KR102391170B1 - 입자 검출을 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

입자 검출기는 하우징, 광원 및 광전자 물질을 포함한다. 하우징은 샘플 유입부 및 샘플 유출부를 포함하고, 검출 공동을 감싼다. 광원은 검출 공동에서 유동하는 샘플 유체의 입자를 길이 방향 축을 따라서 지향시킨다. 광전자 물질은 검출 공동의 적어도 일부를 둘러싸고, 길이 방향 축에 대하여 각이 진 복수개의 측정 광 경로들에서 입자들로부터 전파되는 측정 광을 수신한다. 입자 검출기는 자발 형광에 기인하여 방사되는 광 및/또는 산란 광을 측정하는데 이용될 수 있다. 샘플링된 유체는 에어로졸, 바이오에어로졸 및 액체를 포함할 수 있다.

Description

입자 검출을 위한 장치, 시스템 및 방법{Devices, Systems And Methods For Detecting Particles}
본 출원은 2014년 8월 20일자로 제출된 미국 가출원 "입자 검출을 위한 장치, 시스템 및 방법"(62/039,512) 및 2014년 8월 20일자로 제출된 미국 가출원 "유동 제어 및 샘플 모니터링 제어를 위한 시스템, 장치 및 방법" (62/039,519)의 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 본원에 참고로서 포함된다.
본 발명은 광 산란 및 자발 형광의 측정을 포함하는, 에어로졸 또는 액체에서의 입자의 광학 기반 검출에 관한 것이다.
농도 또는 다른 특성들의 측정을 위하여 유체 매체에 부유된 입자(particle) 및 콜로이드들의 검출은 의료 진단, 과학 연구, 공기 질 측정 및 위험성 검출(threat detection)과 같은 다양한 적용예에서 유용하다. 액체에 부유된 입자들의 농도 측정은 혈중 단백질, 외부 환경 뿐만 아니라 빌딩과 같은 내부 환경에서의 공기중 입자들과 같은 것을 예로 들 수 있다.
주목되어야 하는 다른 적용예는 에어로졸에 있는 공기중 입자들(또는 입자화 물질, particulate matter, PM)의 농도 및 다른 특성들의 측정이다. 미국 환경 보호청(US EPA)은 공기중의 에어로졸 농도 및 그것의 건강 효과의 중요성 때문에 굵은 미립자(10 마이크로미터 내지 2.5 마이크로미터 사이, PM10)와 미세 미립자(2.5 마이크로 미만, PM2 .5)에 대한 노출 표준을 가진다. 근로자의 건강 보호 및 제조 과정에서의 오염 방지를 위하여 제조업에서 에어로졸 농도도 중요하다.
특별히 중요한 에어로졸의 유형은 바이오에어로졸(bioaerosol)이다. 바이오에어로졸은 균류 종자, 박테리아 포자, 박테리아, 바이러스 및 생물학적으로 도출되는 입자(피부 세포, 유기 파편(detritus)등)와 같은 바이오입자들을 포함한다. 일부 바이오에어로졸은 만성적이고 그리고/또는 심각한 건강상의 문제를 일으키며, 예를 들어 검은 곰팡이 또는 바실러스 안스레이스(Bacillus anthraces)(탄저병의 원인 박테리아)의 특정 계통과 같은 것이다. 바이오에어로졸 농도는 안전한 병원, 청결한 식품 처리, 약학 및 의료 장비 제조 및 공기 품질을 유지하는데 중요하다. 질병의 공기 전염은 공중 보건의 관점에서 특히 관심 대상이다. 에어로졸로 이루어진 미생물제재(bioagent)는 테러리트스가 민간인 또는 군인을 해치는데 이용될 수도 있다.
에어로졸 및 바이오에어로졸 농도의 측정(감지)은 통상적으로 광학 기술로써 달성된다. 에어로졸(예를 들어, 공기중에 분산된 10 마이크로미터 이하의 고체 및 액체 입자) 농도 측정은 다양한 광 산란 측정에 의해 달성된다. 참고 문헌으로서, "에어로졸 테크놀로지"( Hinds, Aerosol Technology, New York, John Wiley & Sons, Inc. (1982)) 및, "측정 방법, 에어로졸 측정"(Lehtimaki and Willeke, Measurement Methods, Aerosol Measurement, Willeke and Baron, New York, Van Norstrand Reinhold, 112-129 (1993)을 참조하기로 한다. 가장 정확한 방법은 검출 공동 안으로의 에어로졸의 흐름에 초점을 맞추는 단일 입자 카운터(single particle counter)의 이용을 수반하는데, 이것은 장파장(>650 nm) 레이저로부터 산란되는 광이 측정된다. 광자 검출기상으로 산란된 광을 수집하고 초점을 맞추도록 정밀 옵틱(precision optic)들이 필요하다 (광원 제외). 광자 검출기들은 광전자 효과(광자를 전자로 변환시킴)를 겪는 실리콘 또는 광캐소드 물질(예를 들어, 인듐 갈륨 비화물(arsenide))로부터 만들어진다. 이들 물질은 광자로부터 높은 신호 증폭을 제공하는 검출기 안으로 팩키지되며, 예를 들어, 광전 배전관(photomultiplier tube, PMT) 및 애벌란시 광다이오드(APD)와 같은 것이다. 이들 검출기들은 작고(25 mm2) 평탄한 기하 형상으로 제한된 활성 검출 영역을 가진다. 더욱이, 이들 검출기들은 100 달러 또는 그 이상이고, 고감도 PMT 의 경우에 1,000 달러를 종종 초과한다.
자외선(UV) 또는 블루 라이트(blue light)에 의해 여기되는 자발 형광(또는 자기 형광(intrinsic fluorescence)은 바이오에어로졸의 검출을 위해 잘 개발되어 있다. 참조 문헌으로서 다음과 같은 것을 들 수 있다: "입자 에어로다이나믹 크기 및 자기 형광의 순간적인 측정을 이용한 바이오에어로졸의 실시간 검출을 위한 기구의 디자인"(Hairston et al., "Design of an instrument for real-time detection of bioaerosols using simultaneous measurement of particle aerodynamic size and intrinsic fluorescence,"Journal of Aerosol Science 28(3): 471-482 (1997)); "생물학적 검출의 미래"(Ho, "Nuture of biological aerosol detection,"Analytical Chimica Acta 457(1): 125-148 (2002)); "UVAPS 에 의한 박테리아 에어로졸의 실시간 측정;성능 평가" (Agranovski et al., Real-time measurement of bacterial aerosols with the UVAPS: Performance evaluation,"Journal of Aerosol Science 34(3): 301-317 (2003)); "박테리아 식별 및 특징에 대한 자기 형광의 이용에 있어서의 최근의 발전"(Ammor, "Recent advances in the use of intrinsic fluorescence for bacterial identification and characterization,"Journal of Fluorescence 17(5): 455-459 (2007)); "클린 룸 환경의 저농도에서의 실행 가능한 박테리아 에어졸 검출을 위한 실시간 광학 방법의 타당성"(Ho et al., "Feasability of using real-time optical methods for detecting the presence of viable bacteria aerosols at low concentrations in clean room environments," Aerobiologia 27(2): 163-172 (2011)). 세균의 자발 형광의 이용은 잠재적인 생물학적 위험성(threat)을 검출하는 가장 비용 효과적인 수단들중 하나로서 널리 관찰된다. 바이오에어로졸 검출기들은 통상적으로 광 산란(일반적인 에어로졸 농도 및 특성들의 측정) 및 자기 형광(방사된 광자의 검출)의 조합을 이용한다. 자발 형광에 기초한 바이오에어로졸 검출기들은 바이오 입자내에 존재하는 분자 형광단(molecular fluorophores)으로부터의 형광 발광에 의존한다. 클린 바이오 입자(clean bio-particle)에 대하여, 이러한 형광은 주로 트립토판 및 타이로신(아미노산), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오디드(nicotinamide adenine dinucleotide; NADH) 및 리보플라빈과 같은 생화학제에 기인할 수 있다. NADH 및 리보플라빈은 아미노산보다 더 긴 파장을 흡수 및 방사한다. 이것은 다음의 "어드밴스드 트리거 바이오에어로졸"(Jeys et al., "Advanced trigger development" Lincon Laboratory Journal 17(1): 29-62 (2007)); "바이오에어로졸의 형광; 주로 박테리아에서 분자를 흡수하고 형광 발광하는 것을 포함하는 수학적 모델"(Hill et al., "Fluorescence of bioaerosols: mathematical model including primary fluorescing and absorbing molecules in bacteria,"Optics Express 21(19): 22285-22313 (2013))을 참조하기로 한다. 발광 다이오드(LED 여기 파장 λexc > 360 nm) 또는 레이저(λexc > 400 nm)와 같은 더 긴 파장의 여기 소스(excitation source)를 이용하는 성능은 상기 기구들의 비용을 감소시킬 수 있다.
