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CN102308196B - 用于同时检测粒子的尺寸和荧光性的紧凑型检测器 - Google Patents

用于同时检测粒子的尺寸和荧光性的紧凑型检测器 Download PDF

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Abstract

公开了一种粒子检测和分类系统。该系统通过测量粒子散射的光来确定所测粒子的尺寸。同时，该系统通过测量来自粒子的荧光来确定所测粒子是生物的还是非生物的。该系统使用抛物面反射器并且可选择地使用球面反射器来收集荧光。

Description

用于同时检测粒子的尺寸和荧光性的紧凑型检测器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年12月18日提交的、申请号为61/138,876、名称为“Simultaneous Particle Size And Fluorescence Detector”的共同未决美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并于本文中。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于检测气悬粒子或者水浮粒子的系统，特别地涉及一种用于检测气悬粒子或者水浮粒子并根据尺寸和生物学状态对所检测的粒子进行分类的系统。本发明在检测和分类诸如无菌生产设备的清洁环境中的生物粒子和污染物方面具有特别的效用，并且在有利于生物粒子的快速检测的任何环境中都具有效用。
背景技术
各种制造环境要求对空气中出现的不相关碎屑进行严格控制。半导体制造例如具有长期需要的“清洁空间”，该“清洁空间”使用大量的空气过滤，使空气中的粒子的数量和尺寸降低至某个可接受的等级。其他制造环境具有相似但不同的需求。例如，在制药和医疗设备制造环境中、在医院、以及在食物加工或制备环境中，关键的是：不仅要控制空气中粒子的数量，生物粒子的最小化也特别重要。微生物污染例如可以使得整批药剂不可用，从而导致生产过程中的重大财产损失。相应地，在医药品或医疗卫生器材的制造过程中即时检测出污染事件、包括即时检测出关于污染事件是生物污染还是非生物污染的信息是有利的。在有可能是生物或化学恐怖袭击的目标的邮局或者其他政府部门中，这种能力也是有利的。
已经设计了各种检测器，用以通过测量采样区中的粒子散射的光的量和方向性来检测流体载运粒子。在同属于Hamburger等人的美国专利第5,646,597号、第5,969,622号、第5,986,555号、第6,008,729号、第6,087,947号和第7,053,783号中、以及在属于Jiang等人的美国专利第7,430,046号中描述了一些上述检测器。这些检测器都涉及如下几个方面：引导光束穿过环境空气的样本从而使得一部分光束被空气中的任何粒子散射、用于仅对在与预定粒子尺寸范围相对应的预定角度范围内散射的光进行传输的光束阻挡设备、以及用于检测所传输的光的检测器。如果在检测器处检测到的光超过预定等级，则启动警报。这些检测器中的一些检测器，例如Jiang等人的美国专利第7,430,046号中所描述的检测器，也使用测量由光源照射而从所测粒子中激发出的荧光来将所测粒子分类为生物的或者非生物的。
依赖散射或荧光性测量的传统粒子检测器面临一系列共同的挑战。例如，在被设计用于检测散射光的检测器或者粒子计数器中，必须从入射照明光源信号提取散射光信号。这涉及从非常嘈杂的背景(来自激光源的强光)中检测微弱信号(来自小粒子的散射)。另外，同时提供散射和荧光性测量的传统粒子检测器必须能够：(1)检测足够的荧光以得到可用信号，以及(2)从系统中的其他电噪声或者光学噪声中分离出由被测荧光生成的信号。
当待测粒子悬浮在某种流体中而非悬浮在具有低折射率的空气或者气体中时，这些问题中的某些问题被加剧。如果待测粒子悬浮在例如比空气具有更高折射率的水中，则各种影响可导致可用于测量的散射光或者荧光的量减少。流体线路内的波导例如可以俘获以荧光方式发出的光或者以高角度散射的光。另外，流体与空气的边界处或者流体线与周围空气的边界处的菲涅尔反射可以进一步减少可用于测量的光的量。另外，具有矩形横截面的流体导管的转角或者具有圆形横截面的流体导管的弯曲的表面可以引起降低检测器处的信噪比的透镜效应和其他光学像差。
发明内容
本发明总体上涉及一种系统和方法，用于测量悬浮在流体中的粒子的尺寸，并同时使用粒子荧光性来确定所测粒子是生物的还是非生物的。与传统系统相比，根据本发明的实施例的系统采用更高效的集光装置以允许收集更多由粒子荧光性所发出的光。
在某些实施例中，本发明包括粒子检测和分类系统。该系统包括：包括待测流体的采样区、位于采样区的第一侧的光源、位于采样区的第二侧的第一检测器、位于该采样区的第二侧的第二检测器、以及顶点位于采样区的第一侧而焦点在采样区内的抛物面反射器。光源沿第一轴线向采样区提供基本准直的光，第一检测器测量以预定角度向采样区的第二侧的方向散射的光，抛物面反射器收集由采样区内的受照射粒子由于荧光性而发出的光，并使所收集的光以基本准直的方式导向第二采样区的第二侧方向，第二检测器测量由抛物面反射器收集的荧光。
