此過程中樣品可能會降解。
本公開內(nèi)容描述了一種采用拉曼光i普和拉曼成像光譜的不需要試劑 的傳感器，在樣品沉積的同時，才企測和鑒別樣品。本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方 法可以觸發(fā)模式或鑒別模式工作。本公開內(nèi)容描述了一種通過使用單個照 明源減小系統(tǒng)和方法的復(fù)雜性的方案。
簡介本公開內(nèi)容提供了 一種將威脅物質(zhì)的樣品沉積在基底上的系統(tǒng)和方 法。在將威脅物質(zhì)的樣品沉積在基底的基本同時，檢測和鑒別所述威脅物 質(zhì)。可選地，采用纖維陣列光鐠轉(zhuǎn)換器來收集適于鑒別所述威脅物質(zhì)的空 間分辨拉曼光譜，所述轉(zhuǎn)換器將含有樣品的基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)化為 偶聯(lián)至分光計的入射狹縫的曲線映射。
在一個實施方式中，通過單個照明源用大量光子照射沉積在基底上的 威脅物質(zhì)，由此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子。可以通過采用彈性散 射成像形成威脅物質(zhì)的圖像，來分析由位于基底上的威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性 散射光子，以及采用拉曼光譜分析由基底上的威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光 子，從而對威脅物質(zhì)進(jìn)行鑒別。拉曼光鐠可以與至少一個參照拉曼庫光語 進(jìn)行比較，以鑒別威脅物質(zhì)。對拉曼散射光子的分析可能進(jìn)一步包括產(chǎn)生
位于大約0cm"至大約3500cm—1的拉曼位移范圍內(nèi)的拉曼光譜，光譜分辨 率小于20cm"。分析拉曼散射光子可能進(jìn)一步包括產(chǎn)生同時位于大約0cm—1 至大約3500cnT1的拉曼位移范圍內(nèi)的多個空間獨(dú)立的圖像通道，全光譜的 分辨率低于20 cm"。
在一個實施方式中，對威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子的分析包括采用 下述一個裝置自動聚焦威脅物質(zhì)在基底上的圖像與反饋控制機(jī)構(gòu)一起使 用的CMOS檢測器、CCD檢測器或高幀速數(shù)字檢測器。拉曼散射光子的 分析還可以包括將拉曼散射光子通過一裝置，以產(chǎn)生多個空間分辨的拉曼 光鐠，所述裝置選自可調(diào)濾波器、帶通濾波器、液晶可調(diào)濾波器、干涉計、 聲波光學(xué)可調(diào)濾波器和分散光學(xué)裝置。拉曼散射光子的分析還可以包括4吏 拉曼散射光子通過以下中的一個行掃描分光計、多點(diǎn)分光計、單點(diǎn)分光 計和區(qū)域成^象分光計。
在一個實施方式中，采用一光學(xué)系統(tǒng)收集彈性散射光子和拉曼散射光 子，其中所述照明源位于光路上，基底沿一平面設(shè)置，其中光路或沉積設(shè) 備相對于基底平面的角度不等于90°。
在一個實施方式中，沉積和鑒別威脅物質(zhì)的系統(tǒng)和方法以觸發(fā)才莫式枱r 測威脅物質(zhì)的存在與否，以鑒別模式鑒別所述威脅物質(zhì)。觸發(fā)模式可以采 用觸發(fā)時間階段，鑒別模式可以采用鑒別時間階段，其中觸發(fā)時間階段低 于鑒別時間階段。在一個實施方式中，在觸發(fā)模式檢測到威脅物質(zhì)的存在 時啟動鑒別膜式。在鑒別模式的操作中，可能會積累額外量的威脅物質(zhì)。 在一個實施方式中，可以在觸發(fā)模式檢測到威脅物質(zhì)的存在的基本同時，啟動鑒別模式。
可以采用超聲沉積、電噴和將威脅物質(zhì)慣性沖擊至基底上，從而將威 脅物質(zhì)沉積在基底上。在一個實施方式中，將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上 包括將至少50個顆粒沉積在基底上。將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上可以 包括從有限的環(huán)境或外部環(huán)境中收集空氣。
威脅物質(zhì)可以為有害物質(zhì)，包括細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、 真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射材料和爆炸材料和/或可以為空氣中的顆粒物質(zhì)或 氣溶力交物質(zhì)。
根據(jù)另 一方面，本公開內(nèi)容提供了 一種將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上 的系統(tǒng)和方法。單個照明源用大量光子照射沉積在基底上的威脅物質(zhì)，由 此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子。鑒別基底上的威脅物質(zhì)。所述系統(tǒng) 和方法在觸發(fā)模式檢測威脅物質(zhì)的存在與否，在鑒別模式鑒別威脅物質(zhì)。 可選地，采用纖維陣列光譜轉(zhuǎn)換器來鑒別威脅物質(zhì)，所述轉(zhuǎn)換器將含有樣 品的基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)化為偶聯(lián)至分光計的入射狹縫的曲線映 射。
將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上可以發(fā)生在鑒別基底上的威脅物質(zhì)之 前?？梢栽趯⑼{物質(zhì)樣品沉積在基底之前筌別基底的背景水平。在該實 施方式中，鑒別基底上的威脅物質(zhì)幾乎在將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底的同 時或者之后。
根據(jù)另 一方面，本公開內(nèi)容提供了 一種將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上 的系統(tǒng)和方法。通過采用彈性散射成像形成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，對 威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子進(jìn)行分析，從而視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上 的沉積，其中威脅物質(zhì)的沉積基本與一見覺)f見察威脅物質(zhì)的沉積同步。分對斤
威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子可以包括采用CMOS檢測器、CCD檢測器 或高幀速數(shù)字檢測器與反饋控制機(jī)構(gòu) 一起將威脅物質(zhì)在基底上的圖像自 動聚焦?？梢酝ㄟ^光學(xué)系統(tǒng)收集彈性散射光子，其中所述光學(xué)系統(tǒng)相對于 基底定位，相對于基底的位置移動，從而聚焦威脅物質(zhì)在基底上的圖像。 通過模式編碼和幀平均，去除照明源的干擾圖案，可以提高威脅物質(zhì)在基 底上的圖像的對比度。不需采用分光計，視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉 積。
根據(jù)另 一方面，本公開內(nèi)容提供了 一種將威脅物質(zhì)沉積在基底上的系 統(tǒng)和方法。單個照明源用大量光子照射基底上的威脅物質(zhì)，從而產(chǎn)生彈性
16散射光子。通過采用彈性散射成像形成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，從而分 析威脅物質(zhì)在基底上的沉積，來視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積。
根據(jù)另 一方面，本公開內(nèi)容提供了 一種鑒別沉積在基底上的威脅物質(zhì) 樣品的系統(tǒng)和方法。第一光學(xué)收集裝置收集至少以下一個威脅物質(zhì)產(chǎn)生 的彈性散射光，和威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光。第二光學(xué)收集裝置收集威 脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光，其中第二光學(xué)收集裝置包括被牽引至一維纖維 組的兩維非線性光纖陣列，所述轉(zhuǎn)換器將非線性視野轉(zhuǎn)化為曲線映射，其 中所述線性纖維組偶聯(lián)至分光計的入射狹縫。采用拉曼光譜法筌別沉積在 基底上的威脅物質(zhì)。
根據(jù)另 一方面，本公開內(nèi)容提供了鑒別沉積在基底上的威脅物質(zhì)樣品 的系統(tǒng)和方法。通過照明源用大量光子照射威脅物質(zhì)，由此產(chǎn)生被威脅物 質(zhì)透射、反射、發(fā)射或者拉曼散射的光子。 一光學(xué)系統(tǒng)收集威脅物質(zhì)產(chǎn)生 的彈性散射光子和至少一個被威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或者拉曼散射的 光子，其中所述照明源位于光路上，所述基底位于一平面內(nèi)，在所述平面