전통적인 바이오에어로졸 입자 검출기는 다음의 3 가지 주 구성 요소에 의존한다: (1) 목표 형광단 또는 형광단들의 집합을 여기하도록 적절한 파장의 여기 소스(excitation source); 소스를 좁은 공기 흐름으로 초점 맞추고 생물학적 입자들로부터의 방사된 광자들의 수집을 향상시키도록 여기 측 및 방사 측 양쪽 모두에 있는 정밀 옵틱(precision optics)(렌즈 및 미러); 및 PMT 또는 APD 와 같은 높은 이득(gain)의 검출기들. 가시 파장 또는 장파장으로부터의 탄성 광 산란은 입자들의 수를 세고(count) 때때로 크기를 정하는데 이용된다. 바이오분자들의 자발 형광은 미생물을 검출하도록 이용된다. 통상적인 바이오에어졸 검출기는, 1 x 10-4 cm3 정도의 형광 활성 체적을 가지는 작은 검출 공동을 이용하여, 각각의 바이오에어로졸 입자의 검출을 위한 윈도우를 과도하게 작게 만든다. 통상적인 유량에서, 바이오에어로졸 입자는 평균적으로 1 내지 10 마이크로초동안 여기 체적 안에 체류한다. 이것은 해어스톤(Hairston et al)(1997)등을 참조하기로 한다. 결과적으로, 각각의 바이오에어로졸 입자로부터의 산란 광은 실질적으로 개별의 기초로 수집되고, 신호는 미약하다. 이것은 "바이오로지칼 워페어 에이전트의 검출 및 식별을 위한 광학적 기술"(Greenwood et al., "Optical Techniques for Detecting and Identifying Biological Warfare Agents,"Proceedings of the IEEE 97(6): 971-989 (2009))을 참조하기로 한다. 따라서 이러한 약한 신호는 약한 신호를 수집하고 그것을 높은 이득(gain)의 검출기로 초점을 맞추도록 정밀 렌즈 및 미러들의 이용을 필요로 한다 (예를 들어, PMT 또는 APD).
에어로졸 및 바이오에어로졸 농도와 농도의 변화에 대한 측정은 다양한 상업적으로 이용 가능한 기구들을 통하여 가능하며, 예를 들어 에어로졸을 위한 레이저 에어로졸 스펙토미터(Laser Aerosol Spectometer)( TSI Incorporated, Shoreview, Minnesota, USA), 바이오에어로졸을 위한 울트라바이올렛 에어로다이나믹 파티클 사이저(Ultraviolet Aerodynamic Particle Sizer for bioaerosols) (TSI Incorporated), 바이오에어로졸을 위한 와이드밴드 인터그레이티드 바이오에어졸 센서(Wideband Integrated Bioaerosol Sensor (WIBS-4)( Droplet Measurement Technologies, Boulder, Colorado, USA) 및, 순간 생물학적 분석기 및 수집기(the instantaneous biological analyzer and collector) (FLIR Systems, Inc., Wilsonville, Oregon, USA)를 통하여 가능하다. 그러나, 그러한 기구들은 10,000 달러를 초과할 수 있어서 광범위한 사용이 비용 때문에 억제된다. 더욱이, 에어로졸/바이오에어로졸 센서들의 충분히 조밀한 센서 네트워크(즉, 중심 네트워크와 소통하는 다수의 기구들)는 비용이 비싸서 억제된다. 센서 네트워크의 비싼 비용은 응답 시스템에서의 투자가 문제임을 의미한다. 예를 들어, 병원 또는 빌딩을 통하여 위치되고 빌딩의 제어 시스템과 네트워크가 이루어진 몇 개의 바이오에어로졸 센서들을 제공함으로써, 공기 유동을 전환시키거나 또는 필터의 유지 관리 및 공기 핸들러(air handler)의 필요성을 나타내는 것과 같은 것에 의하여, 안전한 환경을 유지하고 바이오에어로졸 농도의 변화에 응답하는 것이 소망스럽다.
정해진 샘플링 기간(통합 기간;integration period) 동안 실시간으로 에어로졸이 샘플링되면서 에어로졸로부터 데이터를 획득하는 에어로졸 노출 모니터들이 개발되었다. 그러한 장치들은 공기 역학적 사이징(aerodynamic sizing)을 위한 관성 임팩터, 수집 및 차후 분석을 위한 입자 수집 필터 및, 실시간으로 광 산란 데이터를 획득함으로써 입자 농도를 측정하기 위한 네펠로미터(nephelometer)를 채용할 수 있다. 그러한 장치들의 예는 국제 출원 공개 WO 2013/063426 (2012.10.26)에서 " AEROSOL EXPOSURE MONITORING"로 개시되어 있으며, 상기 문헌의 내용은 본원에 참고로서 포함된다. 또한 터비도미터(turbidometers)들이 공지되어 있으며, 이것은 용액내의 세포와 같은 입자들의 농도를 측정한다.
입자들의 농도 및 다른 특성들에 대한 데이터를 획득하도록 에어로졸, 바이오에어로졸 및 액체에 있는 입자를 측정하기 위한 장치 및 방법에 대한 계속적인 필요성이 있다. 또한 단순화된 기하 형상 및, 정밀 부품들의 개수 및 비용이 감소되고 효율적으로 작동되는 상기 장치들에 대한 필요성도 있다. 더욱이 그러한 장치들을 제조, 작동 및 유지하는 비용 및 수고가 덜 필요한 상기 장치들에 대한 필요성도 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 개선한 입자 검출을 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
당업자가 관찰할 수 있었던 상기의 문제점을 전체적으로 또는 부분적으로 해결하도록, 본 발명은 아래에 기재된 예를 들어 설명된 바와 같은 방법, 프로세스, 시스템, 장치, 기구 및/또는 디바이스를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 입자 검출기는, 샘플 유입부 및 샘플 유출부를 포함하는 하우징으로서, 길이 방향 축을 따라서 공동의 길이를 가지는 검출 공동을 둘러싸고, 샘플 유입부로부터 샘플 공동을 통하여 샘플 유출부로 유동 경로를 형성하는 하우징; 검출 공동에서 유동하는 샘플 유체의 입자들로 길이 방향 축을 따라서 조사 광을 지향시키도록 구성된 광원; 및, 공동의 길이의 적어도 일부를 따라서 검출 공동을 둘러싸는 광전자 물질로서, 길이 방향 축에 대하여 각이 진 복수개의 측정 광 경로들에서 입자들로부터 전파되는 측정 광을 수신하도록 구성된, 광전자 물질;을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 샘플 유체내의 입자를 측정하는 방법은: 검출 공동을 통하여 샘플 유체를 유동시키는 단계; 샘플 유체내의 입자들에 조사하도록 길이 방향 축을 따라서 검출 공동을 통하여 조사 광을 지향시키는 단계로서, 입자들이 조사에 응답하여 측정 광을 방사하는, 조사 광 지향 단계; 및, 길이 방향 축에 대하여 각이 진 복수개의 측정 광 경로들에서 입자들로부터 전파되는 광전자 물질 측정 광을 수신하는 단계로서, 광전자 물질은 공동 길이의 적어도 일부를 따라서 검출 공동을 둘러싸는, 광전자 물질 측정 광 수신 단계;를 포함한다.