某些实施例包括位于采样区的第二侧、前焦点位于采样区内的散射光集光透镜，其中，穿过散射光集光透镜的散射光被第一检测器拦截。在其他实施例中，散射光集光透镜使采样区内的粒子所散射的光准直。另外的实施例包括如下散射光聚光透镜：该散射光聚光透镜接收来自散射光集光透镜的准直光并使该准直光会聚到第一检测器上。
其他实施例包括设置在采样区的第二侧并在第一轴线上的光束阻挡设备，该光束阻挡设备拦截来自光源从采样区出来的光。某些实施例包括设置在采样区的第二侧并在第一轴线上的长通滤光器，其中，该长通滤光器选择传输具有采样区内的受照射粒子由于荧光性而发出的光的波长的光。一些实施例包括位于采样区的第二侧的荧光聚光透镜，该荧光聚光透镜接收来自抛物面反射器的准直光并使该准直光导向第二检测器。
在某些实施例中，第二检测器、光束阻挡设备、长通滤光器和荧光聚光透镜的任意组合被确定尺寸和/或被设置成部分阻挡在第二侧方向上以预定范围内的角度散射的光。在一些实施例中，光源为LED或者二极管激光器，并且光源发出波长大约在350nm至410nm之间的光。
某些实施例包括位于采样区的第二侧的球面反射器，其中，该球面反射器具有与抛物面反射器的焦点一致的曲率中心。一些实施例包括具有使得采样区成像到第一检测器上的屈光力和位置的散射光集光透镜。一些实施例包括接收来自抛物面反射器的准直光并将该准直光会聚到第一检测器上的散射光集光透镜。
在一些实施例中，采样区由承载折射率大于1.0的流体的流体线路限定。在某些实施例中，该流体线路具有基本为矩形的横截面。在一些实施例中，球面反射器包括一对光吸收掩模，所述一对光吸收掩模被设置来用于拦截由来自光源的光与流体线路的转角之间的相互作用所引起的杂散光。某些实施例包括：与第一检测器光连通的第一柱面透镜和与第二检测器光连通的第二柱面透镜。
某些实施例包括如下粒子检测和分类系统，该粒子检测和分类系统包括：包括待测流体的采样区、位于采样区第一侧的光源、位于采样区第二侧的第一检测器、位于采样区第二侧的第二检测器、以及顶点位于采样区的第一侧而焦点位于采样区内的抛物面反射器。光源提供限定第一轴线的基本准直光，并且光源、采样区、第一检测器和第二检测器沿着第一轴线定位。
某些实施例包括位于采样区第二侧的球面反射器，该球面反射器具有与抛物面反射器的焦点一致的曲率中心。
一些实施例包括如下粒子检测和分类系统，该粒子检测和分类系统具有：包括待测流体的采样区、位于采样区第一侧的光源、位于采样区第二侧的第一检测器、位于采样区第二侧的第二检测器、顶点位于采样区的第一侧而焦点位于采样区内的抛物面反射器、与第一检测器光连通的第一柱面透镜、以及与第二检测器光连通的第二柱面透镜。采样区由承载流体的流体线路限定，其中该流体线路或者该流体具有大于1.0的折射率。
某些实施例包括位于采样区第二侧的球面反射器，其中该球面反射器具有与抛物面反射器的焦点一致的曲率中心。在一些实施例中，球面反射器包括一对光吸收掩模，所述一对光吸收掩膜被设置来用于拦截由来自光源的光与流体线路边缘之间的相互作用所引起的杂散光。
与传统的系统和方法相比，根据本发明的实施例的系统具有某些优点。例如，根据本发明的实施例的系统更适于测量悬浮在与空气相比具有更高折射率的液体中的粒子。另外，根据本发明的实施例的系统使得空间的利用更高效，并且可以被配置成使得所有的光收集沿同一轴线发生。这允许根据本发明的实施例的粒子检测器完全包括在单个紧凑的柱状封装中。另外，由于所有光学器件沿同一轴线协同定位，所以根据本发明的实施例的系统更易于光学对准。
附图说明
根据以下所给出的详细描述并结合附图，可以更清楚地理解本发明的实施例，附图中相似的附图标记表示相似的元件。
图1是根据本发明的实施例的光学系统的示意图，该光学系统通过使用用于收集荧光的抛物面反射器来同时进行荧光性测量和散射测量。
图2是根据本发明的实施例的供替换的光学系统的示意图，该供替换的光学系统通过使用用于收集荧光的抛物面反射器和折叠反射镜来同时进行荧光性测量和散射测量。
图3是根据本发明的实施例的、所有光学组件基于同一轴线协同定位的、用于进行荧光性测量的光学系统的示意图。
图4是根据本发明的实施例的供替换的光学系统的示意图，该供替换的光学系统通过使用用于收集光的抛物面反射器和球面反射器来同时进行荧光性测量和散射测量。
图5是根据本发明的实施例的光学系统的示意图，该光学系统通过使用用于收集荧光的抛物面反射器和球面反射器来进行荧光性测量。
图6是示出了根据本发明的实施例的用于进行荧光性测量和散射测量的方法步骤的示意性流程图。
图7是根据本发明的实施例的球面反射器的平面图。
具体实施方式
参考附图、用以下描述中的优选实施例对本发明进行描述，附图中相似的附图标记表示相同或类似的元件。贯穿本说明书，“一个实施例”、“实施例”或者类似的文字表示：结合该实施例而描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书所出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似文字可以指同一个实施例，但并非必须指同一实施例。