內(nèi)，光路或沉積設(shè)備相對于所述基底平面成不是90。的角。將以下的至少 一個通過相掩模，從而延伸光學(xué)系統(tǒng)的景深彈性散射光子和被威脅物質(zhì) 透射、反射、發(fā)射或者拉曼散射的光子。 附圖的簡要說明
為了進(jìn)一步理解本公開內(nèi)容并結(jié)合和構(gòu)成說明書 一部分的以下附圖 描述了本公開內(nèi)容的實施方式，并與說明書一起用于解釋本公開內(nèi)容的原理。
在附圖中
附
圖1描述了用于本公開內(nèi)容的一系統(tǒng)； 附圖2描述了用于本^^開內(nèi)容的系統(tǒng)的裝置；
附圖3A和3B描迷了本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的彈性散射圖像； 附圖4A、 4B、 4C和4D描述了采用本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法的4立曼 成像分析；以及
附圖5描述了采用本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法的^^測和鑒別的預(yù)測靈每丈度。
實施方式的描述
現(xiàn)在詳細(xì)參照本公開內(nèi)容的實施方式，所述例子在附圖中描述。只要 可能，在附圖中對于相同或類似的部分采用相同的附圖標(biāo)記。
17附圖1描述了可以用于實施本公開內(nèi)容的方法的系統(tǒng)100。系統(tǒng)IOO 包括沉積裝置101和檢測裝置113。沉積裝置可以包括向周圍環(huán)境102開 放的空氣進(jìn)入口 104、收集器106、濃集器108、樣品109、沉積基底110 (例如光盤)、基底平面111和基底定位機(jī)構(gòu)112。鑒別裝置113包括第 一光學(xué)系統(tǒng)114、可選的相掩;溪115、分束器116、第二光學(xué)系統(tǒng)117、光 路19、彈性散射圖像檢測器118、照明源122、分色器130、反射鏡124、 光語;險測器126、分光計127和具有光譜庫130的處理器128。
如附圖l所示，從周圍環(huán)境102中收集樣品，并濃縮。所述樣品可以 包括空氣中的顆粒物質(zhì)或氣溶膠物質(zhì)。周圍環(huán)境102包括有限的環(huán)境和外 部環(huán)境。有限的環(huán)境包括建筑物、存儲容器、飛機(jī)、火車或其他大型運(yùn)輸 工具和人呼吸系統(tǒng)。為了從有限環(huán)境中收集空氣，系統(tǒng)IOO連接至建筑物、
運(yùn)輸工具或存儲容器的將空氣循環(huán)至有限環(huán)境的空氣調(diào)節(jié)或加熱系統(tǒng)。
系統(tǒng)100收集和鑒別的樣品包括威脅物質(zhì)。威脅物質(zhì)包括有害物質(zhì)和 包括細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射材料和爆 炸物質(zhì)。細(xì)菌包括炭疽桿菌、鏈球菌、葡萄球菌、埃希氏桿菌屬、歐文氏 菌屬和假單胞菌屬。病毒包括選自天花、流感和愛博拉病毒的致病病毒。
生物毒素包括蓖麻毒素。有害物質(zhì)為可以引起動物例如人發(fā)生疾病、損 傷、不適、痛苦或死亡的任意物質(zhì)。
可以采用多種裝置收集和濃縮樣品。在一個實施方式中，采用氣溶膠 收集器和有效沖擊器收集樣品，所述沖擊器消除空氣并濃縮樣品。在第二 實施方式中，采用氣溶膠收集器和液體濃縮器收集樣品。所述收集和濃縮 過程以若干分之幾秒至幾分鐘的速度發(fā)生，其依賴于收集氣體的速度。濃 縮的樣品接下來被沉積在基底的表面?？梢圆捎脩T性撞擊、超聲沉積和電 噴沉積，將樣品沉積在基底的表面。
在一個實施方式中，采用超聲沉積將樣品沉積在基底上。在一個實施 方式中，可以采用濕壁旋風(fēng)收集器收集氣溶膠和顆粒物質(zhì)?？梢赃B接至包 括水存儲罐的存儲池的含有分析物的流體可以用于向超聲噴頭液體入口
提供含有分析物的流體。所述超聲噴頭還可以含有壓縮空氣入口，從而將 流體沉積集中在基底表面上。還可以采用超聲噴射裝置在相同的空間位置 上實現(xiàn)多次噴涂，從而增加在所需的視野內(nèi)的分析物濃度。在一個實施方 式中，可以采用例如紐約密爾頓的Sono - Tek公司生產(chǎn)的超聲噴射裝置來 實施本7>開內(nèi)容。所述沉積裝置將多個樣品顆粒109沉積在基底110上。在一個實施方
式中，至少一個樣品顆粒沉積在基底上。在另一實施方式中，至少so個
樣品顆粒沉積在基底上。在另一實施方式中，至少大約50-250個樣品顆粒 沉積在基底上。在另一實施方式中，至少大約250-2500個樣品顆粒沉積在 基底上。在另一實施方式中，至少大約2500-10000個樣品顆粒沉積在基底 上。在另一實施方式中，至少大約10000-100000個樣品顆粒沉積在基底 上。在另一實施方式中，至少大約100000-1000000個樣品顆粒沉積在基底 上。
進(jìn)一步參見附圖1,系統(tǒng)100釆用單個照明源122,其沿著光路119, 用大量光子照射樣品，由此產(chǎn)生彈性散射光子和經(jīng)樣品透射、反射、發(fā)射 或拉曼散射的光子。在一個實施方式中，照明源用大量光子照射樣品產(chǎn)生 彈性散射光子和拉曼散射光子。照明源包括低功率激光器。CA, Santa Clara 的Coherent 乂>司或CA, MountainView的Newport ^>司的Spectra — Physics 分部生產(chǎn)的低功率激光器是合適的。在一個實施方式中，照明源122的光 路119與兩維基底110限定的平面111之間的角度不等于90。。在另一實 施方式中，沉積裝置101與兩維基底110限定的平面111之間的角度不等 于90。。
進(jìn)一步參考附圖1,系統(tǒng)IOO具有第一光學(xué)系統(tǒng)114。在一個實施方 式中，光學(xué)系統(tǒng)114收集樣品產(chǎn)生的彈性散射光子。在第二實施方式中， 光學(xué)系統(tǒng)114收集樣品產(chǎn)生的彈性散射光子和拉曼散射光子。在第三實施 方式中，光學(xué)系統(tǒng)114收集彈性散射光子和樣品透射、反射、發(fā)射或拉曼 散射產(chǎn)生的至少一個光子。
進(jìn)一步參考附圖1,系統(tǒng)100可以包括一相掩才莫115。樣品透射、反 射、發(fā)射或拉曼散射產(chǎn)生的至少一個光子通過相掩才莫115,從而其被用于 延伸光學(xué)系統(tǒng)的景深。
系統(tǒng)100的一個實施方式可以包括第二光學(xué)系統(tǒng)、纖維陣列轉(zhuǎn)換器 ("FAST")。參照附圖2， FAST系統(tǒng)200包括第一透鏡206、照明源 208、第一濾光器210、第二濾光器212、第二透鏡214、纖維束的第一端 216和與分光計220連接的纖維束的第二端218,第一透鏡206作為將照 明源聚焦至樣品204并在除了激光器波長之外的波長處收集彈性散射光子 之外所有光子的收集透鏡；其包括樣品發(fā)射或拉曼散射的光子。樣品透射 或反射的光子可以與激光器具有相同的波長，^C濾光器元件212阻斷。透
19鏡206將樣品產(chǎn)生的光子準(zhǔn)直并投射所述光子至無限遠(yuǎn)。第二透鏡214與 第 一透鏡206 —起在第二透鏡214的終焦平面形成圖像。纖維束的第 一端 216由兩維纖維束非線性陣列組成。纖維束的第二端218由纖維束的曲線 陣列組成，其中所述曲線可以包括直線和曲線構(gòu)造。
在本公開內(nèi)容的一個實施方式中，系統(tǒng)IOO利用彈性散射成像檢測器 118,通過分析樣品產(chǎn)生的彈性散射光子，視覺觀察樣品在基底上的沉積 并形成圖像。所述圖像用于評價樣品的沉積密度、形狀和聚焦。在一個實 施方式中，為了視覺觀察沉積，在沒有成像分光計的情況下采用彈性散射 成像。在第二實施方式中，系統(tǒng)IOO采用彈性散射成像檢測器118和鑒別 樣品的分光計127。在一個實施方式中，采用單個低功率照明源鑒別樣品， 同時進(jìn)行彈性散射成像才全測和光譜鑒別。
進(jìn)一步參考附圖i,彈性散射成像檢測器118由下列一個組成CMOS 檢測器、CCD檢測器和高幀速數(shù)字檢測器。所述系統(tǒng)采用檢測器118以及 反饋和控制機(jī)構(gòu)自動將樣品聚焦于收集光學(xué)部件。在一個實施方式中，光 學(xué)系統(tǒng)114的光收集物鏡相對于基底的位置移動，將樣品的圖像聚焦于基 底。分光計127可以采用例如CCDs、 CMOS、 CIDs (電荷注入裝置)、 二極管陣列、光電倍增管(PMT) 、 PMT陣列、雪崩光電二極管的檢測器。