일부 실시예들에서, 샘플 유체는 에어로졸이다.
다른 실시예들에서, 샘플 유체는 액체이다.
본 발명의 다른 장치, 기구, 시스템, 방법, 특징 및 장점은 다음의 도면 및 상세한 설명에 대한 검사에서 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 장점은 본 발명의 상세한 설명에 포함되고, 본 발명의 범위내에 속하며, 첨부된 청구 범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
본 발명은 다음의 도면을 참조함으로써 보다 잘 이해될 수 있다. 도면들의 구성 요소들이 반드시 축척대로 도시된 것은 아니며 대신에 본 발명의 원리를 나타내는 곳이 강조되어 있다. 도면에서 동일한 도면 번호는 상이한 도면들을 통하여 대응하는 부분들을 지시한다.
도 1 은 본 발명의 일부 실시예에 따른 입자 검출기의 예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 입자 검출기의 개략적인 단면도(x-y 평면)로서, 길이 방향 축(z-축)을 따른 임의의 점에서 취해진 것이다.
도 3 은 x-z 평면에서 임의로 취해진, 도 1 에 도시된 입자 검출기의 개략적인 평면도이다.
도 4 는 도 1 에 도시된 입자 검출기의 개략적인 평면도로서, 입자 검출기에서 사용될 수 있는 미광 차단 장치(stray light blocking device)를 도시한다.
도 5 는 도 1 에 도시된 입자 검출기의 개략적인 평면도로서, 입자 검출기에서 사용될 수 있는 비임 형상화 옵틱(beam shaping optic)들의 예를 도시한다.
도 6 은 도 1 의 입자 검출기에서 사용될 수 있는 유연성 광 검출기의 예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 7 은 다른 실시예들에 따른 입자 검출기의 개략적인 단면도이다.
도 8 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 9 는 일부 실시예들에 따른 입자 검출기의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 10 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 11 은 일부 실시예에 따른 입자 검출기의 다른 예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 12 는 아래의 예 1 에서 설명된 입자 검출기에 의해 샘플링되고, 스캐닝 모빌리티 파티클 사이저(Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS))로 측정된, ISO 초미세 아리조나 도로 먼지(ISO Ultrafine Arizona Road Dust)의 크기 분포에 대한 그래프이다. 먼지(dust)는 에어로졸 혼합 챔버 안으로 분산되었고 응축 입자 카운터(Condensation Particle Counter (CPC))에 연결된 SMPS 로 샘플링되었다.
도 13a 는 에어로졸 농도에 대한 그래프로서, 에어로졸 혼합 챔버는 초미세 아리조나 도로 먼지(Ultrafine Arizona Road Dust)의 양으로 채워지고 아래의 예 1 에서 설명된 입자 검출기, 에어로다이나믹 입자 사이저(Aerodynamic Particle Sizer (APS)) 및, 도 12 와 관련하여 위에서 언급된 CPC 에 의하여 샘플링되었다; 챔버 안에서의 에어로졸 농도의 감쇠(decay)는 모두 3 가지의 기구들에 의해 포착된다; 보고된 입자 검출기 응답은, 레이저가 켜진 상태이지만 센서를 통해 유동하는 공기에 입자가 없는 상태로 측정된 베이스 라인(baseline)을 측정된 전압에서 차감한 것이다.
도 13b 는 아래의 예 1 에서 설명된 입자 검출기의 응답을 APS 의 입자 카운팅(particle counting)과 비교한 그래프이다; 보고된 입자 검출기 응답은, 레이저가 켜진 상태이지만 센서를 통해 유동하는 공기에 입자가 없는 상태로 측정된 베이스 라인(baseline)을 측정된 전압에서 차감한 것이다.
도13c 는 아래의 예 1 에서 설명된 입자 검출기의 응답을 CPC 의 입자 카운팅과 비교한 비교한 그래프이다; 보고된 입자 검출기 응답은, 레이저가 켜진 상태이지만 센서를 통해 유동하는 공기에 입자가 없는 상태로 측정된 베이스 라인(baseline)을 측정된 전압에서 차감한 것이다.
도 14 는 아래의 도 2 에서 설명된 입자 검출기의 응답을 불활성 에어로졸(inert aerosol) 및 바이오에어로졸에 대하여 시뮬란트(simulant)로서 티노팔(Tinopla)이 부착 및 미부착(untagged)된 실로이드 에어로졸(Syloid aerosol)에 대한 아래의 예 2 에서 설명된 입자 검출기의 응답의 그래프이다; 자외선(UV) 젤 필터(gel filter)에 의해 보호되는 입자 검출기의 광전지 광 검출기의 응답은 방사된 형광 때문이며, 산란된 여기 광자들 때문은 아니다.
도 15 는 형광 발광되게 태그 부착된 실로이드 에어로졸(2% Tinopla)에 대한 아래의 도 2 에 설명된 입자 검출기의 응답에 대한 그래프이다; APS 및 CPC 는 전체 입자 카운트(total particle count)를 제공한다; 보고된 입자 검출기 응답은 레이저가 켜진 상태이지만 센서를 통해 유동하는 공기에 입자가 없는 상태로 측정된 베이스라인(baseline)을 측정 전압에서 차감한 것이다.
도 16 은 Bg 포자 에어로졸에 대한 바이올렛(violet) 405 nm 및 레드(red) 650 레이저들을 가지고 아래의 도 3 에서 설명된 입자 검출기의 응답에 대한 그래프이다.
여기에서 이용되는 바로서 "에어로졸"이라는 용어는 관찰 및 측정될 정도로 긴 기체 매체내에 부유된 액체 또는 고체 입자들(또는 미립자 또는 미립자 물질)을 일반적으로 지칭한다. 에어로졸 입자의 크기는 통상적으로 대략 0.001 마이크로미터 내지 대략 100 마이크로미터의 범위이다. "에어로졸의 측정" 참조(Kulkarni et al., Aerosol Measurement, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc. (2011), p. 821) . "기체성 유체" 라는 용어는 일반적으로 기체(또는 기체성 유체 또는 기체상의 유체)를 지칭한다. 기체는 액체 액적 또는 증기를 포함하거나 포함하지 않을 수 있고, 에어로졸 입자들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 기체의 예는 주위 공기이며, 그러나 그에 한정되지 않는다. 에어로졸은 따라서 입자 및 입자를 수반하거나 또는 운반하는 기체를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
여기에서 사용되는 바로서, "바이오에어로졸"이라는 용어는 전체적으로 하나 이상의 바이오 입자들이 부유되거나 운반되는 에어로졸을 지칭한다. "바이오입자(bio-particle)"라는 용어는 전체적으로 생물학적 물질을 지칭하거나, 또는 생물학적 물질이 운반되는 무생물적 입자와 생물학적 입자의 조합을 지칭한다. 즉, 생물학적 물질은 자체적으로 에어로졸에 자유롭게 부유된 입자일 수 있거나, 또는 무생물 입자상에 운반될 수 있음으로써 생물학적 물질 및 무생물 입자가 에어로졸에 함께 부유된다. 생물학적 물질은 예를 들어, 포착(entrapment), 함입(embedment), 부착(adhesion), 흡착(adsorption), 유인력(attractive force), 친화력(affinity)등과 같은 그 어떤 메커니즘에 의해서도 무생물 입자상에서 운반될 수 있다. 생물학적 물질들의 예는, 포자(예를 들어, 버섯 포자, 박테리아 포자등), 균류, 곰팡이, 박테리아, 바이러스, 생물 세포, 세포외 성분, 생물학적으로 도출된 입자들(예를 들어, 피부 세포, 파편(detritus)등)을 포함하며, 그러나 그에 제한되지 않는다.