本发明所描述的特征、结构或者特性可以以任何适当的方式组合在一个或多个实施例中。以下描述中列举了大量具体细节，以便全面理解本发明的实施例。然而，相关领域的技术人员将认识到：也可以在没有使用所述一个或多个具体细节的情况下或者在使用其他方法、部件、材料等的情况下实现本发明。在其他的实例中，未对众所周知的结构、材料或操作进行示出或者进行详细描述，从而避免模糊本发明的各个方面。
所包括的示意性流程图大体上为逻辑流程图。因而，所描绘的次序和所标记的步骤表现出本方法的一个实施例。可以构思其他的在功能、逻辑、一个或多个步骤的效果上、或者一个或多个部分的效果上与所描述的方法等同的步骤和方法。另外，所采用的格式和符号用于解释本方法的逻辑步骤，并且不被理解为限制本方法的范围。虽然在流程图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是它们不被理解为限制相应方法的范围。事实上，一些箭头或者其他连接符可以用于仅表示本方法的逻辑流程。例如，箭头可以表示所描述方法的所列举步骤之间的一段未指明的等待期或者监控期。另外，特定方法发生的顺序可以严格遵循或者不严格遵循所示出相应步骤的顺序。
图1示出了根据本发明的、包括用于收集由于粒子荧光性而发出的光的抛物面反射器的粒子检测器。图1的系统包括光源105。在一个实施例中，光源105产生具有在270nm至410nm之间的波长的输出。在一个实施例中，光源105产生具有在350nm至410nm之间的波长的输出。在一个实施例中，光源105产生具有大约405nm波长的输出。光源105的光谱特性使得光源105发出的光当与具有感兴趣的尺寸范围的粒子相互作用时能够经历米氏散射(Mie scattering)。另外，选择的光源105要具有能够从微生物内部的代谢物和其他生物粒子中激发出固有荧光性的波长。基于以下观测结果选择了大约在270nm至410nm之间的波长，该观测结果为：微生物粒子和生物粒子包括表现出荧光性的如下多种初级代谢物中的至少一个，所述多种初级代谢物为：色氨酸，其通常在范围为大约220nm至大约300nm的、大约为270nm的激发波长处发出荧光；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，其通常在范围为大约320nm至大约420nm的、大约为240nm的激发波长处发出荧光；以及核黄素，其通常在范围为320nm至大约420nm的、大约为200nm的激发波长处发出荧光。在细菌内生孢子的情况下，吡啶二羧酸(DPA)通常在范围为大约320nm至大约420nm的、大约为400nm的激发波长处发出荧光。具有波长输出为大约350nm至大约410nm的光源确保上述三种初级代谢物NADH、色氨酸、以及DPA中的两个的激发。该波长带的选择允许在生物粒子中产生和检测荧光性，但是不包括诸如柴油机废气和其他惰性粒子的非生物源的激发，该其他惰性粒子诸如灰尘或者婴儿爽身粉。
光源105可以是如二极管激光器的激光器、发光二极管(LED)或者如灯的经过光谱过滤的宽带源。光源105可以可选择地包括准直光学器件或光束成形光学器件，以产生基本准直的输出和/或具有穿过光束的基本平坦的横向功率剖面(transverse power profile)的输出。可选择地，光源105包括向图1的系统中的其他元件附近输送光的光纤。当使用光纤从位于远处的光源输送光时，准直光学器件或者光束成形光学器件可以有选择地设置在光纤的输出处。
光源105向采样区110提供基本准直的光束。来自光源105的基本准直的光束和采样区110的相交部分产生探询区，该探询区是采样区的受照射的部分。在一个实施例中，待测流体是空气或某种其他气体，采样区110可以由通过采样区提供气流的两个可选择的喷气嘴之间的空间来限定。在另一实施例中，采样区110是由待测液体所流经的闭合通道来限定的。闭合通道或者导管也可以用于承载待测量的空气或者其他气体。在一个实施例中，闭合通道是由矩形玻璃管来限定的。根据优选实施例的闭合通道或者导管具有尺寸为2mm×4mm的矩形横截面。在可替换的实施例中，使用了具有3mm×0.3mm的内横截面尺寸的玻璃管。虽然这里通常使用词语“玻璃”来描述闭合通道或者导管，然而其并非专门用于液体测量，任何可选透明物质都可以是适合的，并且应当被视为在本发明的实施例的范围。除了玻璃，某些实施例中可以使用例如石英、熔融石英或者塑料。另外，虽然描述了使用具有矩形横截面的管子的具体实施例，其他形状也是可接受的，例如具有圆形横截面的管子。当采样区中存在的任何障碍物(bar)或者线路由折射率大于或等于1.0的材料制成时，不管该障碍物是导管的闭合流体线路、还是导管内的流体、或者甚至是以较高压力被注入的穿过两个喷嘴的液体，本发明的实施例都有利地工作。