在本公開內(nèi)容的一個實施方式中，樣品的彈性散射成像收集在檢測器 上，采用模式編碼和幀平均除去照明源的干擾圖樣，提高圖像的對比度， 從而產(chǎn)生最終圖像。附圖3A和3B描述了本公開內(nèi)容的系統(tǒng)的一個實施方 式所獲得的人上皮細(xì)胞的彈性散射圖像。低功率激光源照射人上皮細(xì)胞的 樣品，產(chǎn)生樣品的彈性散射圖像，其生成了高橫截面彈性散射圖像信號。 然而，彈性散射圖像典型地被激光器干擾圖樣掩蓋。通過模式編碼和帕平 均除去激光器千擾圖樣。如附圖3A所示，由于存在激光器干擾(即斑點(diǎn)) 圖樣，其掩蓋了用于捕獲圖像的20倍物鏡的視野內(nèi)的固有低對比度細(xì)胞 物體的存在，人上皮細(xì)胞不能輕易地被觀察到。如附圖3B所示，采用纖 維光學(xué)系統(tǒng)對橫穿的模式進(jìn)行編碼，其可以有效地使單色激光不相干，由 此可以很容易地觀察到細(xì)胞。對多個圖像進(jìn)行時間平均，通過有效地抑制 相干的激光斑點(diǎn)圖案，增強(qiáng)細(xì)胞圖像的對比度。為了獲得附圖3B的圖像， 以每秒30幀的速度，收集10個圖像。
在本公開內(nèi)容的另一實施方式中，采用一光學(xué)系統(tǒng)收集散射的光子， 從而獲得樣品的彈性散射圖像，其中照明源122的光路或沉積裝置101與兩維基底110所限定的平面111之間的角度不等于90。。在一實施方式中， 通過操作物鏡來實現(xiàn)，所述物鏡以偏離基底平面60。收集彈性散射光子。 該實施方式產(chǎn)生了位于焦點(diǎn)的有限矩形感興趣區(qū)域，但是該感興趣的區(qū)域 小于物鏡的視野。為了補(bǔ)償感興趣的焦點(diǎn)外區(qū)域，可以采用延伸的景深 (EDF)光學(xué)補(bǔ)償，在顯微鏡物鏡的全視野內(nèi)成像。為了實施EDF, —相 掩沖莫位于彈性散射圖像收集光路上，對不相干光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)(PSF)對散焦不敏感，同時形成在其通帶內(nèi)沒有O值區(qū)域的光 轉(zhuǎn)換函數(shù)(OTF)。由于OTF沒有0區(qū)域，可以采用數(shù)字處理來修復(fù)取樣 的中間圖像。進(jìn)一步，由于OTF對散焦不敏感，相同的數(shù)字處理修復(fù)了所 有散焦值的圖像。該組合光學(xué)/數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生了與衍射有限PSF具有可比 性的PSF,但是在大得多的聚焦區(qū)域內(nèi)。典型地，可以實現(xiàn)DOF的8倍增 加。
在另一實施方式中，系統(tǒng)IOO利用分光計127和彈性散射成像檢測器 118鑒別樣品。采用彈性散射成像分析由威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子， 從而得到樣品在基底上的成像。在一個實施方式中，采用分光計利用光鐠 法分析至少一個被樣品透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。在另一實 施方式中，采用分光計利用光語成像產(chǎn)生多個空間分辨的光譜，分析至少 一個被樣品透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。分光計可以在一個或多 個以下光語范圍內(nèi)操作紫外(UV)、可見、近紅外和中紅外。分光計 可以基于以下檢測模態(tài)收集圖像透射或反射模式的UV、可見、近-IR 或中-IR吸收成像；拉曼散射成像；熒光；光致發(fā)光；化學(xué)發(fā)光；和電發(fā) 光成像。分光計可以與偏振光顯微術(shù)和/或差分干涉強(qiáng)反差成像一起操 作。樣品透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子通過濾光器，產(chǎn)生多個空間 分辨的光譜。所述濾光器可以為可調(diào)濾光器、帶通濾光器、液晶可調(diào)濾光 器、干涉儀、聲波光學(xué)可調(diào)濾光器或擴(kuò)散光學(xué)裝置。透射、反射、發(fā)射或 拉曼散射的光子可以通過分光計，其可以是行掃描分光計；多點(diǎn)分光計； 單點(diǎn)掃描分光計；區(qū)域成像分光計。在一實施方式中，所述分光計可以用 于成像模式，從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的光譜。在另 一實施方式中，分光計可以用于非成像;漠式，將所有在成像才莫式中收集的 光鐠進(jìn)行綜合，從被照明源照射的樣品體積形成復(fù)合光譜。在另一實施方 式中，分光計可以用于非成像;漢式，收集從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生 的復(fù)合光譜。在一實施方式中，分光計包括分析樣品產(chǎn)生的拉曼散射光子的拉曼成
像分光計。在一個實施方式中，拉曼成像分光計產(chǎn)生位于0-3500cm"的拉 曼位移范圍內(nèi)任何地方的拉曼光譜，其全光譜分辨率低于20cnT、在一實 施方式中，拉曼成像分光計在0-3500cm"的拉曼位移范圍內(nèi)同時捕獲多個 空間獨(dú)立的光語，直至1000,其全光譜分辨率低于20(^1-1。在一實施方式 中，分光計包括拉曼線性成像分光計。在另一實施方式中，分光計包括擴(kuò) 散拉曼線性成像分光計。
在一實施方式中，釆用分光計與一纖維陣類光譜轉(zhuǎn)換器鑒別樣品。參 照附圖4,在Chemlmage FALCON II拉曼顯微鏡上，從由卵白蛋白(Ova) 和柴油機(jī)煙灰(DS )組成的物理樣品混合物中，收集多個拉曼光譜。采用 相干纖維光束(FAST )，將從樣品收集的空間分辨拉曼光譜映射到FALCON II的擴(kuò)散拉曼分光計的入口狹縫。采用FAST,圖像的圓形視野被轉(zhuǎn)化為 映射至分光計的入口狹縫的曲線形狀。該方法的優(yōu)點(diǎn)包括快速收集全圖像 光語超立方體，而不需要空間或光譜掃描機(jī)構(gòu)。由于多拉曼光譜可以在寬 視野內(nèi)被捕獲到，而不需要對激光器進(jìn)行重新設(shè)置，可以將熒光光致漂白 時間降至最低。另外，空間分辨的拉曼光譜對樣品混合物的局部不均勻性 進(jìn)行繪圖，其能夠使基于目標(biāo)檢測的光譜不混合。因此，如果實現(xiàn)信噪比 的足夠降低，可以實時分析樣品混合物。附圖4A描述了在IOO倍物鏡放 大倍數(shù)下，Ova/DS的光學(xué)圖像。附圖4B描述了代表混合物樣品的平均響 應(yīng)的分散拉曼光譜，附圖4C顯示了采用FAST從樣品收集的七個空間分 辨的分散拉曼光譜。附圖4D顯示了在分光計的焦平面內(nèi)收集的分散拉曼 光"i普圖^象。沿著焦平面的y軸的所述七個獨(dú)立空間通道圖^象和沿著x軸的 拉曼光譜清晰可見。
在另 一 實施方式中，系統(tǒng)100將利用相掩模115延伸所述光學(xué)系統(tǒng)的 景深。在該實施方式中，樣品109沉積在基底110上。通過照明源112沿 著光路119用大量光子照射樣品，產(chǎn)生彈性散射光子和至少一個被樣品透 射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。所述樣品可以包括威脅物質(zhì)。 一光學(xué) 系統(tǒng)收集樣品產(chǎn)生的彈性散射光子和至少一個^^威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā) 射或拉曼散射的光子。照明源122沿著光路119設(shè)置，所述基底110沿著 平面lll設(shè)置，其中，光語與基底平面111之間的角度不等于90。。在另 一實施方式中，沉積裝置101與基底平面111的角度不等于90。。將至少 以下一個通過相掩才莫115從而延伸光學(xué)系統(tǒng)的景深彈性散射光子，和至
22少一個被威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。至少部分基于相 掩模115的輸出，通過(1 )采用彈性散射成像118形成樣品的圖像，對
彈性散射光子進(jìn)行分析；和(2)采用光譜成像126,產(chǎn)生大量的空間分辨 光譜，分析至少一個被樣品透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子，從而鑒 別樣品。透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子將通過一濾光器，產(chǎn)生大量 的空間分辨光譜。樣品沉積和薟別將如以下發(fā)生基本同時；沉積在鑒別 之前；背景鑒別之前進(jìn)行沉積，所述沉積幾乎與鑒別同時或者在此之前。
本公開內(nèi)容的方法提供了對樣品的沉積、視覺觀察和鑒別。在一個實 施方式中，在樣品沉積至基底表面的基本同時，該樣品#皮碎見覺觀察和鑒 別。在第一顆粒沉積至沉積的顆粒密度足以產(chǎn)生可測量的信號從而允許通 過成l象分光計才企測和鑒別樣品的若干分之幾秒的時間內(nèi)發(fā)生所述沉積過 程。本公開內(nèi)容的系統(tǒng)顯示在用照明源照射之后的短至IO秒內(nèi)可以觀察 到可測量的信號，其足以通過拉曼成像光譜技術(shù)視覺觀察和鑒別樣品。在 一個實施方式中，在5分鐘鑒別模式的檢測器視野中，觀察和鑒別所需的 顆粒密度為20個樣品顆粒沉積在基底上。在另一實施方式中，足夠的顆 粒密度可以為小至基底上沉積1個樣品顆粒。對于生物氣溶膠，樣品為單 個孢子或細(xì)胞或細(xì)胞聚集物。單個細(xì)胞產(chǎn)生可測量的拉曼信號，其中產(chǎn)生 可測量信號的拉曼過程的時間在被照明源照射之后的千萬億分之一秒的 時間內(nèi)開始。因此，可以預(yù)見單個細(xì)胞的即時沉積、觀察和鑒別。
