專利名稱：用于氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的實時確定的系統(tǒng)和方法
用于氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的實時確定的系統(tǒng)和方
法大衛(wèi) 菲利普·弗根森發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及氣溶膠粒子識別，尤其是涉及一種用于氣溶膠粒子的尺寸和可選地化學成分的實時確定的系統(tǒng)和方法。盤對恐怖主義的顧慮的上升增加了對氣粒子溶膠粒子的實時檢測和識別的關(guān)注，因為放射性的、化學的、生物的和爆炸性的材料及它們的前體都可以存在于煙霧化的形式中。氣溶膠質(zhì)譜法的新進展實現(xiàn)在實地氣溶膠粒子的實時分析，這在諸如政府中心、 機場和體育場館的高價值的恐怖主義目標處極其重要。氣溶膠質(zhì)譜法需要調(diào)節(jié)經(jīng)受分析的氣溶膠，形成粒子束，以及通過激光解吸/電離質(zhì)譜法來分析單獨的粒子。調(diào)節(jié)可包括如果粒子不是已經(jīng)被煙霧化的就產(chǎn)生氣溶膠，以及調(diào)整粒子的濃度。粒子束通過圍繞穿過聚焦孔的粒子的氣體的超聲膨脹來形成。液體流中的粒子可被相似地形成束。粒子束中的單獨的粒子然后通過質(zhì)譜法被分析。稠密的粒子濃度可不利地影響氣溶膠質(zhì)譜儀準確地跟蹤、分辨和分析單獨的粒子的能力。不準確的速度測量結(jié)果可使電離激光器的精確啟動所必需的計時產(chǎn)生偏斜。另外， 分辨高粒子密度在歷史上經(jīng)受了增加的復雜性和花費。例如，在 McKeown 等人的"On—Line Single Particle Analysis by LaserDesorption Mass Spectromerty63 Anal. Chem. 1906,2069(1991)中所公開的快速單粒子光譜儀(RSMS)——其公開通過引用被并入本文——利用用于檢測氣溶膠束內(nèi)的粒子的存在的連續(xù)波激光器。每個粒子在橫穿連續(xù)激光束的同時散射光。光電增倍管(PMT) 測量光散射強度，以使用粒子的反射指數(shù)來提供粒子尺寸的近似度量——一種固有地不準確的尺寸測量。脈沖激光器鄰近連續(xù)激光束被瞄準并且在檢測到粒子時被啟動。質(zhì)譜從由粒子解吸/電離的材料收集。在頒發(fā)給leather等人的美國專利號5，998，215中所公開的氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀(ATOFMS)基于所估計的速度來定氣溶膠粒子的尺寸，該專利的公開通過引用被并入本文。在由兩個連續(xù)激光器橫跨的距離內(nèi)的粒子橫越時間被測量和推斷出，以觸發(fā)質(zhì)譜儀脈沖激光器的啟動。粒子速度比光散射強度產(chǎn)生更準確的粒子尺寸確定，但是當氣溶膠濃度增加時，跟蹤單獨的粒子的能力變差，因而限制了分析通過量。另外，兩個激光器的利用比單個激光器設(shè)計增加了復雜性。采用六個連續(xù)激光器的陣列的氣溶膠質(zhì)譜儀系統(tǒng)在頒發(fā)給Gard等人的美國專利號7，沈0，483中被公開，該專利的公開通過引用被并入本文。通過量通過使用六激光器陣列被改善，以跟蹤單獨的氣溶膠粒子的軌跡。在增大的粒子濃度下的較高的性能被獲得，但是以尺寸、費用和復雜性為代價。概沭