在图1的实施例中，系统被配置以测量空气中的粒子。相应地，采样区110是两个喷嘴——在正压力下向采样区提供空气的进口喷嘴112和在负压力下从采样区抽取空气的出口喷嘴114——之间的空间来限定。基本准直的光对包括在流体中的粒子进行探询的任何空间都应当被视为本发明实施例的范围内的采样区。
在光源105的照射下，采样区110内的粒子由于米氏散射而散射光。米氏散射通常以与粒子尺寸成反比的角度散射光。相应地，相对于由相对较大的粒子所产生的散射，相对较小的粒子以更大的角度散射光。实际上，散射光从采样区110以锥状射出，该锥状以从光源105产生的准直光束所限定的轴线为中心。根据本发明的某些实施例，使用散射进入各个角度的光的量确定散射光的粒子的尺寸。
图1的系统还包括散射光集光透镜115。在一个实施例中，散射光集光透镜是平凸透镜，该平凸透镜设置有面向采样区110的透镜平面，以最小化与收集和对准散射光相关联的球面像差。散射光收集透镜115通过被配置和被定位成使其前焦点平面与采样区110相一致来收集和对准采样区110中的粒子以较大角度散射的光。
图1的系统还包括散射光聚光透镜120。散射光聚光透镜120接收来自散射光集光透镜115的准直光，并将该准直光会聚到散射光检测器125上，该散射光检测器125生成与在检测器125上入射的散射光的量成比例的电信号。
图1的系统还包括抛物面反射器130。抛物面反射器130的形状是相对于顶点来限定的，该顶点位于光源105发出的基本准直的光的光束所限定的轴线上。在一个实施例中，抛物面反射器130在其顶点处包括孔，以允许光从光源105至采样区110不中断地传播。抛物面反射器130横向定位(即，沿着由从光源105到采样区110传播的光的准直光束所限定的轴线从左至右定位)，以便其焦点位于采样区110的平面内。在采样区110内的经历荧光发出的粒子会各向同性地发出光，也就是说，会向限定球面的所有角度的发出相等的光功率。抛物面反射器130被定位成使得其拦截采样区内的粒子由于荧光性而发出的向后发出的半球面的光的至少一部分。由于用于输入来自光源105的光束的在轴线上的孔，所以不能拦截整个向后发出的半球面。在某些实施例中，抛物面反射器130延伸超过采样区110的平面，以收集向前发出进入前半球的一部分荧光。在这些情况下，反射器130包括第一孔132和第二孔133，用于在进口喷嘴112和出口喷嘴114位于抛物面反射器130的碗体外部的情况下，为进口喷嘴112和出口喷嘴114中任何一个或者两者、或者流体本身的流入提供进入采样区110的入口。可替换地，在待测流体是液体的情况下，反射器130包括第一孔132和第二孔133，以允许例如玻璃管的闭合流体线路的通过。在可替换的实施例中，使用诸如玻璃管的闭合导管来传送空气或者某些其他气体通过采样区110。抛物面反射器130使所收集的荧光基本准直，并指向向前方向，也就是说，平行于由光源105发出的准直光束所限定的轴线。
图1的系统还包括光束阻挡设备135。光束阻挡设备135防止由光源105发出的光在已经传播穿过采样区110之后进一步传播。在一个实施例中，光束阻挡设备135为由光吸收材料制成的盘，该盘直径略大于由光源105发出的准直光束的光束直径。在一些实施例中，光束阻挡设备135为由黑色阳极化铝制成的盘。在另外的实施例中，光束阻挡设备135为具有吸收性内涂层的小光盒，该吸收性内涂层被设置成促使由光源105发出并进入发光盒的光经历多次内反射。可替换地，光束阻挡设备是折叠反射镜，该折叠反射镜将光源105发出的光导向设置在图中所示光部件之外的某个位置处的束流收集器。可替换地，光束阻挡设备135为具有吸收性内涂层的锥体形状，光束在开口侧进入该吸收性内涂层。光束阻挡设备135可以是具有如下功能的任何设备或者多个设备的组合：该任何设备或者多个设备能够防止光源105发出的光在已经传播穿过采样区110之后进一步传播，或者防止光源105发出的准直光束所引起的杂散反射。
图1的系统还包括长通滤光器140。在一个实施例中，长通滤光器140为反射干扰型滤光器，该反射干扰型滤光器传输大于某一波长的光，并反射小于该某一波长的光。滤光器140的特性是这样的：其使得采样区110内的粒子由于荧光性而发出的光被传输，而与光源105发出的光具有基本相同波长的光被反射。由于荧光性导致发出与激发波长相比具有更长波长的光，所以滤光器140仅传递由于荧光性而发出的光，而反射来自光源105的噪声(例如杂散反射)以及采样区110内的粒子以低角度散射的光。将长通滤光器140放置在抛物面反射器130生成的准直光束中使得所有待滤光的射线以法线入射横穿滤光器140。由于干涉滤光器的性能倾向于在高入射角处降低，所以这是有利的。在一个实施例中，光束阻挡设备135附连至滤光器140。
图1的系统还包括荧光聚光透镜145，该荧光聚光透镜145将抛物面反射器130生成的荧光准直光束会聚到光纤147的端部。光纤147将会聚的荧光传输至光电倍增管(“PMT”)150，该光电倍增管150生成与系统所收集的荧光的量成比例的信号。