在本公開內(nèi)容的方法中使用的系統(tǒng)100提供了對威脅物質(zhì)的沉積和鑒 別。在一優(yōu)選實施方式中，顆粒樣品沉積幾乎與顆粒樣品的鑒別同時發(fā) 生。對于該應(yīng)用的目的，術(shù)語"基本同時"是指樣品沉積幾乎與樣品鑒別 發(fā)生在相同時間，理想地是，在沉積和筌別過程中，不需要將樣品基底相 對于沉積裝置或者;f全測^:備重新定位。在一個實施方式中，當(dāng)樣品一皮照明 源連續(xù)照射，分析物沉積在基底和鑒別之間的時間短至IO秒。在另一實 施方式中，樣品基底的背景水平測量之后進(jìn)行樣品沉積，其幾乎與樣品鑒 別同時，或在此之前。
在另一實施方式中，系統(tǒng)IOO用于本公開內(nèi)容的方法中，以提供沉積
和對威脅物質(zhì)進(jìn)行視覺觀察。在優(yōu)選實施方式中，顆粒樣品沉積與視覺觀 察顆粒樣品基本同時。出于該應(yīng)用的目的，術(shù)語"基本同時"是指樣品沉 積與樣品觀察發(fā)生在幾乎相同的時間，理想地，在沉積和觀察過程中，不
需要將樣品基底相對于沉積裝置或者檢測設(shè)備重新定位。在一個實施方式
23中，當(dāng)樣品被照明源連續(xù)照射，分析物沉積在基底和觀察之間的時間短至 10秒。在另一實施方式中，顆粒樣品的觀察在顆粒樣品沉積之后。在另一 實施方式中，樣品基底的背景水平測量之后進(jìn)行樣品沉積，其與樣品觀察 基本同時，或在此之前。
系統(tǒng)IOO可以觸發(fā)模式或者鑒別模式工作。觸發(fā)模式檢測威脅物質(zhì)的
存在與否。觸發(fā)才莫式具有觸發(fā)時間階段。觸發(fā)時間階段可以為若干分之幾
秒至大約60秒。在高濃度的威脅物質(zhì)時，觸發(fā)時間階段可以是基本即時 的。 一分鐘或更小的觸發(fā)循環(huán)時間允許對環(huán)境進(jìn)行動態(tài)采樣，從而^r測威 脅的開始，并控制高度可變的背景條件。
鑒別沖莫式鑒別威脅物質(zhì)，具有鑒別時間階段。在一個實施方式中，觸 發(fā)時間階段小于鑒別時間階段。在另一實施方式中，在觸發(fā)才莫式檢測到威 脅物質(zhì)的存在時，啟動鑒別模式。在另一實施方式中，在觸發(fā)模式檢測到 威脅物質(zhì)的存在的基本同時，啟動鑒別才莫式。在另一實施方式中，當(dāng)系統(tǒng) 在鑒別模式操作時，積累額外量的樣品。
如果啟動觸發(fā)模式，根據(jù)系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)100改變至確認(rèn)模式。在確 認(rèn)模式中，在通過成像系統(tǒng)探詢樣品的連續(xù)5分鐘期間，連續(xù)收集和沉積 額外的顆粒。不需要移動或排列樣品；從觸發(fā)到確認(rèn)之間的轉(zhuǎn)換是即時 的。在確認(rèn)時間內(nèi)，由于連續(xù)的收集，檢查所有顆粒。
系統(tǒng)100還包括確定操作;溪式和鑒別樣品的處理器128。當(dāng)系統(tǒng)100 在觸發(fā)才莫式或確認(rèn)^t式操作時，所述處理器采用不同的算法。在一個實施 方式中，所述算法包括恒定虛警率算法。其他算法包括目標(biāo)測試、Bayesian 算法和基于Mahalanobis距離的匹配過濾算法。樣品鑒別的方法在以下中 公開題為"光語分析的鑒別組分的方法"的于2004年3月29日提出的 美國專利申請No.lO/12233;題為"多模式檢測的方法和設(shè)備"的于2005 年7月14日提出的PCT國際申請No.PCT/US05/013036;以及題為"Forensic integrated search technology ( FIST )"的于2005年7月9日提交的美國臨 時專利申請No.60/688812,上述申請通過引用的方式全文結(jié)合至本文。
為了鑒別樣品，將成象分光計產(chǎn)生的多個空間分辨的光譜與至少 一個 參考庫光譜進(jìn)行比較，以鑒別所述威脅物質(zhì)。在一個實施方式中，多個空 間分辨的光譜與至少 一個參考拉曼庫光譜進(jìn)行比較，以鑒別所述威脅物 質(zhì)。
在一個實施方式中，處理器128利用目標(biāo)檢測，從而對信號不進(jìn)行混合，并自動相對于純組份信號庫搜索測量的混合物光譜?；谀繕?biāo)檢測的 光譜未混合將混合物光譜與純組份庫光譜進(jìn)行比較，采用主成分分析
(PCA)對混合物空間進(jìn)行表征；將它們的混合物數(shù)據(jù)空間擬合優(yōu)度進(jìn)行 定量，從而對庫光譜排列等級；對混合物樣品中存在的純光譜的數(shù)量進(jìn)行 目標(biāo)檢測和鑒別，從而進(jìn)行確定。
進(jìn)一步參考附圖4，采用歐幾里得距離(Euclidian Distance, ED)匹 配過濾鑒別算法，對樣品進(jìn)行分類。所述ED算法假設(shè)樣品為純的組分， 這是不精確的假設(shè)。當(dāng)采用目標(biāo)檢測光譜未混合算法對空間分辨的分散拉 曼光語進(jìn)行分析時，由于它們的拉曼光語類似性，混合物樣品被正確地分 類為由Ova和含碳材料組成，包括DS和腐植酸的材料類型。 目標(biāo)檢測算法包括以下一般步驟；
i) 對混合物光語采用PCA,對混合物數(shù)據(jù)空間進(jìn)行表征。 11) 用混合物數(shù)據(jù)空間，計算每個庫光i普的投射角。矢量與n維空 間的點(diǎn)積。1.0的點(diǎn)積表示完全擬合所述數(shù)據(jù)空間。
iii) 通過投射至混合物數(shù)據(jù)空間的角度，對所有庫光語進(jìn)行排列等級。
iv) 根據(jù)角度排列的等級，考慮最匹配的所有排列。確定n個最可 能的候選純組分。產(chǎn)生所有可能的m個組分方案，其中m為l 到n,為給定方案中的庫光譜數(shù)。
v) 對于每個候選方案，計算相關(guān)系數(shù)；對每組m組份庫光語(給 定的已知混合物光語和已知的庫光譜)計算投射的庫光語。計 算每個投射的庫光語與實際的庫光語的相關(guān)系數(shù)。所采用的作 為選擇準(zhǔn)則的相關(guān)系數(shù)為給定m組分方案的每個組員的點(diǎn)積平 方和的平方根。
vi) 最可能的方案為具有最高相關(guān)系數(shù)的方案。
目標(biāo)檢測算法要求支持區(qū)分威脅物質(zhì)、近鄰以及獨(dú)立于物質(zhì)生長或制 備條件的雜亂信號和取樣歷史的拉曼信號庫。威脅物質(zhì)的拉曼光譜包括對 生長條件高度敏感的特定光譜帶和其它對生長條件相對不敏感的光譜 帶。檢測和鑒別算法將集中于使物質(zhì)區(qū)分最大但是對生長條件敏感性最小 的光譜帶。其可以使信號庫對不需要的對變異性的生物貢獻(xiàn)的依賴性減至 最低。
進(jìn)一步參考附圖i,系統(tǒng)100包括沉積基底110和基底定位機(jī)構(gòu)112?；?10供在預(yù)定位置上沉積大量的樣品?；?10包括光盤(CD)結(jié)構(gòu) 或任何類似的圓形或非圓形、基本平的金屬或非金屬表面?；?10能夠
將拉曼激光器自動聚焦至基底上。在一個實施方式中，基底包括標(biāo)準(zhǔn)音頻
CD尺寸，從而所述基底允許在標(biāo)準(zhǔn)120mm直徑的CD上收集大約1800 個樣品。系統(tǒng)100還包括能夠容納25個基底的存儲單元，從而能夠支持 30天的采樣，在30天內(nèi)在每個基底上采集1800個樣品，從而得到43800 個樣品。其概念是，將在卡盒中的基底盤在30天的操作之后能夠容易地 換出。存儲系統(tǒng)包括標(biāo)記技術(shù)，對存檔的樣品標(biāo)識數(shù)據(jù)采集時的條件，例 如時間、時期、傳感器設(shè)置，以及樣品重新定位?；锥ㄎ谎b置112包括 運(yùn)動臺，其具有兩個自由度，有方向的線性移動和旋轉(zhuǎn)可變。基底定位裝 置112的運(yùn)動產(chǎn)生了樣品沉積為螺旋形軌道、圓形同心軌道或線性軌道。 基底存儲在存儲系統(tǒng)中，該系統(tǒng)設(shè)計用于保護(hù)沉積點(diǎn)對機(jī)械震動/振動、 濕度和其它可能會降低其穩(wěn)定性的物理化學(xué)試劑的抗性。 實施例
附圖5描述了拉曼成像光語檢測技術(shù)的預(yù)測靈敏度。該圖比較了觸發(fā) 和確認(rèn)檢測模式的系統(tǒng)100的預(yù)測信噪比(SNR)和生物氣溶膠濃度。采 用Chemlmage Raman系統(tǒng)性能模型進(jìn)行了所述預(yù)測。
如附圖5所示，增加檢測時間(Td)導(dǎo)致SNR增加，其能夠提高檢 測靈敏度。在觸發(fā)檢測模式時，我們預(yù)計可以得到每升細(xì)胞-800個顆粒 (PPL)的LOD。在確認(rèn)才莫式，可以達(dá)到100PPL細(xì)胞的LOD。 LOD定義 為在纟企測概率大于90%、在特定Td和確定假報警概率(Pfa)條件下，可 重復(fù)檢測到的最小生物威脅物質(zhì)濃度。該可接受的假報警率根據(jù)操作要求 確定。然而，我們已經(jīng)假設(shè)，在觸發(fā)檢測才莫式中(Td-30秒，Pd〉90%), 可接受的假報警水平為5/天(Pfe-1.7x103)。在確認(rèn)模式(Td-300秒， Pd>90%),要求的Pfe為1/月(Pfa-Ux104)。采用拉曼檢測SNR性能 模型產(chǎn)生附圖5所示的校正曲線。