為了粒子識別，氣溶膠粒子的尺寸和可選地成分被實時確定。氣溶膠束發(fā)生器使含有氣溶膠樣品的氣溶膠束聚焦。一旦達到終速度，每個粒子即與從連續(xù)波測徑激光器 (continuous wave sizing laser)發(fā)射的已知恒定寬度的激光束相交。穿過測徑激光器的束的粒子橫越時間被邊對邊地測量，并且被用于確定粒子速度，粒子尺寸然后可從粒子速度被估計。在一個實施方式中，脈沖激光器使粒子解吸和電離，用于光譜分析。在另一方面，粒子的特性從粒子尺寸和成分的分析來確定。從下面的詳細描述中，又一些其它實施方式對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得容易明顯，其中，通過說明所設(shè)想的最佳模式來描述實施方式。正如將被認識到的，其它和不同的實施方式是可能的，并且它們的一些細節(jié)能夠在各種明顯的方面中修改，而所有修改不偏離本精神和范圍。因此，附圖和詳細描述將被視為本質(zhì)上是說明性的而不是限制性的。附圖的簡要描述

圖1是顯示根據(jù)一個實施方式的用于確定單獨的氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的系統(tǒng)的功能簡圖。圖2是作為例子顯示氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的實時確定的功能圖。圖3A-C是作為例子顯示粒子橫越圖1的系統(tǒng)的測徑激光束的簡圖。圖4是顯示穿過圓形激光束和方形激光束的路徑長度的簡圖。圖5是顯示示范性的粒子尺寸與粒子速度的校準曲線的圖。圖6是顯示根據(jù)一個實施方式的用于確定單獨的氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的方法的流程圖。圖7是顯示使用于圖6的方法中的用于確定粒子的速度和尺寸的程序的流程圖。詳細描述潛在危險的氣溶膠粒子的有效且準確的識別對于公共安全的保護是極其重要的， 并且在被實時地執(zhí)行時是最有效的。最通常地，存在對諸如細菌、病毒和類似物的各種微觀粒子的快速、充分且有效的識別的需要。本發(fā)明提供用于完成那些需要的設(shè)備和方法。圖1是顯示根據(jù)一個實施方式的用于確定單獨的氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的系統(tǒng)10的功能簡圖。作為概述，對于粒子識別，系統(tǒng)10包括氣溶膠束發(fā)生器11、氣溶膠粒子測徑激光器12和質(zhì)譜儀13?？砂ㄆ渌牟考⑶伊硗獾墓δ苁强赡艿模馊苣z產(chǎn)生、數(shù)據(jù)可視化、分析和卸載。系統(tǒng)10以堅固的、高度可運輸?shù)男问奖粯?gòu)造，該形式允許在實地對場地的有效部署，以用于各種用途，例如反生物恐怖主義、環(huán)境研究或基本研究。簡單的設(shè)計導致使用和維護起來較不復雜、生產(chǎn)起來較不昂貴并且比采用大激光器陣列的其它系統(tǒng)更有效的系統(tǒng)。用于粒子跟蹤的單連續(xù)波激光器的使用消除了使用多個激光器的系統(tǒng)的復雜性，同時基于粒子速度保持粒子測徑的準確性。簡化系統(tǒng)減少了其它機器所需要的另外的部件和電子設(shè)備，允許裝配、運輸和調(diào)節(jié)起來較不復雜的更可靠的系統(tǒng)。另外，減小粒子束必須保持聚焦的距離和時間的長度允許更大的通過量并且減少儀器偽像。一般，用于通過系統(tǒng)10分析的氣溶膠粒子14可通過實時采樣直接從周圍的開放空氣收集或間接地從含有空氣的樣品收集。另外，氣溶膠粒子14可例如通過越過試驗樣本吹壓縮空氣或使用霧化器或相似的實驗儀器直接使樣本煙霧化來從試驗樣本產(chǎn)生。導管 (未示出)例如輸送管或管將氣溶膠粒子14的源連接至系統(tǒng)10。氣溶膠粒子14因而穿過入口 19被首先引入系統(tǒng)10中。氣溶膠束發(fā)生器11使粒子14準直成氣溶膠束15。氣溶膠束發(fā)生器11可以是例如在頒發(fā)給McMurry等人的美國專利號5，270，542中所公開的氣動力聚焦透鏡組，該專利的公開通過引用被并入本文。主要的要求在于，束發(fā)生器能夠從可被指引經(jīng)過測徑激光束的氣溶膠(或液體)樣品產(chǎn)生高速窄聚焦粒子束。因此，其它氣溶膠束發(fā)生器——其選擇完全在本領(lǐng)域的技術(shù)范圍內(nèi)——可被用于形成具有合適密度和速度的氣溶膠束15。在一個實施方式中，粒子14被聚焦成連續(xù)地穿過較小的孔(為了清楚而被省略)的氣溶膠束15 并且被收斂的錐形噴嘴22加速。撇浮器21允許氣溶膠束15在它們之間繼續(xù)前進，但當氣體從它們之間的每個室中的系統(tǒng)10被排出時繼續(xù)允許較高的真空狀態(tài)被獲得。當聚焦的粒子流20進一步穿過系統(tǒng)10順流而下時，來自被排出的氣溶膠束15的粒子14保留并且