为了最大化所检测到的荧光的量，对抛物面反射器130的尺寸进行选择，使得抛物面反射器130生成的荧光准直光束溢出长通滤光器140和荧光集光透镜145。这增加了荧光以光学噪声的形式进入散射检测器125的可能性。在某些实施例中，这个潜在问题通过加入另外的滤光光学器件而解决。在某些实施例中，另外的未示出的滤光光学器件，例如未示出的短通滤光器，被加入在散射检测器125的光路中，以确保散射检测器125仅检测与光源105具有相同波长的光。
图1的系统的部件被设置成使得仅特定范围的角度的散射光由散射光检测器检测。这可以用许多方法来实现。例如，可以规定荧光集光部件的尺寸，使得能够阻挡从散射区110以低散射角发出的散射光。当出现这种情况时，只有散射角度足够高从而不到达荧光集光部件的、同时散射角度又足够低从而被散射光聚光透镜120所拦截的光将会传输至散射检测器125。另外，或者可替换地，可以在散射光检测通路中，例如在散射光聚光透镜120上，放置光学非传导材料制成的环状掩模。
虽然图1的系统借助光纤向PMT发送荧光，但这不是必要条件。图2示出了本发明的可替换的实施例，该可替换的实施例使用折叠反射镜将荧光导向位于轴线之外位置处的PMT。在图2的实施例中，光源205以穿过壳体202的基本准直光的光束探询采样区210。光源205的光谱特性根据图1的上述要求选择。如在图1的系统中的那样，采样区210中的粒子散射光，该光被散射光集光透镜215收集。收集到的散射光的准直光束导向散射光聚光透镜220，未示出的散射光聚光透镜220将散射光信号会聚到散射光检测器225上。
如图1的系统中的那样，由抛物面反射器230来收集采样区210中的受照射粒子由于荧光性而产生的光。如图1的系统中的那样，抛物面反射器230包括：在其顶点处的允许来自光源205的光进入的孔、以及为在采样区210往返的流体提供流动通路的孔232、孔233。在图2的示例中，待测流体由例如为玻璃管的闭合导管234承载。抛物面反射器230的焦点位于采样区210的平面内，以便抛物面反射器230收集采样区210内的受照射粒子由于荧光性而发出的光并使这些光准直。
在一个实施例中，图2的系统包括沿光源205发出的准直光束的通路所限定的轴线设置的光束阻挡设备235a和长通滤光器240a。光束阻挡设备235a和长通滤光器240a的功能与以上图1所描述的相同。在一个实施例中，图2的系统还包括折叠反射镜255，该折叠反射镜255使抛物面反射器230生成的荧光准直光束从其原始通路反射90度，所述原始通路为沿由光源205发出的准直光束的通路所限定的轴线行进的通路。在反射之后，抛物面反射器230生成的荧光准直光束在通过荧光聚光透镜245会聚之后被会聚到至PMT 250的入口上。
在可替换的实施例中，光束阻挡设备235b和长通滤光器240b为紧接荧光聚光透镜245而定位，而非定位在系统的主光轴上。在另外的实施例中，同时使用光束阻挡设备235a和光束阻挡设备235b以降低系统中的光学噪声。在另外的实施例中，同时使用长通滤光器240a和长通滤光器240b以降低系统中的光学噪声。
如图1中的那样，图2的系统的部件被设置成使得仅特定范围的角度的散射光被散射光检测器检测。这可以用许多方法来实现。例如，可以规定荧光集光部件的尺寸使得能够阻挡以低散射角从散射区210发出的散射光。当出现这种情况时，只有散射角度足够高从而未到达荧光集光部件的、同时散射角度又足够低从而被散射光聚光透镜220所拦截的光将会传输至散射检测器225。另外，或者可替换地，可以在散射光检测通路中，例如在未示出的散射光聚光透镜上，放置光学非传导材料制成的环状掩模。
图2的系统的有利特征是：比如元件235a和240a的光束阻挡部件和光谱滤光部件可以位于在散射光集光透镜215中形成的孔的内部。这允许更紧凑的整个壳体202以及光学部件的更容易对准。
虽然图1和图2的系统将PMT(即荧光检测器)定位成离开系统的主光轴(即光源生成的准直光束所限定的光轴)，但这不是必要条件。图3示出了根据本发明的荧光检测系统，其中所有的部件、包括PMT均位于同一光轴上。
在图3的实施例中，光源305以基本准直光的光束探询采样区310。光源305的光谱特性根据上述图1所列出的要求而选择。如在图1的系统中的那样，采样区310中的粒子散射光，该散射光由散射光集光透镜315收集。收集到的散射光的准直光束导向下游的散射光测量部件，例如未示出的聚光透镜320、光电二极管325和各种光谱滤光器。
如图1和图2的系统中的那样，由抛物面反射器330来收集采样区310中的受照射粒子由于荧光性而产生的光。如图1和图2的系统中的那样，抛物面反射器330包括在其顶点处的允许来自光源305的光进入的孔、以及为在采样区310往返的流体提供流动通路的孔332、孔333。如图2中的那样，图3的实施例中的流动通路由玻璃管334提供。抛物面反射器330的焦点位于采样区310的平面内，以便由抛物面反射器330来收集采样区310内的受照射粒子由于荧光性而发出的光并使所这些光准直。
如图1的系统中的那样，图3的系统包括沿光源305发出的准直光束的通路所限定的轴线设置的光束阻挡设备335和长通滤光器340。光束阻挡设备335和长通滤光器340的功能与以上图1所描述的相同。图3的系统还包括荧光聚光透镜345，该荧光聚光透镜345将荧光会聚到PMT 350的入口上。在图3的系统中，荧光聚光透镜345和PMT 350沿着由光源305发出的准直光束的通路所限定的轴线设置。