여기에서 사용되는 바로서, 편의를 위하여, 다르게 표시되지 않거나 또는 문맥이 다르게 지시하지 않는 한, "에어로졸"은 전체적으로 "바이오에어로졸(bioaerosol)"을 포괄하고, "입자"라는 용어는 전체적으로 "바이오입자(bio-particle)"를 포괄한다.
여기에서 사용되는 바로서, "유체"라는 용어는 다르게 표시되지 않거나 또는 문맥이 다르게 지시하지 않는 한, "기체" 뿐만 아니라 "액체"를 포괄한다. 에어로졸에서 유지되거나 부유된 입자들 뿐만 아니라, 액체에서 부유되거나 운반된 입자들은 여기에 개시된 장치들 및 방법들에 의해 검출될 수 있다.
여기에서 사용되는 바로서, "광" 이라는 용어는 광자(photon)로서 정량화될 수 있는 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 지칭한다. 본 발명에 관련되는 한, 광은 자외선(UV) 내지 적외선(IR) 범위의 파장으로 전파될 수 있다. 본 발명에서, "광", "광자" 및 "조사(radiation)"는 상호 교환 가능하게 사용된다.
여기에서 사용되는 바로서, 물질이 소망되는 파장 또는 파장들의 범위의 광을 (최소한의 광학 투과 손실로써) 효율적으로 통과시킬 수 있다면 그 물질은 "광학적으로 투명"하다.
도 1 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기(100)의 예에 대한 개략적인 사시도이다. 전체적으로, 입자 검출기(100)는 입자가 실린 샘플 유체(즉, 에어로졸 또는 액체)가 유동할 수 있는 검출 공동(104)(또는 샘플 체적)을 한정하고(예를 들어 포함하거나 감싸도록), 하나 이상의 선택된 파장들의 조사되는 광(또는 광원)의 하나 이상의 비임(108)을 생성하고, 비임(들)(108)을 검출 공동(104)으로 지향하여 검출 공동(104)내의 입자(112)들이 입자(112)들에 입사된 조사광과 상호 작용할 수 있게 하고, 조사에 응답하여 입자(112)들로부터 방사된 측정 광(또는 방사 광)을 수집(수신)하도록 구성된다. 입자 검출기(100)는 복수개의 경로(116)들을 통하여 넓은 검출 영역(즉, 넓은 광자 수집 영역)에 걸쳐 측정 광을 수집하도록 구성되는데, 도 1 에서 부분적으로 선으로 표시된 바와 같이 측정 광은 복수개의 경로(116)에 걸쳐 전파된다. 이러한 목적을 위하여, 입자 검출기(100)는 관통 유동 검출 공동(104)을 형성하기 위한 하우징(120) 또는 다른 구조물, 조사광의 하나 이상의 비임(108)들을 생성하기 위한 하나 이상의 광원(124) 및, 복수개의 상이한 경로(116)들에 걸쳐 측정광을 수집하기 위한 하나 이상의 광 검출기(128)들을 구비할 수 있다. 입자 검출기(100)는 샘플 유체가 입자 검출기(100)를 유동할 때 실시간으로 입자 데이터를 획득하도록 작동될 수 있다.
본원 명세서에서, "조사(irradiating)" 광은 광원(124)에 의해 생성되고 검출 공동(104) 안에서 입자에 조사되도록 이용되는 광을 지칭하며, 측정 광(measurement light)과 구분되고 또한 배경광(background light)(즉, 주위 광과 같이, 배경의 신호 노이즈에만 기여하는 비해석적 광)과 구분된다. 본원 명세서에서, "측정" 광은 조사에 응답하여 입자로부터 방사된 광을 지칭한다. 측정 광(measurement light)은 입자로부터 산란된(반사된) 광이거나 또는 입자로부터 방사된 형광성 광(fluorescent light)일 수 있다. 입자 검출기(100)는 산란된 광 및/또는 형광성으로 방사된 광을 측정하도록 구성될 수 있다. 입자 검출기(100)는 산란된 광 및 형광성으로 방사된 광을 동시에 또는 순차적으로 측정하도록 구성될 수 있다.
산란된 광과 관련하여, 입자 검출기(100)는 특히 탄성적으로 산란된 광을 측정하도록 구성될 수 있다. 입자에 입사된 조사 광은, 입자들의 크기, 형상 및 입자의 굴절률과 샘플 유체의 굴절률에서의 차이에 따라서, 조사 광과 같은 파장으로 입자로부터 탄성적으로 산란될 수 있다. 산란 모드(scattering mode)는 조사 광의 파장에 대한 입자의 크기에 따라서, Rayleigh 산란, Mie 산란 또는 기하학적 산란일 수 있다. 형광성으로 방사된 광에 대하여, 조사 광은 입자(특히 바이오 입자)의 형광단(fluorophores)에서 자발 형광(autofluorescence)을 유발하기 위한 여기 광(excitation light)으로서 이용될 수 있다. 즉, 형광단-포함 입자상에 입사된 적절한 파장 또는 파장 범위의 조사 광은 입자에 의해 흡수될 수 있고 그에 의하여 입자가 형광을 일으키게 유도하며, 즉, 상이한 (통상적으로 더 긴) 파장 또는 파장 범위에서 광을 방사하게 한다.
일반적으로, 측정 광은 도 2 및 도 3 도시된 바와 같이, 길이 방향 축(132)에 대하여 여러 방향으로 조사된 입자로부터 전파될 수 있다. 참조 목적으로, 길이 방향 축(132)은 z 축으로 간주될 수 있고, 길이 방향 축(132)에 직각인 횡단 평면은 x-y 평면으로 간주될 수 있다. 도 2 는 길이 방향 축(132)을 따라서 임의의 점에서 취해진 입자 검출기(100)의 개략적인 횡단면도(x-y 평면)이다. 조사된 입자(136)는 길이 방향 축(132)상에 직접적으로 임의로 위치되었다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 측정 광이 그것을 따라서 전파하는 대부분의 경로 또는 모든 경로(116)들은 길이 방향 축(132)에 대하여 반경 방향 성분을 가진다. 도 3 은 입자 검출기(100)의 개략적인 평면도이다. x-y 평면에 대하여 길이 방향 축(132) 둘레에서 입자 검출기(100)가 90 도로 회전하는 것이 실질적으로 같은 모습을 나타낸다는 점을 이해하면서, 평면도는 x-z 평면으로서 임의로 취해졌다. 조사되는 순간에 또는 조사 직후에 조사된 입자들이 놓이는 x-y 평면은 수직의 점선(340)에 의해 표시된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 측정 광이 전파되는 경로 또는 방향은 순수하게 x-y 평면(340)에 대한 전방각 경로(344), 후방각 경로(346) 및, 반경 방향 경로(342)를 포함할 수 있다. 본원 명세서에서, 순수하게 반경 방향 경로(342)는 실질적으로 x-y 평면(340)에 놓이고, 전방 각 경로(344)는 x-y 평면(340)에 대하여 어떤 양의 각도(α)로 지향되고 (즉, 하류측 방향으로 지향된 축방향 성분 및 반경 방향 성분 양쪽을 가지고), 후방 각 경로(346)는 x-y 평면(340)에 대하여 어떤 음의 각도(β)로 지향된다 (즉, 상류측 방향으로 지향된 축방향 성분 및 반경 방향 성분 양쪽을 가진다). 이후에 더 설명되는 바와 같이, 광 검출기(128)는 조사된 입자(136)로부터 나오는 다수의 순수한 반경 방향 경로(342), 전방각 경로(forward-angle paths 344), 후방각 경로(back-angle paths 346)에 걸쳐 전파되는 광자(photon)를 포착할 수 있다.