、,.夂一
目丨J仃。在路徑的終點，氣溶膠束發(fā)生器11產(chǎn)生具有窄聚焦截面的粒子流20。當孔將粒子 14聚焦成以超聲速度離開氣溶膠束發(fā)生器11的集中的粒子流20時，氣溶膠束發(fā)生器11內(nèi)的歧管壓力的差動減小引起在穿越時含有粒子14的氣體的超聲膨脹，以使粒子14由于所獲得的慣性而緩慢地從束軸發(fā)散。粒子的速度是尺寸的直接函數(shù)，因此對于每個特定的系統(tǒng)，粒子的終速度的測量被用于確定粒子的尺寸。順流而下的粒子流20穿過由測徑激光器12產(chǎn)生的連續(xù)波激光束18，以確定單獨粒子14的速度。粒子速度從粒子橫穿過束18的截面所需要的時間長度來確定，如參考圖3 在下面進一步詳細討論的。粒子速度然后可被用于確定單獨粒子14的尺寸。在一個實施方式中，粒子尺寸從粒子速度與尺寸校準曲線來確定，如參考圖5在下面進一步詳細討論的。 從粒子速度估計粒子尺寸的其它方法是可能的，例如以表或交叉參考列表的形式。測徑激光器12被定向成使得所發(fā)射的激光束18撞擊從氣溶膠束發(fā)生器11順流而下的氣溶膠束15。正交于氣溶膠束15的軸，穿過激光束18的粒子14中斷束18并引起散射光的脈沖，其被PMT 16檢測。在一個實施方式中，激光束18具有多個小面，并且被配置成具有與氣溶膠束15相交的束18的兩個平行的面。粒子14因此橫穿激光束18的這兩個面。示范性的測徑激光器12是由瑞士蘇黎世Rainbow Photonics制造的BluePoint 430/490激光器，其產(chǎn)生具有IOmW功率輸出的430nm波長激光。諸如PMT 16的光檢測裝置接收連續(xù)波激光束。其它的測徑激光器和光檢測源可被使用。在另外的實施方式中，反射鏡或棱鏡(未示出)與測徑激光器12和PMT 16組合使用，以提高光檢測的效率。由粒子散射的光可能不被PMT 16檢測。具有例如被定位在激光束18與氣溶膠束20的交叉點處的一個焦點和在PMT 16的表面上的另一個焦點的橢球形反射鏡引導用于檢測的可能在其它方面被丟失和漏檢的光。PMT 16將所感測的散射光轉(zhuǎn)換成電脈沖，該電脈沖被提供給計時電路(未示出)。 電脈沖的數(shù)據(jù)采樣率足夠高，以允許對粒子14進入和離開激光束18的分開的時間的檢測。 在一個實施方式中，來自PMT 16的電脈沖以25MHz的采樣率被收集，雖然根據(jù)氣溶膠束15 中的粒子的速度和期望的精確度可使用較低或較高的采樣率。粒子速度被用于記錄通過質(zhì)譜儀13的分析的開始的時間。粒子14的速度可從由測徑激光器12產(chǎn)生的激光束18中的粒子14的停留時間來確定，這取決于束的寬度或穿過束的路徑長度，如參考圖3在下面進一步討論的。
在另外的實施方式中，質(zhì)譜儀的操作可在粒子速度的確定之前被發(fā)起，假定電離激光器緊鄰測徑激光器12。一旦光散射不再被PMT 16檢測到，這表明粒子14不再停留在激光束中，來自計時電路的信號即被發(fā)送以啟動質(zhì)譜儀13，由此避免伴隨計算粒子速度的延遲。粒子流20從測徑激光器12順流而下行進到質(zhì)譜儀13的離子源區(qū)中，在該離子源區(qū)中每個粒子14被脈沖解吸/電離激光器17解吸和電離，例如由NY的Bohemia的 Photonics Industries Int' 1公司制造的DS系列深UV 二極管泵浦固體激光器，其產(chǎn)生在其最大重復率下具有3. 0瓦平均功率輸出的波長激光。另外，解吸/電離激光器 17可鄰近測徑激光器12被定位，以便于維護。