如图1中的那样，图3的系统的部件被设置成使得仅特定范围的角度的散射光被散射光检测器检测。这可以用许多方法来实现。例如，可以规定荧光集光部件的尺寸使得能够阻挡以低散射角从散射区310发出的散射光。当出现这种情况时，只有散射角度足够高从而未到达荧光集光部件的、同时散射角度又足够低从而被散射光集光透镜315所拦截的光将会传输至散射检测器325。另外，或者可替换地，可以在散射光检测通路中，例如在散射光聚光透镜上，放置光学非传导材料制成的环状掩模。
图3的系统的有利特征是：比如元件335和元件340的光束阻挡部件和光谱滤光部件可以位于在散射光集光透镜315中形成的孔的内部。另外，荧光聚光透镜345也可以位于这个孔中。这允许更紧凑的整个壳体设计以及光学部件的更容易对准。
图4示出了根据本发明的、具有改进的荧光收集的系统的可替换的实施例。如上述系统一样，图4的系统包括光源405，该光源405以基本准直光的光束探询采样区410。光源405的光谱特性根据上述图1所列出要求而选择。如在图1的系统中的那样，采样区410中的粒子将沿前向方向上的光散射成散射锥，且采样区410中的生物粒子各向同性地发出荧光。在图4的实施例中，采样区410由包括流体的玻璃管限定，该流体承载待测粒子。虽然图4中示出了在该情况下为熔融石英玻璃管的流体线路，但这不是必要条件。图4的集光部件同样也在待测流体是空气的情况下工作。
图4的系统包括抛物面反射器430，该抛物面反射器430收集荧光。抛物面反射器430包括在其顶点处的允许来自光源405的光进入的孔。抛物面反射器430的焦点位于采样区410的平面内，以便抛物面反射器430收集采样区410内的受照射粒子由于荧光性而发出的光并使这些光准直。不同于上述实施例，抛物面反射器430被限制其范围，以便其仅收集来自采样区410的在向后方向(即与光源405向采样区410提供的准直光光束的传播方向相反的方向)上行进的光。由于其受限的范围，抛物面反射器430不干扰向采样区410提供待测流体的流动通路。在可替换的实施例中，抛物面反射器430延伸超过采样区410的平面。在这些情况下，抛物面反射器430包括孔，以允许流体线路通过。
图4的系统还包括球面反射器437。球面反射器437被设置成使其曲率中心位于采样区410的平面内并且与抛物面反射器430的焦点一致。球面反射器437将由于荧光性而发出、在向前方向上的光的重定向回采样区，从而重定向回抛物面反射器430的焦点，其中，这样的光由抛物面反射器430收集并使其准直。另外，球面反射器437将在向前方向上散射的光的一部分重定向回采样区，从而重定向回抛物面反射器430的焦点，其中，这样的光由抛物面反射器430收集和并使其准直。球面反射器437包括轴向孔，该轴向孔允许由抛物面反射器430定向的荧光和散射光的准直光束不受阻碍地沿由光源405提供给采样区410的准直光束所限定的轴线通向图的右手侧。
图4的系统还包括光束阻挡设备435，该光束阻挡设备435被设置成阻挡光源405提供给采样区410的准直光束。在一个实施例中，光束阻挡设备435为由光吸收材料制成的盘，然而，如以上图1所述的，这不是必要条件。
图4的系统还包括分色光束分离器439。分色光束分离器439位于荧光和散射光的准直光束的通路中，并且被配置成在传输具有荧光波长的光的同时反射具有较短波长的散射光。在穿过分色光束分离器439之后，准直荧光光束遇到一个背对背式长通滤光器对447。在由滤光器对447进行另外的滤光之后，光束被荧光聚光透镜445会聚到PMT 450的入口。如上述系统中的那样，PMT 450产生与系统收集到并检测到的荧光的量成比例的电信号输出。
在图4的系统中，由分色光束分离器439来反射与由于荧光性而发出的光相比具有较短波长的光。这个反射光包括采样区410中的粒子在向前方向上散射的光。散射光在被散射光聚光透镜420会聚之后被会聚到散射光检测器415上。在图4的实施例中，如上述实施例中的那样，散射光检测器415是光电二极管。
图4的系统的部件被设置成使得仅特定范围的角度的散射光由散射光检测器检测。这可以用许多方法来实现。例如，球面反射器437的轴向孔固有地限定了从采样区410传输的角度的上限。可以选择球面反射器437的轴向孔的直径来限定散射角的高值范围。类似地，光束阻挡设备435固有地限定从采样区410传输的光的角度的下限。虽然光束阻挡设备435的首要目的在于阻挡直接来自光源405的光，然而也可以增加光束阻挡设备435的直径以阻挡低角度的散射光。另外，或者可替换地，由光学非传导材料制成的环形掩模可以放置在散射光检测通路上，例如放置到散射光聚光透镜420上。
虽然图4的设置将荧光检测器设置在系统的主光轴上，但这不是必要条件。取决于分色光束分离器439的设计，可以交换PMT 450的位置和散射光检测器415的位置。