本公開內(nèi)容可以體現(xiàn)為其他特定形式，而不偏離本公開內(nèi)容的精神或 必要屬性。因此，應(yīng)當(dāng)參照所附的權(quán)利要求來限定本發(fā)明的范圍，而不是 之前的說明書。盡管前述描述是針對本公開內(nèi)容的優(yōu)選實施方式，但是應(yīng) 當(dāng)注意，可以在不偏離本公開內(nèi)容的精神或范圍的情況下作出其它的變化 和改進(jìn)，這對于本領(lǐng)域4支術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1. 一種方法，包括將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；以及在將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底的基本同時，鑒別所述威脅物質(zhì)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括通過單個照明源用大量的光子照射沉積在基底上的威脅物質(zhì)，由此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中鑒別威脅物質(zhì)包括采用彈性散射成像從而形成威脅物質(zhì)的圖像，分析基底上的所述物質(zhì) 產(chǎn)生的彈性散射光子；和采用拉曼光i普法，分析基底上的威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光子。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括將拉曼光譜與至少一個參照 拉曼庫光語進(jìn)行比較，以鑒別所述威脅物質(zhì)。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中分析拉曼散射光子進(jìn)一步包括產(chǎn)生 位于大約0cm"至大約3500cm-1的拉曼位移范圍內(nèi)、光鐠分辨率低于 20cm-1的拉曼光語。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中分析拉曼散射光子進(jìn)一步包括同時 產(chǎn)生位于大約0cm"至大約3500cm"的拉曼位移范圍內(nèi)、全光譜分辨率低 于20cm-1的多個空間獨(dú)立的圖像通道。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子 包括采用以下一個和反饋控制機(jī)構(gòu)自動將威脅物質(zhì)的圖像聚焦于基底上CMOS檢測器、CCD檢測器或高幀速數(shù)據(jù)檢測器。
8. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中分析拉曼散射光子包括將拉曼散射 光子通過選自以下組的裝置，所述組由可調(diào)濾光器、帶通濾光器、液晶可 調(diào)濾光器、干涉儀、聲波光學(xué)可調(diào)濾光器和分散光學(xué)裝置組成，以產(chǎn)生多 個空間分辨的拉曼光譜。
9. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中分析拉曼散射光子包括將拉曼散射 光子通過以下一個行掃描分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的 拉曼光譜；多點(diǎn)分光計，從而從一皮照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的4立曼光譜；單點(diǎn)分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的拉曼光譜；區(qū)域成像分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨 的拉曼光譜；點(diǎn)分光計，從而從;故照明源照射的樣品體積產(chǎn)生單個拉曼光"^普。
10. 如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括采用一光學(xué)系統(tǒng)收集彈性散射光子和拉曼散射光子，其中所述照明源位于光路上，所述基底位于一平面內(nèi)，其中光路與基底平面之間的角度不等于90。。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括 在觸發(fā)模式下操作，以檢測以下一個威脅物質(zhì)的存在， 威脅物質(zhì)的不存在；以及 在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述觸發(fā)模式間有觸發(fā)時間間隔， 所述鑒別沖莫式具有鑒別時間間隔，其中所述觸發(fā)時間間隔小于鑒別時間間隔。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在觸發(fā)模式檢測到威脅物 存在的時侯，啟動鑒別模式。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在鑒別^f莫式工作期間，累 積另外量的威脅物質(zhì)。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在觸發(fā)沖莫式檢測到威脅物 質(zhì)的基本同時，啟動鑒別模式。
16. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將威脅物質(zhì)沉積在基底上包括以下 一個將威脅物質(zhì)超聲沉積、電噴和慣性沖擊至基底上。
17. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上進(jìn)一 步包括將至少50個顆粒沉積在基底上。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上進(jìn)一 步包括從以下一個收集空氣有限的環(huán)境；以及 外部環(huán)境。
19. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中威脅物質(zhì)是選自以下組的有害物質(zhì)，所述組由細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射 材料和爆炸物質(zhì)組成。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為化學(xué)物質(zhì)。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為生物毒素。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為微生物。
23. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為細(xì)菌。
24. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為原生動物。
25. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)為病毒。
26. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中有害物質(zhì)選自空氣中的顆粒物質(zhì) 或氣溶膠物質(zhì)。
27. —種方法，包4舌 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；以及在將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底的基本同時，鑒別所述威脅物質(zhì)； 其中鑒別威脅物質(zhì)包括采用纖維陣列光譜轉(zhuǎn)換器，將含有樣品的所述 基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)換為偶聯(lián)至分光計的入口狹縫的曲線映射；以及 其中采用分光計收集適于鑒別威脅物質(zhì)的拉曼光譜。
28. —種系統(tǒng)，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；以及在將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底的基本同時，鑒別所述威脅物質(zhì)的裝置。
29. —種系統(tǒng)，包4舌 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；以及在將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底的基本同時，鑒別所述威脅物質(zhì)的裝置；其中，鑒別裝置包括分光計和纖維陣列光譜轉(zhuǎn)換器，將含有樣品的所 述基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)換為偶聯(lián)至分光計的入口狹縫的曲線映射；以 及其中采用分光計收集適于鑒別威脅物質(zhì)的拉曼光譜。
30. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；通過單個照明源，用大量的光子照射沉積在基底上的威脅物質(zhì)，由此 產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子；鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)；在觸發(fā)才莫式下操作，以檢測以下一個威脅物質(zhì)的存在，威脅物質(zhì)的不存在；以及 在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中在鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)之 前，將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上。
32. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，之后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中在沉積威脅物質(zhì)樣品之后，鑒別基底上的威脅物質(zhì)。
33. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，之后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中鑒別基底上的威脅物質(zhì)與在基底上沉積威脅物質(zhì)樣品基本同時。
34. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；和通過單個照明源，用大量的光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照 明，由此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子； 鑒別基底上的威脅物質(zhì)； 在觸發(fā)模式下操作，以檢測下述一個威脅物質(zhì)的存在，威脅物質(zhì)不存在；以及 在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)；其中鑒別威脅物質(zhì)包括采用纖維陣列光轉(zhuǎn)換器，將含有樣品的所述 基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)換為偶聯(lián)至分光計的入口狹縫的曲線映射；以及 其中采用分光計收集適于鑒別威脅物質(zhì)的拉曼光譜。
35. —種系統(tǒng)，包招「 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；用大量光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射的單個照明源，由 此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子； 鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)的裝置； 其中系統(tǒng)在觸發(fā);f莫式下操作，以檢測下述一個 威脅物質(zhì)的存在，威脅物質(zhì)不存在；以及其中系統(tǒng)在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)。
36. —種系統(tǒng)，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；用大量光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射的單個照明源，由 此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子；鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)的裝置；其中系統(tǒng)在觸發(fā)才莫式下操作，以檢測下述一個 威脅物質(zhì)的存在， 威脅物質(zhì)不存在；以及其中系統(tǒng)在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)；其中鑒別裝置包括分光計和纖維陣列光轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器將含有 樣品的所述基底部分的非線性視野轉(zhuǎn)換為偶聯(lián)至分光計的入口狹縫的曲 線映射；以及其中采用分光計收集鑒別威脅物質(zhì)的拉曼光譜。
37. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；和采用彈性散射成像形成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，分析威脅物質(zhì)產(chǎn) 生的彈性散射光子，視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積，其中威脅物質(zhì)的 沉積與視覺觀察威脅物質(zhì)的沉積基本同時。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光 子進(jìn)一步包括采用CMOS檢測器、CCD檢測器或高幀速數(shù)字檢測器，與 反饋控制機(jī)構(gòu)一起，自動將威脅物質(zhì)的圖像聚焦在基底上。
39. 如權(quán)利要求37所述的方法，進(jìn)一步包括通過收集光學(xué)系統(tǒng)收集彈 性散射光子，所述光學(xué)系統(tǒng)相對于基底定位，其相對于基底的位置移動從 而將威脅物質(zhì)的圖像聚焦在基底上。
40. 如權(quán)利要求37所述的方法，進(jìn)一步包括通過沖莫式編碼和幀平均， 去除照明源的干涉圖樣，從而提高威脅物質(zhì)在基底上的圖像的對比度。
41. 如權(quán)利要求37所述的方法，進(jìn)一步包括采用光學(xué)系統(tǒng)收集彈性散 射光子，其中所述照明源位于光路上，所述基底位于一個平面內(nèi)，所述光 路與基底平面之間的角度不等于90。。
42. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積不需要分光計。
43. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中威脅物質(zhì)是選自以下組的有害物 質(zhì)，所述組由細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射 材料和爆炸物質(zhì)組成。
44. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為化學(xué)物質(zhì)。
45. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為生物毒素。
46. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為微生物。
47. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為細(xì)菌。
48. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為原生動物。
49. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)為病毒。
50. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中有害物質(zhì)選自空氣中的顆粒物質(zhì) 或氣溶膠物質(zhì)。
51. —種系統(tǒng)，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積的裝置，其采用彈性散射成像形 成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子，其中沉 積裝置沉積威脅物質(zhì)與在基底上形成威脅物質(zhì)的圖像基本同時。
52. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；用大量光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射的單個照明源，由此 產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子；采用彈性散射成像形成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生 的彈性散射光子，從而視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積。
53. 如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底 上發(fā)生在觀察基底上的威脅物質(zhì)之前。