도 1 을 참조하면, 하우징(120) 또는 광 검출기(104)를 한정하는 다른 구조체는 길이 방향 축(132) 둘레에서 챔버 또는 내부를 둘러싸거나 감쌀 수 있다. 챔버 또는 내부는 검출기 공동(104)과 공존할 수 있거나 또는 적어도 검출기 공동(104)을 포함할 수 있다. 하우징(120)(또는 검출 공동(104)을 한정하는 하우징의 일부분)은 전체적으로 길이 방향 축(132)에 대하여 대칭적일 수 있어서, 길이 방향 축(132)은 하우징(120)의 중심축이다 (또는 검출 공동(104)을 한정하는 하우징 부분의 중심축이다). 일부 실시예에서, 하우징(120)(또는 검출 공동(104)을 형성하는 하우징 부분)은 전체적으로 도 1 에 도시된 바와 같이 실린더형일 수 있는 반면에, 다른 실시예에서 구형이거나 또는 다각형일 수 있다. 검출 공동(104)이 길이 방향 축(132)을 따라서 신장되도록 하우징(120)이 구성될 수 있다. 신장된 기하 형상의 일 예로서 길이 방향 축(132)을 따른 검출 공동(104)의 길이는 그것의 단면 치수보다 클 수 있다. 본원 명세서에서, " 단면 치수(cross-sectional dimension)"는 길이 방향축(132)에 직각인 평면에서 검출 공동의 단면(단면상의 유동 영역)의 크기를 특징으로 하는 최대 치수를 지칭한다(예를 들어, 원형 단면의 직경, 타원형 단면의 주 축, 또는 다각형 단면의 대향하는 코너들 사이의 거리). 하우징(120)이 샘플 유입부(152)로부터, 검출 공동(104)을 통하여 샘플 유출부(154)로의 샘플 유동 경로를 형성하도록 위치된 샘플 유입부(152) 및 샘플 유출부(154)가 하우징(120)에 구비된다. 샘플 유입부(152) 및 샘플 유출부(154)는 통상적으로 입자 검출기(100) 외부의 주위 환경으로 개방된다. 검출 공동(104)의 축방향 길이는 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 한정될 수 있는데, 제 1 단부로 샘플 유체가 수용되고, 축방향으로 반대편의 제 2 단부로부터 샘플 유체가 배출된다. 하우징(120)의 구성에 따라서, 검출 공동(104)의 제 1 단부는 전체적으로 샘플 유입부(152)에 대응될 수 있고(또는 샘플 유입부에 인접하게 위치될 수 있고), 검출 공동(104)의 제 2 단부는 전체적으로 샘플 유출부(154)에 대응될 수 있다 (또는 샘플 유출부에 인접하게 위치될 수 있다).
광원(들)(124)은 선택된 파장의 조사광을 생성하기에 적절한 그 어떤 광원일 수도 있다. 통상적으로, 선택된 파장은 단일 파장으로서, 이것은 선택된 파장 주위의 좁은 파장 대역에서 광원(124)이 광자를 방사하는 경우에 우세한 파장(predominant wavelength)이거나 또는 정점 파장(또는 중심 파장)일 수 있다. 조사되는 파장 또는 파장들은 특정한 유형의 측정을 구현하도록, 예를 들어 산란된 광이나 또는 형광의 측정을 수행하도록 선택될 수 있다. 광원(124)들의 예는 발광 다이오드(LED), 레이저, 레이저 다이오드(LD) 및, 광을 정점 파장(peak wavelength) 또는 중심 파장에서 주로 방사하도록 구성된 램프들을 포함하며, 그러나 그에 제한되지 않는다. 광원(124)이 조사 광을 방사하는 전력은 광원(124)의 출력 전력에 전체적으로 제한이 가해지지 않을지라도 수 와트(예를 들어 0.5 내지 10 와트)정도일 수 있다. 광원(124)은 연속 웨이브(continuous wave; CW) 및/또는 펄스 작동을 위하여 구성될 수 있다. 조사 광의 비임(108)이 길이 방향 축(132)과 동일축(coaxial)이거나 또는 실질적으로 동일축이도록, 광원(124)이 검출 공동(104)에 대하여 위치될 수 있다. 광원(124)은 그 어떤 적절한 수단에 의해서라도 입자 검출기(100)의 다른 구조 또는 하우징(120)에 장착될 수 있다. 광원(124)이 검출 공동(104)의 제 1 단부에 장착되거나 또는 그에 인접하게 장착될 수 있어서, 조사 광은 검출 공동을 통하여 샘플 유체가 유동하는 방향과 같은 방향으로 전체적으로 평행하게 전파된다. 이용되는 광원(124)의 유형에 따라서, 비임(103)은 코히런트(coherent)이거나 또는 비-코히런트(non-coherent; diverging)일 수 있다. 통상적으로 초점이 맞춰진 레이저 비임에 의해 발생된 선 또는 지점과는 반대로, 비임(108)은 커다란 단면 및 따라서 커다란 체적의 검출 공동(104) 안에서 전체적으로 실린더형의 입자 조사 영역을 제공할 수 있다. 비임(108)의 단면은 원형이거나 또는 타원형일 수 있다. 비임(108)의 상대적으로 큰 체적은 입자 검출기(100)의 감도(sensitivity)의 증가 및 검출 한계(Limit of detection; LOD)의 하락을 초래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비임(108)은 0.4 mm 내지 4 cm (4000 mm) 범위의 단면 치수(예를 들어 직경 또는 주 축)를 가진다. 일부 실시예들에서, 비임(108)은 검출 공동(104)의 단면적의 1 % 내지 80 % 범위에 있는 단면적을 가진다.
광원(124)은 수행되어야 하는 측정의 유형에 대하여 선택된 조사 파장에서 조사 광을 방사하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 조사 파장은 250 내지 1500 nm 의 범위이다. 다양한 실시예들에서, 조사 파장은 자외선 영역, 가시 영역 또는 적외선 영역일 수 있다. 산란된 광을 측정하도록, 자발 형광을 유도하지 않는 조사 파장에서의 방사, 저렴한 가격과 같은 인자들에 기초하여 광원(124)이 선택될 수 있다. 형광성 방사를 측정하도록, 광원(124)은 관심 대상인 특정의 바이오 입자를 여기시키는데 필요한 조사 파장에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란된 조사를 검출하도록 긴 조사 파장들이 이용될 수 있는데 반하여, 형광 단을 여기시키도록 짧은 조사 파장이 이용될 수 있다. 예를 들어, 산란된 조사를 검출하도록 바이올렛(예를 들어, 405 nm) 내지 적외선(IR, 예를 들어 900 nm)와 같은 가시광 내지 장파장이 이용될 수 있는데, 일부 실시예들에서는 적색(예를 들어, 650 nm) 내지 근적외선 파장이 전형적이다. 다른 예로서, 형광단을 여기시키도록 자외선 파장(UV) 내지 청색 파장(예를 들어, 365 내지 450 nm)이 이용될 수 있다. 아래의 표는 몇 개의 생물학적으로 관련된 형광단, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(fluorophores, nicotinamide adenine dinucleotide (NADH)) 및 리보플라빈(riboflavin)과, 실험적인 대용물인, 2 % Tinopal-on-Syloid 의 여기 상태 특성 및 기저 상태 특성을 제공하며, 상기 2 % Tinopal-on-Syloid 은 2% Tinopal CBS X florophore (BASF, Florham Park, New Jersey, USA)로 태그가 붙여진 Syloid (등록상표) 실리카 분말 (W.R. Grace and Company, Columbia, Maryland, USA)이다.