通過粒子解吸和電離形成的光譜被質(zhì)譜儀13分析，質(zhì)譜儀13是單極飛行時間質(zhì)譜儀，或者優(yōu)選地是雙極飛行時間質(zhì)譜儀，例如由瑞士 Thun的Torwerk AG制造的ZT0F。一旦被收集，粒子14的質(zhì)譜數(shù)據(jù)就可被電子地儲存或輸入到光譜分析計算機程序中用于進一步分析。在一個實施方式中，使用商業(yè)現(xiàn)貨供應(yīng)的軟件并在計算機系統(tǒng)上執(zhí)行來執(zhí)行光譜分析。計算機系統(tǒng)是通用編程數(shù)字計算裝置，其由中央處理單元(CPU)、隨機存取存儲器 (RAM)和非易失性二級存儲器構(gòu)成，非易失性二級存儲器例如是硬盤驅(qū)動器或CD ROM驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)接口和外圍裝置，包括諸如鍵盤和顯示屏的用戶接口裝置。程序代碼——包括軟件程序——和數(shù)據(jù)被裝入RAM中用于被CPU執(zhí)行和處理，并且結(jié)果被生成用于顯示、輸出、傳送或存儲。分析程序結(jié)合被確定的粒子尺寸對粒子的光譜數(shù)據(jù)進行分析，以識別化學成分和粒子14的特性。光譜分析的示范性的方法在頒發(fā)給Gard等人的美國專利號7，260, 483中被公開，該專利的公開通過引用被并入本文。光譜分析的其它方法是可能的。雖然所描述的系統(tǒng)被配置成分析懸浮在氣體中的粒子14，但系統(tǒng)可容易地適合于分析懸浮在含水的或其它液體懸浮物中的粒子。例如，懸浮在液流中的粒子可通過流式細胞儀中的相似的儀器計時電路來分析。細胞儀在1995年3月17日發(fā)布的美國5，395，588 中被描述。商業(yè)上可獲得的流式細胞儀的射流系統(tǒng)可被改裝為對用于氣體氣溶膠的氣溶膠束發(fā)生器的替代物。如在氣溶膠束發(fā)生器中的，樣品被注入到由具有快速流動的流體的套圍繞的窄管的中心。在套流體遇到注射中心的頂端的場合，單獨粒子的快速移動的流被形成。測徑激光器和相關(guān)的照片或光檢測器如在氣溶膠粒子流中那樣被放置在下游。分析裝置還可被用于液體懸浮物中的粒子，但不是用于氣溶膠粒子的質(zhì)譜分析。其它適合的分析裝置的選擇完全在本領(lǐng)域中的技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)。氣溶膠粒子14被聚焦成窄束用于單獨的分析。圖2是作為例子顯示氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的實時確定的功能圖。氣體23和煙霧化的粒子14的非均勻混合物經(jīng)由氣溶膠束發(fā)生器11的入口被引入系統(tǒng)。氣溶膠束發(fā)生器11通過真空源25所產(chǎn)生的差動壓力使周圍的氣體和懸浮的粒子加速到超聲速度。粒子束中的粒子的終速度或速度是它們的尺寸的直接函數(shù)。煙霧化的粒子被聚焦成穿過一個或多個孔的氣溶膠束。周圍的氣體23 在位置M處從系統(tǒng)排出，留下作為聚焦的粒子流20以一速度順流而下行進的粒子14。氣溶膠束發(fā)生器11可以是氣動力聚焦透鏡組，如以上參考圖1進一步討論的。其它的氣溶膠束發(fā)生器是可能的。測徑激光器12位于氣溶膠束發(fā)生器11的下游，并且被定成使得所發(fā)射的激光束18與粒子束20相交。來自橫穿激光束的粒子14的光散射被檢測到16，并且被用于確定粒子速度。單獨粒子14的測徑從其速度來估計，如參考圖5在下面進一步討論的。解吸/電離激光器17位于測徑激光器12的下游。解吸/電離激光器17發(fā)射激光束，該激光束使每個粒子14電離和解吸用于通過質(zhì)譜儀13分析。在一個實施方式中，粒子的速度被用于解吸/電離激光器17的啟動的計時。在另外的實施方式中，當光散射不再被檢測到時，解吸/電離激光器17被啟動，同時粒子速度被單獨地確定。光譜分析和粒子測徑的結(jié)果被用于識別每個粒子14。