54. 如權(quán)利要求52所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述觀察位于基底上的威脅物質(zhì)在沉積威脅物質(zhì)樣品之后。
55. 如權(quán)利要求52所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述觀察位于基底上的威脅物質(zhì)與在基底上沉積威脅物質(zhì)樣品基本同時。
56. —種系統(tǒng)，包4舌將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；用大量光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射的單個照明源，由此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光子；視覺觀察威脅物質(zhì)在基底上的沉積的裝置，其釆用彈性散射成像形 成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子。
57. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上； 通過第一光學(xué)收集裝置收集下述至少一個威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光，和 威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光； 通過第二光學(xué)收集裝置收集威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光，其中所述第 二光學(xué)收集裝置包括牽引為一維纖維組的二維非線性光纖陣列，其將非線 性視野轉(zhuǎn)化為曲線視野，其中所述一維纖維組與拉曼成像分光計的入口狹 縫偶合；以及鑒別沉積在基底上的威脅物質(zhì)。
58. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括通過單個照明源用大量光 子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射，從而產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散 射光子。
59. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中鑒別威脅物質(zhì)包括；采用彈性散射成像形成威脅物質(zhì)在基底上的圖像，分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生 的彈性散射光子；以及采用拉曼光譜，分析基底上的威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光子。
60. 如權(quán)利要求59所述的方法，進(jìn)一步包括將拉曼光譜與至少一個參 照拉曼庫光譜進(jìn)行比較，以鑒別威脅物質(zhì)。
61. 如權(quán)利要求59所述的方法，其中分析拉曼散射光子進(jìn)一步包括產(chǎn) 生拉曼光鐠，其位于拉曼漂移大約0cm—1至大約3500cm—1的范圍內(nèi)，光譜 分辨率4氏于20cm—、
62. 如權(quán)利要求59所述的方法，其中分析拉曼散射光子進(jìn)一步包括同 時產(chǎn)生多個空間獨(dú)立的圖像通道，位于拉曼漂移大約Ocm^至大約 3500cm-1的范圍內(nèi)，全光"i普分辨率低于20cm—1 。
63. 如權(quán)利要求59所述的方法，其中分析威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光 子包括采用CMOS檢測器、CCD檢測器或高幀速數(shù)字檢測器與反饋控制機(jī)構(gòu)一起自動將威脅物質(zhì)圖像聚焦在基底上。
64. 如權(quán)利要求59所述的方法，其中分析拉曼散射光子包括將所述拉曼散射光子通過選自以下組的濾光器，所述組由可調(diào)濾光器、帶通濾光 器、液晶可調(diào)濾光器、干涉儀、聲波光學(xué)可調(diào)濾光器和分散光學(xué)裝置組成， 以產(chǎn)生多個空間分辨的拉曼光譜。
65. 如權(quán)利要求64所述的方法，其中分析拉曼散射光子包括將拉曼散 射光子通過下述一個行掃描分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的 拉曼光譜；多點(diǎn)分光計，從而從-故照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的4立 曼光謙；單點(diǎn)分光計，從而從;故照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的4立 曼光譜；區(qū)域成像分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨 的4立曼光"i普；點(diǎn)分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生單個拉曼光譜。
66. 如權(quán)利要求59所述的方法，進(jìn)一步包括采用光學(xué)系統(tǒng)收集彈性散 射光子和拉曼散射光子，其中所述照明源位于光路上，所述基底位于一平 面內(nèi)，其中光路與基底平面之間的角度不等于90°。
67. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括 在觸發(fā)模式下操作，以檢測以下一個威脅物質(zhì)的存在， 威脅物質(zhì)的不存在；以及 在鑒別模式下操作，以鑒別威脅物質(zhì)。
68. 如權(quán)利要求67所述的方法，其中所述觸發(fā)模式間有觸發(fā)時間間隔， 所述鑒別纟莫式具有鑒別時間間隔，其中所述觸發(fā)時間間隔小于鑒別時間間 隔。
69. 如權(quán)利要求67所述的方法，進(jìn)一步包括在觸發(fā)才莫式檢測到威脅物 存在的時侯，啟動鑒別模式。
70. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括在鑒別模式工作期間，累 積另外量的威脅物質(zhì)。
71. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括在觸發(fā);t莫式檢測到威脅物質(zhì)的基本同時，啟動鑒別模式。
72. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中所述威脅物質(zhì)樣品在基底上的沉 積與鑒別基底上的威脅物質(zhì)基本同時。
73. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中所述威脅物質(zhì)樣品在基底上的沉 積在鑒別基底上的威脅物質(zhì)之前。
74. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)在沉積威脅物質(zhì)樣品之后。
75. 如權(quán)利要求57所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)與在基底上沉積威脅物質(zhì)樣品基本同時。
76. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中將威脅物質(zhì)沉積在基底上包括以 下一個將威脅物質(zhì)超聲沉積、電噴和慣性沖擊至基底上。
77. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上進(jìn) 一步包括將至少50個顆粒沉積在基底上。
78. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上進(jìn) 一步包括從以下一個收集空氣有限的環(huán)境；以及 外部環(huán)境。
79. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中威脅物質(zhì)是選自以下組的有害物 質(zhì)，所述組由細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射 材料和爆炸物質(zhì)組成。
80. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為化學(xué)物質(zhì)。
81. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為生物毒素。
82. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為微生物。
83. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為細(xì)菌。
84. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為原生動物。
85. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)為病毒。