형광단 입자당 총 형광단(#/입자) 여기 계수Extinction Coefficient, (M-1 cm-1) 흡수 개시(nm) 방사 스펙트럼 범위 형광에 대한 양자(quantum) 산출 형광 수명(ns)
2% Tinopal-on-Syloid 1.5 x 107 1,000 <420 380-575 0.81 1.2
Free NADH (protein-bound NADH) 4.8 x 106 6,220 <410 390-510 0.020
(0.08)		 0.38, 0.74(1.2)
Riboflavin 2 x 106 15,000 <500 480-610 0.3 4.1
일부 실시예들에서, 입자 검출기(100)는 도 1 에서 예를 들어 도시된 바와 같이, 광 트랩(158)(광학적 "비임 덤프(beam dump)")을 구비할 수 있다. 광 트랩(light trap, 158)은 광원(124)과 같이 검출 공동(104)의 대향측상에서 광원(124)과 광학적 정렬 상태로 위치될 수 있다. 일반적으로, 광 트랩(158)은 효과적으로 광을 흡수하고 검출 공동(104)으로 광이 반사되는 것을 방지하기에 적절한 그 어떤 구성이라도 가질 수 있다. 광 트랩에 대한 다양한 구성들이 당업자에게 알려져 있다. 일 예로서, 광 트랩(158)은 불투명("광학적으로 블랙")이거나 또는 반사 방지(anti-reflective)된 플레이트 또는 공동을 구비할 수 있거나, 또는 검출 공동(104)을 향하는 공동 또는 플레이트의 적어도 표면(들)(또는 표면상의 코팅)이 불투명이거나 또는 반사 방지되어 있다. 광 트랩(158)은 당업자에게 이해되는 바와 같이 광을 포착하도록 구성된 구조 또는 기하 형상을 구비할 수 있다. 필요하다면, 광 트랩(158)으로부터의 열을 제거하기 위한 히트 싱크 또는 다른 수단을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 필요하거나 또는 소망된다면, 입자 검출기(100)는 미광(stray light)이 광 검출기(128)상에 충돌하는 것을 방지하도록 구성된 장치(하나 또는 그 이상의 구성 요소들)을 구비할 수 있다. 일반적으로, 미광은, 분석적 가치를 가지지 않아서 광 검출기(128)에 의한 광의 측정이 소망스럽지 않은 임의의 광이다. 미광의 일 예는, 산란광 또는 형광을 발생시키도록 입자와 우선적으로 상호 작용하지 않고 광 검출기(128)에 직접적으로 충돌하는 조사 광이다. 미광은 검출 공동(104)에 입자가 없을 때에도 광 검출기(128)에 의해 생성된 검출기 출력 신호를 상승시키고, 따라서 입자 검출기(100)의 신호-대-잡음(S/N) 비율을 낮추는 커다란 배후 신호(또는 베이스 라인 신호(baseline signal))에 기여할 수 있고, 또한 측정 데이터를 왜곡(convolute)시킬 수 있다. 광 검출기(128)의 응답 곡선의 민감 부분(sensitive part) 내에 머무르도록 배경 신호를 최소화시키는 것이 소망스럽다. 실험에 따르면, 1 볼트(V)로부터 수 밀리볼트(mV)로 광 검출기(128)의 베이스라인 전압 응답을 감소시키는 것은 에어로졸의 LOD 를 1,000s #/ cm3 로부터 100#/cm3 미만으로 극적으로 낮춘다.
도 4 는 통공(464)을 가진 플레이트(462)의 형태(또는 벽, 격벽 등)인 장치의 예이다. 일반적으로, 플레이트(462)는 광원(124)의 "하류측"에 광학적으로 위치될 수 있고, 즉, 광학적으로 광원(124)과 광 검출기(128) 사이에 위치될 수 있다. 플레이트(462) 또는 광 검출기(128)를 향하는 플레이트(462)의 적어도 표면(또는 표면상의 코팅)은 불투명하거나 또는 반사 방지되어 있어서 조사 광 및 그 어떤 다른 미광을 흡수할 수 있다. 따라서, 플레이트(462)는 광자 상실 표면(photon loss surface)으로서의 역할을 하여, 광 검출기(128)에 도달할 수 있는 미광을 차단한다. 통공(464)은 광(그리고 샘플 유체)이 길이 방향 축(132)에 인접한 경로를 따라서 플레이트(462)를 통과할 수 있게 하여, 그러한 광이 입자들과 상호 작용하고 의도된 파장의 조사 광이 될 수 있음을 보장한다. 광원(124) 및 광 검출기(128)에 대한 플레이트(462)의 축방향 위치 및, 통공(464)의 크기는 플레이트(462)의 광자 차단 기능을 최적화시키도록 필요에 따라 선택될 수 있다. 통공(464)은 전체적으로 길이 방향 축(132)에 중심을 맞출 수 있다. 일부 실시예들에서, 통공(464)은 기체 전도 격벽(gas conductance barrier)으로서 작용하지 않거나, 국부화된 와류를 일으키지 않거나 또는 검출 공동(104)을 통한 샘플 유체 유동의 역학(dynamic)을 상당한 정도로 변경하지 않을 정도로 충분하게 커야 한다. 소망된다면 하나 이상의 플레이트(462)가 제공될 수 있다. 더욱이, 플레이트(462)는 하나 이상의 통공(464)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 조사 광의 비임(108)은 플레이트(462) 또는 유사한 장치가 필요하지 않을 정도로 충분하게 집속 및/또는 코히런트(coherent) 상태가 된다.
일부 실시예들에서, 하우징(120) 또는 검출 공동(104)을 형성하는 하우징(120)의 적어도 일부가 낮은 반사율의 재료로 구성될 수 있거나, 또는 하우징(120)의 적어도 내측 표면(또는 그에 적용된 코팅)은 낮은 반사율(또는 불투명 또는 반사 방지) 재료로 구성될 수 있다. 이는 미광이 광 검출기(128)에 도달하는 것을 방지하는데 유용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 필요하거나 소망된다면, 입자 검출기(100)는 비임 형상화 옵틱(beam shaping optics)을 포함할 수 있다. 비임 형상화 옵틱은 하나 이상의 광학 구성 요소(예를 들어, 렌즈들)를 포함할 수 있다. 본원 명세서에서, "비임 형상화 옵틱"은 파장을 여과하지 않으면서 광 비임 또는 비임 경로를 변경시키는 광학적 구성 요소를 지칭한다. 도 5 는 비임 형상화 옵틱(570)의 예를 개략적으로 도시한다. 일 예로서, 비임 형상화 옵틱(570)은 조사 광의 비임을 집속시키기 위한 집속기(collimator, 집속 렌즈)를 포함하거나 집속기일 수 있다. 그러한 비임 형상화 옵틱(570)은 위에서 설명되고 도 4 에 도시된 플레이트(462) 또는 다른 미광의 차단 장치에 추가하여 제공될 수 있거나 대안으로 제공될 수 있다. 광원(124)에 대한 비임 형상화 옵틱(570)의 축방향 위치는 비임 형상화 기능을 최적화시키도록 필요에 따라서 선택될 수 있다. 다른 실시예들에서, 비임 형상화 옵틱(570)은 광원(124)의 조립체 또는 패키지로 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광원(124)에 의해 발생된 조사 광의 비임(108)은 충분히 코히런트 및/또는 집속됨으로써 광원(124)으로부터 분리되고 구분된 집속기(collimator)가 필요하지 않다. 다른 예로서, 집속기에 추가되거나 또는 대안으로서, 비임 형상 옵틱(570)은 광원(124)으로부터 방사된 비임(108)의 직경을 증가시키도록 구성된 비임 확장기(beam expander)일 수 있거나 비임 확장기를 구비할 수 있다.