在图4的实施例中，限定采样区410的玻璃管引起了一些在待测流体为空气的情况下所不存在的挑战。玻璃管横向通向散射光集光系统和荧光集光系统二者的像平面。相应地，玻璃管将像散引至在光电二极管415和PMT 450处形成的像。在玻璃管承载折射率比空气大的液体的情况下，这种效应加剧。为了解决这个问题，某些实施例在光电二极管415和PMT450的聚光透镜之间使用第一柱状透镜460和第二柱状透镜465。柱状透镜460和465有助于校正采样区410中的玻璃管所引起的像散。
图5示出了图4的系统的可替换实施例，其中，散射光检测器415在采样区410的平面的有限共轭处工作。在图5的系统中，散射光聚光透镜420的屈光力和位置被调整使得该散射光聚光透镜420在散射光检测器415与采样区410之间的有限共轭处工作。换言之，散射光聚光透镜420直接将采样区410的平面成像到散射光检测器415的平面上，而无需在光路中插入光学器件例如球面反射器或者抛物面反射器来辅助。这具有选择较小角度范围的散射光用于检测的作用，这是因为只有角度在球面反射器437的中心孔的角度以下的散射光被散射光聚光透镜420强有力地收集。
图6示出了根据本发明的实施例的、同时测量粒子尺寸和检测荧光性的方法的步骤。操作的原理如下：仪器连续监测周围空气、气体(或液体)，以实时地测量在空气中传播的各种粒子的尺寸并且同时确定该粒子是否发出荧光。为荧光信号设定一个或多个阈值。如果荧光信号落到设定参数之外，则该粒子被分类为是惰性的。荧光信号阈值包括选自荧光信号强度、荧光强度的一个或多个参数，其中荧光强度是粒子横截面积的函数或者是粒子体积的函数。如果荧光信号阈值超过或者落入一个或多个设定阈值等级内，则该粒子被标记为是生物的。粒子尺寸和荧光信号强度的组合数据将一个粒子接着一个粒子地确定微生物的存在或不存在。在Morrell等人共同拥有的美国专利申请第12/268,366号中，公开了荧光信号阈值的其他特征和考虑，其公开的与本文公开内容中不一致的部分通过引用并入本文中。
如图4和图5所示，在采样区中使用例如玻璃管的闭合导管呈现出某些挑战。除了上述提到的像散之外，紧跟在光源下游的闭合导管可能在导管表面上不利地产生进入光源的背向反射。在光源是激光的情况下，这可以引起暂时的不稳定性。为了克服这个挑战，某些实施例在至少导管的面向光源的任何表面上包括抗反射物。在某些实施例中，导管的下游表面，即出射面，还可以被抗反射物涂覆，以增加通过量和信噪比。另外或者可替换地，导管的平坦表面可以相对于由光源的光束所限定的轴线倾斜，以将杂散回射倾向侧面。
另外，在来自光源的光束溢出导管的情况下，在导管的陡缘处和/或转角处会产生不利的散射、折射和反射。这在使用矩形导管承载待测流体的实施例中尤其麻烦。根据本发明的实施例通过在导管的上游表面，即面向光源的表面，设置掩模或者孔来最小化这些边缘效应，以确保不照射到导管的转角。在一些实施例中，采用与用来敷设抗反射涂层相同的化学气相沉积工艺在导管的上游表面上沉积该掩膜或孔。
图7示出了根据本发明的实施例的系统中所使用的球面反射器的平面图或者轴向视图，该系统例如图4和图5的上述系统。图7的视图为沿图4和图5中所描述的光源所发出的光束的光轴的向下看的视图。图7示出了包括中心孔710的球面反射器705。球面反射器705包括一对横向掩模段720。掩模段720位于与承载受测流体的导管(即图4和图5中所示的玻璃管)的长度方向正交的平面内。根据图4和图5的视点，掩模段720位于与图4和图5的平面正交的平面内并且包括光源生成的光束所限定的光轴。如上所述，当光源发出的光束遇到导管中的转角或者经历离开导管的内壁的多次反射时，已经观察到导管的下游生成了扇形的杂散光。该扇形是平面的，通常被限制到包括光束和导管的四个转角的平面。掩模段720被设置以吸收和/或防止该扇形杂散光离开球面反射器705的背向反射，否则该扇形杂散光会传播通过系统。
尽管已经详细示出了本发明的优选实施例，然而明显的是：本领域的技术人员可以在不偏离如所附权利要求中所述的本发明的范围的情况下对这些实施例进行润饰和适应性修改。

Claims (19)

1.一种粒子检测和分类系统，包括：
采样区，所述采样区包括待测流体；
光源，所述光源位于所述采样区的第一侧；
第一检测器，所述第一检测器位于所述采样区的第二侧；
第二检测器，所述第二检测器位于所述采样区的第二侧；以及
抛物面反射器，所述抛物面反射器具有位于所述采样区的第一侧的顶点和位于所述采样区内的焦点；
其中，所述光源沿第一轴线向所述采样区提供基本准直的光，所述第一检测器测量在所述采样区的第二侧方向上以预定角度散射的光，所述抛物面反射器收集所述采样区内的受照射粒子由于荧光性而发出的光，并使所收集的光以基本准直的方式导向所述采样区的第二侧方向，所述第二检测器测量所述抛物面反射器收集的荧光，