86. 如權(quán)利要求79所述的方法，其中有害物質(zhì)選自空氣中的顆粒物質(zhì) 或氣溶力交物質(zhì)。
87. —種系統(tǒng)，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；第一光學(xué)收集裝置，收集下述至少一個威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光，和威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光；第二光學(xué)收集裝置，收集威脅物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光，其中所述第二 光學(xué)收集裝置包括牽引為一維纖維組的二維非線性光纖陣列，其將非線性 視野轉(zhuǎn)化為曲線視野，其中所述一維纖維組與拉曼成像分光計的入口狹縫 偶合；以及鑒別沉積在基底上的威脅物質(zhì)的裝置。
88. —種方法，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上；通過光路上的照明源用大量光子照射威脅物質(zhì)，由此產(chǎn)生被威脅物質(zhì) 透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子；通過光學(xué)系統(tǒng)收集威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子，以及至少一個—皮威 脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子，其中所述照明源位于光路上， 所述基底位于一個平面內(nèi)，所述光路與基底平面之間的角度不等于90°以 及將至少下述一個通過相掩^t,延伸所述光學(xué)系統(tǒng)的景深 彈性散射光子，以及被威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。
89. 如權(quán)利要求88所述的方法，進(jìn)一步包括 至少部分基于相掩模的輸出，鑒別威脅物質(zhì)。
90. 如權(quán)利要求89所述的方法，其中鑒別威脅物質(zhì)包括 采用彈性散射成像，形成威脅物質(zhì)的圖像，分析彈性散射光子；以及采用光譜成像生成多個空間分辨的光語，分析至少 一個由威脅物質(zhì) 透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。
91. 如權(quán)利要求90所述的方法，其中分析至少一個由威脅物質(zhì)透射、 反射、發(fā)射或拉曼散射的光子包括在至少以下一個光譜范圍內(nèi)操作，以生 成多個空間分辨的光譜近紅外；紫外(UV);以及 中紅外。
92.如權(quán)利要求90所述的方法，其中分析至少一個由威脅物質(zhì)透射、 反射、發(fā)射或拉曼散射的光子包括收集基于以下一個的圖像 近紅夕卜成像； 紫外(UV)成像； 中紅外成像； 拉曼散射成像； 熒光；光致發(fā)光； 化學(xué)發(fā)光；以及 電發(fā)光成像，其中近紅外成像、紫外(UV)和中紅外成像在透射模式和反射模式中 的一個操作。
93. 如權(quán)利要求92所述的方法，其中光鐠成像與偏振光顯微術(shù)和差分 干涉強(qiáng)反差成像中的一個結(jié)合進(jìn)行。
94. 如權(quán)利要求90所述的方法，其中分析至少一個由威月辦物質(zhì)透射、 反射、發(fā)射或拉曼散射的光子進(jìn)一步包括將所述至少一個由威脅物質(zhì)透 射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子通過選自以下組的濾光器，所述組由可 調(diào)濾光器、帶通濾光器、液晶可調(diào)濾光器、干涉儀、聲波光學(xué)可調(diào)濾光器 和分散光學(xué)裝置組成，以產(chǎn)生多個空間分辨的拉曼光譜。
95. 如權(quán)利要求94所述的方法，其中分析至少一個由威脅物質(zhì)透射、 反射、發(fā)射或拉曼散射的光子進(jìn)一步包括將所述至少一個由威脅物質(zhì)透 射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子通過下述一個行掃描分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的 拉曼光譜；多點(diǎn)分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的拉 曼光譜；單點(diǎn)分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨的4立 曼光語；區(qū)域成像分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生多個空間分辨 的拉曼光譜；點(diǎn)分光計，從而從被照明源照射的樣品體積產(chǎn)生單個拉曼光語。
96. 如權(quán)利要求89所述的方法，其中威脅物質(zhì)樣品在基底上的沉積與鑒別基底上的威脅物質(zhì)基本同時。
97. 如權(quán)利要求89所述的方法，其中威脅物質(zhì)樣品在基底上的沉積在 鑒別基底上的威脅物質(zhì)之前。
98. 如權(quán)利要求89所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)在沉積威脅物質(zhì)樣品之后。
99. 如權(quán)利要求89所述的方法，進(jìn)一步包括 確定基底的背景水平，然后將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上，其中所述鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)與在基底上沉積威脅物質(zhì)樣品基本同時。
100. 如權(quán)利要求88所述的方法，其中威脅物質(zhì)是選自以下組的有害物 質(zhì)，所述組由細(xì)菌、病毒、原生動物、生物毒素、真菌、化學(xué)物質(zhì)、放射 材料和爆炸物質(zhì)組成。
101. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為化學(xué)物質(zhì)。 101. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為生物毒素。
102. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為微生物。
103. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為細(xì)菌。
104. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為原生動物。
105. 如權(quán)利要求100所述的方法，其中有害物質(zhì)為病毒。
106. 如權(quán)利要求88所述的方法，其中有害物質(zhì)選自空氣中的顆粒物質(zhì) 或氣溶膠物質(zhì)。
107. —種系統(tǒng)，包括 將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的裝置；用大量光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射的單個照明源，由此 產(chǎn)生纟皮威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子；光學(xué)系統(tǒng)，收集威脅物質(zhì)產(chǎn)生的彈性散射光子，以及至少一個被威脅 物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子，其中所述照明源位于光路上， 所述基底位于一個平面內(nèi)，所述光路與基底平面之間的角度不等于90°, 以及相掩模，將至少下述一個通過所述相掩模，從而延伸所述光學(xué)系統(tǒng)的 景深彈性散射光子，以及被威脅物質(zhì)透射、反射、發(fā)射或拉曼散射的光子。
全文摘要
將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的系統(tǒng)和方法。所述威脅物質(zhì)的鑒別與威脅物質(zhì)樣品在基底上的沉積基本同時。將威脅物質(zhì)樣品沉積在基底上的系統(tǒng)和方法。單個照明源用大量的光子對沉積在基底上的威脅物質(zhì)進(jìn)行照射，由此產(chǎn)生彈性散射光子和拉曼散射光。鑒別位于基底上的威脅物質(zhì)。所述系統(tǒng)和方法在觸發(fā)模式下工作，以檢測威脅物質(zhì)的存在與否，在鑒別模式下工作，以鑒別威脅物質(zhì)。
文檔編號G01N21/00GK101535792SQ200680011539
公開日2009年9月16日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月9日
發(fā)明者C·W·小加納, J·S·邁爾, P·J·特里多 申請人:化學(xué)影像公司