當穿過具有已知路徑長度的測徑激光束行進時，粒子速度被確定并且尺寸從粒子 14的停留時間被估計。圖3A-C是作為例子顯示粒子穿過圖1的系統(tǒng)10的測徑激光束行進的簡圖。χ軸31、32和33表示時間。所生成的激光束18使氣溶膠束15與來自撞擊PMT 16的激光束18的入射光正交地相交。PMT 16又檢測被穿過束18的粒子14散射的光。光被散射的持續(xù)時間表示粒子14穿過束的橫越時間。橫越時間和穿過束18的已知路徑長度是粒子速度的函數(shù)。使用粒子速度與尺寸校準方法例如校準曲線，可從速度估計粒子尺寸， 如參考圖5在下面進一步討論的。測徑激光器12必須產(chǎn)生具有已知寬度或距離的路徑長度的束18。在一個實施方式中，測徑激光器12形成激光束18，激光束18具有方形截面，并且在與粒子束20的交叉點處被聚焦到1毫米的已知路徑長度，頂面和底面正交于粒子束20的平面?？墒褂闷渌孛嫘螤?，雖然限定與氣溶膠束的路徑正交的平坦頂表面和底表面的形狀最佳地便于干凈的粒子進入和退出檢測。恒定截面的束是優(yōu)選的。測徑激光器12可直接地或通過例如透鏡或光纖電纜的單獨聚集來產(chǎn)生適當?shù)乇欢ㄐ蔚氖＠纾蒑I的Arm Arbor的Mitsubishi Cable America公司，制造的Diaguide SQ系列光纖可被用于將先前所描述的Blue Point 430/490激光成形為1毫米方形束?，F(xiàn)在參考圖3A，當粒子14與測徑激光束18相交時，散射光被產(chǎn)生，該散射光被 PMT 16檢測到并被轉(zhuǎn)換成被提供給計時電路(未示出)的電脈沖。初始交叉點被表示為時間點tentCT?，F(xiàn)在參考圖:3B，根據(jù)PMT 16的數(shù)據(jù)采樣率，另外的光散射數(shù)據(jù)點、在粒子穿過束18行進時被收集。由PMT 16產(chǎn)生的信號的數(shù)據(jù)采樣率被設(shè)定，以提供期望的精確度。 例如，在氣溶膠束15內(nèi)以每秒100米行進的粒子14在10微秒內(nèi)橫穿過具有1毫米路徑長度的測徑激光束18。25MHz的采樣率產(chǎn)生光散射水平的大約250個數(shù)據(jù)點、?，F(xiàn)在參考圖 3C，當粒子14離開由測徑激光器12產(chǎn)生的激光束18時，最終的光散射數(shù)據(jù)點被檢測到。粒子14的光散射持續(xù)時間確定粒子速度。粒子14進入tmtCT和離開texit之間的時間差、測徑激光束18和穿過束18的已知路徑長度可被用于確定粒子14的速度，這可被表達為tA = texit-tenter (1)其中，tA、texit和tmtCT是以微秒為單位的時間。粒子速度ν因此可被表達為ν = d/tA (2)其中ν是以每秒米為單位給出，而d是以毫米為單位的束的已知路徑長度。散射光的檢測還允許解吸/電離激光器17的啟動的同步。粒子速度可被用于對質(zhì)譜儀13的解吸/電離激光器17的啟動計時，以便當粒子14進入質(zhì)譜儀13的離子源區(qū)時，激光器發(fā)射。在另外的實施方式中，粒子速度從電離被單獨地確定。一旦PMT 16不再檢測散射光，電信號即被計時電路發(fā)送，以使解吸/電離激光器17立即發(fā)射，同時速度被單獨地確定并且兩種形式的數(shù)據(jù)被事后合成。在氣溶膠束內(nèi)的較高濃度的粒子14增大了兩個粒子14將同時停留在粒子測徑區(qū)內(nèi)的可能性，導致不準確的粒子速度和尺寸確定，以及來自重疊的光譜模式的不明確的光譜數(shù)據(jù)。在其上粒子速度和尺寸被確定的長度與粒子同時性的概率相稱。先前的系統(tǒng)在多厘米粒子測徑長度上確定粒子速度和尺寸。例如，在先前所討論的Prather等人的專利中公開的系統(tǒng)具有6厘米的粒子測徑區(qū)。采用1毫米的單個測徑激光束18的粒子測徑區(qū)減小了兩個粒子14同時停留在粒子測徑區(qū)內(nèi)的概率，提供增大的敏感性和在較高粒子濃度下的通過量。