其中，所述系统还包括位于所述采样区的第二侧的球面反射器，其中所述球面反射器具有与所述抛物面反射器的所述焦点一致的曲率中心。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括散射光集光透镜，所述散射光集光透镜位于所述采样区的所述第二侧且其前焦点位于所述采样区内，其中，穿过所述散射光集光透镜的散射光被所述第一检测器拦截。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述散射光集光透镜使所述采样区内的粒子所散射的光准直，并且，所述系统还包括散射光聚光透镜，所述散射光聚光透镜接收来自所述散射光集光透镜的准直光并将所述准直光会聚到所述第一检测器。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述采样区的所述第二侧并在所述第一轴线上的光束阻挡设备，其中，所述光束阻挡设备拦截来自所述光源的从所述采样区出来之后的光。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括设置在所述采样区的所述第二侧并在所述第一轴线上的长通滤光器，其中，所述长通滤光器选择性地传输具有所述采样区内的受照射粒子由于荧光性而发出的光的波长的光。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括位于所述采样区的所述第二侧的荧光聚光透镜，所述荧光聚光透镜接收来自所述抛物面反射器的准直光，并使所述准直光导向所述第二检测器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二检测器、所述光束阻挡设备、所述长通滤光器和所述荧光聚光透镜的任意组合被确定尺寸和/或被设置成部分阻挡在所述第二侧方向以预定范围内的角度散射的光。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括发光二极管LED或者二极管激光器，其中，所述光源发出波长在大约350nm至410nm之间的光。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括具有使得所述采样区成像到所述第一检测器上的屈光力和位置的散射光集光透镜。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括接收来自所述抛物面反射器的准直光并将所述准直光会聚到所述第一检测器的散射光集光透镜。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述采样区由承载具有大于1.0的折射率的流体的流体线路限定。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述流体线路具有基本为矩形的横截面。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述球面反射器包括一对光吸收掩模，所述一对光吸收掩膜被设置用于拦截由来自所述光源的光与所述流体线路的转角之间的相互作用所引起的杂散光。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括：与所述第一检测器光连通的第一柱面透镜和与所述第二检测器光连通的第二柱面透镜。
15.一种粒子检测和分类系统，包括：
采样区，所述采样区包括待测流体；
光源，所述光源位于所述采样区的第一侧；
第一检测器，所述第一检测器位于所述采样区的第二侧；
第二检测器，所述第二检测器位于所述采样区的第二侧；
抛物面反射器，所述抛物面反射器具有位于所述采样区的所述第一侧的顶点和位于所述采样区内的焦点；
其中，所述光源提供限定第一轴线的基本准直的光，以及，
其中，所述光源、所述采样区、所述第一检测器和所述第二检测器沿着第一轴线定位。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括位于所述采样区的第二侧的球面反射器，其中，所述球面反射器具有与所述抛物面反射器的所述焦点一致的曲率中心。
17.一种粒子检测和分类系统，包括：
采样区，所述采样区包括待测流体；
光源，所述光源位于所述采样区的第一侧；
第一检测器，所述第一检测器位于所述采样区的第二侧；
第二检测器，所述第二检测器位于所述采样区的第二侧；
抛物面反射器，所述抛物面反射器具有位于所述采样区的所述第一侧的顶点和位于所述采样区内的焦点；
第一柱面透镜以及第二柱面透镜，所述第一柱面透镜与所述第一检测器光连通，所述第二柱面透镜与所述第二检测器光连通，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜均位于所述采样区的第二侧；
其中，所述采样区由承载流体的流体线路来限定，其中，所述流体线路或者所述流体具有大于1.0的折射率。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括位于所述采样区的第二侧的球面反射器，其中，所述球面反射器具有与所述抛物面反射器的所述焦点一致的曲率中心。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述球面反射器包括一对光吸收掩模，所述一对光吸收掩模被设置用于拦截由来自所述光源的光与所述流体线路的边缘之间的相互作用所引起的杂散光。
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