도 1 을 참조하면, 광 검출기(128)는 복수개의 경로(116)를 통하여 넓은 검출 영역(즉, 넓은 광자 수집 영역)에 걸쳐 측정 광을 수집하도록 구성되며, 복수개의 경로들에 걸쳐 측정 광이 전파되는데, 위에서 설명된 바와 같이 길이 방향 축(132)에 대하여 각이 진 측정 광 경로가 포함된다. 이를 위하여, 광 검출기(128)는 넓은 면적의 활성 광전자 물질(active photoelectric material)을 포함할 수 있다. 광 검출기(128)는 당업자가 이해하는 바와 같이 활성 물질과 소통하는 하나 이상의 애노드 및 캐소드를 구비하기도 한다. 광 검출기(128) 또는 적어도 하나의 광전자 물질은 공동 길이의 적어도 일부를 따라서 검출 공동(104)을 둘러싼다. 도시된 실시예에서, 광 검출기(128) 또는 적어도 광전자 물질은 유연성 물질(유연성 물질(들)의 하나 이상의 층들)로부터 구성되어, 하우징(120)의 외측 표면(또는 검출 공동(104)을 형성하는 하우징(120)의 일부) 둘레에서 그것을 일치되게 감쌀 수 있거나, 또는 하우징(120)의 내측 표면을 일치되게 라이닝(lining)할 수 있다. 전형적인 실시예에서, 광전자 물질은 그것이 유연성이 있도록 상대적으로 얇다(예를 들어, 밀리미터 정도이거나 더 얇다). 광전자 물질은 임의의 물질(또는 2 개 이상의 물질들의 복합체)로 구성될 수 있어서, 입자 검출기(100)에 대하여 고려된 측정 광의 파장들 범위에 걸쳐서 효율적인 광전 활성도(photoelectric activity) 및 충분한 감수성을 나타낸다. 예를 들어, 광전자 물질(photoelectric material)은 얇은 필름의 무기, 유기 또는 하이브리드 유기/무기 반도체일 수 있고, 하나의 비제한적인 예는 비정질 실리콘이다. 광전자 물질은 일반적으로 그에 입사되는 광에 비례하여 변화되는 적어도 하나의 전기 특성(전류, 전압 또는 저항)을 가지는 물질일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광전자 물질은 그 표면에 입사되는 광자들에 대한 전류 응답 및 전압 응답 모두를 발생시키는 광전지(photovoltaic, PV) 물질이다. 낮은 광(low light) 조건들에 대하여, 전류 응답 및 전압 응답이 관찰되고 PV 물질을 타격하는 광자들의 양에 비례한다. PV 물질의 개방 회로 전압(open circuit voltage;OCV)은 낮은 레벨의 입사광에서의 증가(<<0.1 Suns; 또는 형광 방사 또는 입자들로부터의 탄성적 산란에 대응하는 입사 광자들의 양)와 OCV 에서의 결과적인 증가 사이의 대수적 응답(logarithmic response)에 기인하여, 낮은 레벨의 입자 농도 변화들(예를 들어, 100 #/세제곱센티미터 미만)에 대하여 측정 가능한 응답을 나타낼 수 있다. 높은 입자 농도들과 같은 다른 경우들에서는 PV 재료의 전류 응답 측정이 더 유용할 수 있다.
전형적인 실시예에서, 광전자 물질의 적어도 일측이 유연성 기판에 의해 지지된다 (예를 들어 폴리아미드와 같은 필름 또는 폴리머 층에 의해 지지된다). 일부 실시예들에서, 광전자 물질은 기판에 의하여 완전하게 엔캡슐레이션될 수 있거나(또는 기판내에 매립될 수 있거나), 또는 기판과 추가적인 엔캡슐레이션 층 또는 필름 사이에 샌드위치되어, 광전자 물질을 작동 환경으로부터 보호한다. 광전자 물질의 광자 수집 측을 덮는 그 어떤 층 또는 필름이라도 광학적으로 투명하여야 한다. 일부 실시예들에서, 광자 수집 측은 광학 필터 물질의 필름 또는 층에 의해 덮일 수 있으며, 그 예는 아래에 설명된다.
광전 물질은 완전하게 또는 실질적으로 완전하게 검출 공동(104)을 둘러싸서 길이 방향 축(132) 둘레에 360 도에 걸치거나 또는 거의 360 도에 걸친 검출 영역을 제공한다. 광전 물질은 검출 공동(104)을 인접하게 둘러쌀 수 있다. 대안으로서, 광전 물질은 광전 물질의 복수개의 구분된 유닛들 또는 셀들을 포함할 수 있으며 이들은 서로로부터 이격되고 검출 공동(104)을 집합적으로 둘러싼다.
도 6 은 입자 검출기(100)에서 이용될 수 있는 유연성 광 검출기(628)의 예에 대한 개략적인 평면도이다. 광 검출기(628)는 전체적으로 유연성 기판(680)상에 배치된 유연성 광전자 물질(678)을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 광전자 물질(678)은 복수개의 광전자 물질 또는 광전자 유닛 또는 셀(682)을 포함한다. 광전자 유닛(682)들은 서로로부터 이격되지만, 활성 검출 영역의 크기를 최대화시키도록 밀접하게 그룹을 이룰 수 있다. 광전자 유닛(682)들의 도시된 예에서 1 차원 어레이(array)로 배치되는 반면에, 다른 실시예들에서 2 차원 어레이로 배치될 수 있다. 광 검출기(628)는 초기에 평탄 스트립으로서 제공될 수 있으며, 이후에 검출 공동(104)을 둘러싸도록 조작된다. 예를 들어, 광 검출기(628)는 위에서 지적된 바와 같이 하우징(628)에 일치되게 장착될 수 있다. 따라서, 실린더형 또는 구형 하우징의 경우에, 광 검출기(628)는 검출 공동(104)을 실린더, 밴드 또는 링으로서 둘러쌀 수 있다. 광 검출기(628)는 광전자 유닛(682)들의 활성물질에 의해 크게 점유된 현저한 표면적(L x D)을 나타낼 수 있다. 하나의 비제한적인 예로서, 치수(L)는 십 내지 수십 밀리미터의 정도일 수 있고, 치수(D)는 수십 내지 수백 밀리미터의 정도일 수 있다. 실린더형 또는 구형 하우징에 적용될 때, 치수 L 및 D 는 광 검출기(628)의 실린더 길이 및 직경에 각각 대응한다. 광 검출기(628)는 당업자가 이해하는 바와 같이 다양한 전류 운반 구성 요소들(도시되지 않은, 상호 연결부, 와이어, 접촉부등)을 포함할 수 있다. 비제한적인 예에서, 광 검출기(628)는 미국 아이오와의 PowerFilm, Inc., Ames (예를 들어, 모델 MP3-37)에서 상업적으로 이용 가능한 PV 모듈에 기초할 수 있다.
모든 그러한 실시예들에서, 광전자 물질(678)은 검출 공동(104)을 둘러싸는 매우 많은 수의 검출 지점들을 제공하여 측정 광의 광자들이 그 검출 지점에 입사될 수 있어서 검출 및 측정이 이루어진다. 이러한 검출 지점들은 (도 6 에서 치수 D 에 걸쳐서) 중심 축에 대하여 상이한 각도 위치들 및/또는 (도 6 에서 치수 L 에 걸쳐서) 길이 방향 축에 대하여 상이한 축방향 위치들에 위치될 수 있다. 도 2 및 도 3 으로부터 명백한 바로서, 광전자 물질(678)은 조사된 입자로부터 여러 상이한 경로들에 걸쳐서 전파되는 측정 광에 대한 표적(target)을 제공한다. 이러한 구성에 의하여, 입자들로부터 나오는 개별적인 광학적 측정 신호들이 상대적으로 약할 수 있을지라도, 광 검출기(628)는 상대적으로 높은 강도 측정의 전기적 검출 신호를 출력시킬 수 있다.