粒子尺寸從粒子速度來估計。圖4是顯示分別穿過圓形激光束41和方形激光束 42的路徑長度的簡圖。粒子速度從粒子14需要橫越激光束18的截面的時間的長度來確定。粒子橫越的已知路徑長度對于準確的速度測量是需要的，如以上參考圖3被進一步討論的。粒子行進不同于已知路徑長度的距離導致不準確的粒子速度確定。一般，粒子束20 的寬度大于粒子14的寬度，雖然小于測徑激光束18的寬度。當粒子14沿著束20的軸行進時，粒子14可位于粒子束20的寬度內(nèi)的任何位置，并且可在沿著光束18的面的不同點處進入測徑激光束18。圓形激光束41包含穿過變化長度的束41的路徑。雖然圓形激光束41可被聚焦到已知直徑，但粒子14可在與沿著直徑的路徑脫離的位置處進入束41。例如，路徑長度da、 db和d。具有不同的尺寸，且d。> db > da。沿著da橫越束41的粒子14將具有大于沿著db 或d。行進的粒子的速度并且大于粒子14的實際速度的所確定的速度。粒子14將需要沿著已知路徑長度d。行進，用于準確的粒子速度測量。粒子14的任何偏離將導致不準確的粒子速度測量、不準確的粒子尺寸估計和用于使解吸/電離激光器17發(fā)射的錯誤的時間安排。另一方面，被成形為使得一致的路徑長度沿著束的整個寬度出現(xiàn)的測徑激光束18 導致準確的速度確定，而不管粒子14的路徑如何。例如，具有定向成正交于粒子束20的兩個平行面的方形束42具有穿過束42的大約等距或恒定的路徑長度屯、d2和d3。如本文所使用的，束的恒定寬度意指實質(zhì)上恒定，例如束具有不超過橫穿束的總寬度的大約10%的寬度的變化。被確定的粒子速度沿著任何路徑將實質(zhì)上是相等的并且與粒子的真實速度一致。粒子尺寸影響粒子穿過系統(tǒng)10的速度。圖5是描繪示范性的粒子尺寸與粒子速度的校準曲線50的圖。χ軸51表示氣溶膠粒子速度，而y軸32表示粒子直徑。在一個實施方式中，曲線50提供已知尺寸的基準氣溶膠粒子14的速度。例如使用振動口氣溶膠發(fā)生器例如由MN的Sioreview的TSI公司制造的型號3450的氣溶膠發(fā)生器，基準氣溶膠粒子可被形成。在另外的實施方式中，曲線50可作為參考數(shù)據(jù)被提供，而不需要測定基準。未知尺寸的粒子14的尺寸然后可通過與粒子尺寸與粒子速度曲線50的比較從它們的被觀察到的速度來確定。從粒子尺寸估計粒子速度的其它方法是可能的，例如從表或交叉參考列表。系統(tǒng)10可被用于實時地分析未知類型的粒子。圖6是顯示根據(jù)一個實施方式的用于確定單獨的氣溶膠粒子的尺寸和化學成分的方法60的流程圖。當以便攜形式因子來提供時，系統(tǒng)10可被運輸至現(xiàn)場并且在現(xiàn)場被安裝。在操作前，系統(tǒng)10被準備好，例如確保系統(tǒng)電子設(shè)備被校準，氣溶膠束通路被清理，激光器12、17和PMT 16被清潔，并且任何先前的樣本殘留物被移除。一旦是操作的，氣溶膠樣品即被收集。樣品可從周圍的開放空氣采樣、從包含的樣品或通過積極地使試驗樣本煙霧化來獲得。氣溶膠通過將樣品和入口 19 連接到系統(tǒng)10中的導管或管被引入系統(tǒng)10。最初，氣溶膠束15——包括粒子14——由氣溶膠束發(fā)生器11產(chǎn)生(塊61)。氣溶膠發(fā)生器11是氣動力聚焦透鏡組，如以上參考圖1所討論的。氣溶膠束發(fā)生器11使粒子14通過圍繞氣體的超聲膨脹加速到高速度。接著，單獨的粒子14的速度和尺寸被確定(塊62)，如在下面參考圖7被進一步討論的。簡要地，粒子速度從在由測徑激光器12產(chǎn)生的束18內(nèi)的粒子14的停留時間來確定。粒子14的速度然后被用于確定粒子尺寸?？蛇x地，順流而下的粒子14進入質(zhì)譜儀13， 并且被脈沖激光器17電離和解吸(塊6 。優(yōu)選地，質(zhì)譜儀13是雙極飛行時間質(zhì)譜儀。因而產(chǎn)生的離子被分析，以確定粒子14的化學成分(塊64)。最后，粒子14的特性從粒子14 的化學成分和尺寸來確定(塊65)，例如在頒發(fā)給Gard等人的美國專利號7，260, 483中所公開的，該專利通過引用被并入本文。粒子尺寸從穿過已知路徑長度的激光束的粒子的橫越時間來確定。圖7是顯示使用于圖6的方法中的用于確定粒子14的速度和尺寸的程序的流程圖。當在粒子流20內(nèi)的粒子14撞擊(相交)由測徑激光器12產(chǎn)生的激光束18并且穿過激光束18行進時，散射光被產(chǎn)生。散射光被PMT 16檢測。散射光以足以分辨粒子14的進入和離開時間點的速率被采樣。25MHz的采樣率適合于每秒行進大約100米的粒子14。對于更低或更高速度的粒子14，其它采樣率是可應(yīng)用的。粒子進入(塊71)和離開(塊72)由測徑激光器12產(chǎn)生的束18的時間點被確定。粒子速度通過這兩個時間點的差異和測徑激光束18的已知寬度來確定(塊7 。例如，以2. 5微秒的橫越時間穿過具有1毫米路徑長度的束18的粒子14將具有每秒400米的被確定的速度。粒子尺寸然后基于對每個設(shè)備或機器唯一的尺寸與速度校準曲線從粒子14的速度來確定(框74)，如以上參考圖5所描述的。例如，具有每秒400 米的粒子速度的粒子14對應(yīng)于500納米的粒子尺寸。雖然本發(fā)明參考其實施方式被特別地顯示和描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可在其中在形式和細節(jié)方面做上述和其它變化，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于確定氣溶膠中的粒子的尺寸的設(shè)備，包括氣溶膠束發(fā)生器，其產(chǎn)生聚焦粒子流并且使粒子加速到作為粒子尺寸的函數(shù)的終速度；連續(xù)波測徑激光器，其在正交于所述聚焦粒子流的平面中產(chǎn)生恒定寬度的激光束，以使穿過所述束的粒子在橫穿所述束所花費的時間期間引起散射光的脈沖，所述時間與所述粒子的速度成比例；光學檢測裝置，其將散射光轉(zhuǎn)換成電脈沖，所述電脈沖能夠被用于表示所述粒子穿過測徑激光束的寬度所流逝的時間。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，還有用于確定粒子成分的、被布置在所述波測徑激光器下游的粒子分析裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述分析裝置包括脈沖解吸/電離激光器，其被來自計時電路的電脈沖啟動，使激光束撞擊粒子、解吸粒子并電離粒子；以及分析裝置，其用于從所產(chǎn)生的離子或解吸過程的其它產(chǎn)物確定所述粒子的化學成分。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，聚焦裝置被定位在所述測徑激光束和粒子束的交叉點處，以使散射光指向所述光學檢測裝置，從而避免光丟失和未被檢測。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述測徑激光束具有多個小面，并且被配置成具有與所述粒子流相交的所述束的兩個平行的面。
6.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，聚焦裝置被定位在所述測徑激光束和所述粒子束的交叉點處，以使散射光指向所述光學檢測裝置，從而避免光丟失和未被檢測。
7.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述測徑激光束具有多個小面，并且被配置成具有與所述粒子流相交的所述束的兩個平行的面。
8.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述分析裝置是質(zhì)譜儀。
9.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述脈沖解吸/電離激光器被定位成使得其脈沖束直接位于所述測徑激光束下面或與所述測徑激光束部分地重疊。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述粒子尺寸由計算裝置基于所述粒子的速度、 在與所述粒子流正交的平面中的所述束的寬度以及對所述設(shè)備唯一的尺寸與速度的校準來確定，所述速度與所述粒子穿過所述測徑激光束所流逝的時間成比例。
11.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述解吸/電離激光器脈沖束通過從粒子速度的計算所產(chǎn)生的電信號啟動，所述粒子速度的計算由所述粒子穿過所述測徑激光束的持續(xù)時間和從所述測徑激光束的底部到所述脈沖激光束的路徑的距離來確定。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述粒子懸浮在液體中。
13.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述粒子懸浮在液體中。
14.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，流式細胞儀被改裝成具有連續(xù)波測徑激光器，所述連續(xù)波測徑激光器在正交于所述聚焦粒子流的平面中產(chǎn)生恒定寬度的激光束，以使穿過所述束的粒子在橫穿所述束所花費的時間期間引起散射光的脈沖，所述時間與所述粒子的速度成比例。
15.一種確定氣溶膠粒子尺寸的方法，包括將含有粒子的氣溶膠引入氣溶膠束發(fā)生器的入口，所述氣溶膠束發(fā)生器產(chǎn)生聚焦粒子流并且使粒子加速到作為粒子尺寸的函數(shù)的終速度；使所述粒子流穿過連續(xù)波測徑激光器的激光束，所述束具有在正交于所述聚焦粒子流的平面中的恒定寬度，以使穿過的粒子在橫穿所述束所花費的時間期間引起散射光的脈沖，所述時間與所述粒子的速度成比例，以及；使用光學檢測裝置從所述散射光產(chǎn)生電脈沖，所述光學檢測裝置檢測散射光。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，粒子成分由化學分析裝置確定。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述粒子分析裝置包括使所述粒子束穿過脈沖解吸/電離激光器，所述脈沖解吸/電離激光器使激光束撞擊所述粒子，通過粒子解吸和電離產(chǎn)生光譜；以及將這樣產(chǎn)生的所述光譜傳遞到用于從所產(chǎn)生的光譜確定粒子化學成分的分析裝置中。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述分析裝置是質(zhì)譜儀。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述測徑激光束具有多個小面，并且被配置成具有與所述粒子流相交的所述束的兩個平行的面。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述氣溶膠束發(fā)生器是氣動力聚集透鏡組，并且聚焦裝置被定位在所述測徑激光束和所述粒子束的交叉點處，以將散射光指向所述光學檢測裝置，從而避免光丟失和未被檢測。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述粒子懸浮在液體中。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述粒子懸浮在液體中。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣溶膠粒子識別，尤其是涉及一種用于氣溶膠粒子的尺寸和可選地化學成分的實時確定的系統(tǒng)和方法。
文檔編號G01N15/14GK102246021SQ200980149414
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者大衛(wèi)·菲利普·弗根森 申請人:利弗莫爾儀器公司