도 1 을 참조하면, 일부 실시예들에서 입자 검출기(100)는 길이 방향 축(132)과 광 검출기(128)의 광전지 물질의 광자 수집 측 사이에 광학적으로 위치된 하나 이상의 광학 필터(186)를 더 구비한다. 즉, 광학 필터(186)는 광전자 물질을 향하여 지향되는 그 어떤 측정광이라도 처음에 광학 필터(186)를 통과하여야만 하도록 위치된다. 일부 실시예들에서, 광학 필터(186)는 광전자 물질상에 배치되거나, 즉, 광전자 물질상에 직접적으로 배치되거나, 또는 광전자 물질을 덮거나 또는 엔캡슐레이션하는 필름 또는 층상에 배치된다. 광학 필터(186)는 전체적으로 파장들의 하나 이상의 범위를 차단하도록 구성될 수 있으며, 따라서 저역 필터(low pass filter), 고역 필터(high pass filter) 또는 대역 필터(band pass filter)일 수 있다. 광학 필터(186)는 소망의 통과/차단 특성들을 획득하도록 2 개 이상의 광학 필터들의 복합체일 수 있다. 광학 필터(186)는 고체(예를 들어, 유리 또는 폴리머) 또는 젤(예를 들어, 폴리머)일 수 있고, 광전자 물질을 일치되게 덮을 정도로 충분히 유연성이 있도록 얇고 그리고/또는 휘기 쉽다. 비 제한적인 하나의 예에서, 젤 필터(gel filter)는 미국 코네티커트, 스탬포드의 Rosco Laboratories, Inc. 의 제품이 상용화되어 있다.
도 2 의 단면도는 하우징에 대한 광학 필터 및 광전자 물질의 가능한 구성들에 대한 일부 예를 도시한다. 광전자 물질 및 광학 필터가 위치된 검출 공동(104)의 영역에서, 입자 검출기(100)는 검출 공동을 둘러싸는 적어도 3 개 층들을 구비하는 것으로 간주될 수 있다:제 1 (내측) 층(202), 제 1 층(202)을 둘러싸는 제 2 (중간) 층(206) 및, 제 2 층(206)을 둘러싸는 제 3 (외측) 층(210)이 그것이다. 일 실시예에서, 제 1 층(202)은 광학 필터이고, 제 2 층(206)은 하우징(즉, 하우징의 벽)이고, 제 2 층(210)은 광전자 물질이다. 따라서 이러한 실시예에서, 광학 필터는 하우징의 내측 표면상에 일치되게 배치되고, 광전자 물질은 하우징의 외측 표면상에 일치되게 배치된다. 다른 실시예에서, 제 1 층(202)은 광학 필터이고, 제 2 층(206)은 광전자 물질이고, 제 3 층(210)은 하우징이다. 따라서 이러한 실시예에서, 광전자 물질은 하우징의 내측 표면상에 일치되게 배치되고, 광학 필터는 광전자 물질상에 일치되게 배치되고, 광학 필터는 광전자 물질상에 일치되게 배치됨으로써, 광전자 물질은 하우징과 광학 필터 사이에 샌드위치된다. 다른 실시예에서, 제 1 층(202)은 하우징이고, 제 2 층(206)은 광학 필터이고, 제 3 층(210)은 광전자 물질이다. 따라서 이러한 실시예에서, 광학 필터는 하우징의 외측 표면상에 일치되게 배치되고, 광전자 물질은 광학 필터와 일치되게 배치됨으로써, 광학 필터는 광전자 물질과 하우징 사이에 샌드위치된다. 광전자 물질이 하우징의 외측에 있는 경우에, 하우징(또는 적어도 광전자 물질과 함께 연장되는 적어도 일부분)은 광학적으로 투명하다. 필요하다면, 층(202,206,210)들은 접착제, 기계적인 고정구들과 같은 그 어떤 적절한 수단에 의해서라도 서로 고정될 수 있다. 광학 필터가 없는 실시예에서, 광전자 물질은 내측 표면상에 직접적으로 일치되게 배치될 수 있거나 또는 하우징의 외측 표면상에 배치될 수 있다.
광학 필터는 일반적으로 적용에 따라서 그 어떤 선택된 파장 또는 파장들의 범위(들)(소망되지 않는 광자들)이라도 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자발 형광을 측정할 때, 광학 필터는 형광 측정 광의 파장들을 통과시키는 반면에, 형광단을 여기시키도록 이용된 조사 광의 파장을 차단하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 산란을 측정할 때, 광학 필터는 조사 광의 파장을 (그리고 따라서 산란된 측정 광의 파장을) 통과시키는 반면에, 예를 들어 주위 미광(stray ambient light)과 같은 다른 파장을 차단하도록 구성될 수 있다.
도 1 을 참조하면, 일부 실시예들에서, 입자 검출기(100)는 데이터 획득 장치(190)를 더 구비할 수 있으며, 데이터 획득 장치는 광 검출기(128)와 신호 통신되게 배치될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는, 광전자 물질에 의해 출력되는 전기 검출기 신호에서 구현되는 바와 같이, 광전자 물질의 응답(예를 들어, 전압 응답, 전류 응답 및/또는 저항 응답)을 측정하도록 구성될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 아날로그 검출기 신호를 디지털 검출기 신호로 변환시키도록, 그리고 검출기 신호를 기록 또는 저장하도록 구성될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 검출 공동(104)에서 조사 광에 의해 탐지되는 입자들의 하나 이상의 특성들, 예를 들어, 입자 크기, 농도, 식별(identification)(예를 들어, 특정 유형의 바이오 입자)등을 응답의 측정과 상호 관련시키도록 구성될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 필요하거나 또는 소망되는 프로세싱 또는 임의의 사후 획득 신호 콘디셔닝(post acquisition signal conditioning)을 수행하도록 구성될 수 있는데, 예를 들어, 증폭, 캘리브레이션, 디콘볼루션(deconvolution), 다른 장치로의 송신을 위한 포매팅(formatting) 등을 수행하도록 구성될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 탐지된 입자(interrogated particle)들의 하나 이상의 특성들에 관한 데이터를 발생시키도록 구성될 수 있고, 유선 또는 무선 통신 링크를 통하여 다른 장치(예를 들어, 콤퓨터 장치)로 데이터를 송신하거나, 또는 적절한 통신 네트워크를 통하여 하나 이상의 장치들로 송신하도록 구성될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 광전자 물질로부터의 전기적인 리드(lead)들과 이루어진 제거 가능 연결에 의하여 광 검출기(124)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 이후에 다른 장치에 결합되어 데이터를 분석을 위하여 다른 장치로 다운로드할 수 있다. 당업자에게 이해되는 바로서, 데이터 획득 장치(190)의 다양한 기능들은 하드웨어(또는 펌웨어), 소프트웨어 또는 양쪽 모두에 의해 구현될 수 있다. 데이터 획득 장치(190)는 하나 이상의 프로세서, 메모리 및 다른 하드웨어를 포함할 수 있다. 하나의 비 제한적인 예에서, 데이터 획득 장치(190)는 미국, 메서추세스, 노톤의 Measurement Computing Corp.에서 상용화된 16 비트 데이터 로깅 장치이다(예를 들어, model USB-1698 FS-Plus).
도 7 은 다른 실시예들에 따른 입자 검출기(100)의 개략적인 단면도이다. 광원(124)은 복수개의 분리된 광원(또는 광원 유닛들)(124A, 124B, 124C, 124D)을 포함할 수 있다. 4 개의 광원(124A,124B,124C, 124D)들은 오직 일 예로서만 도시된 것으로서, 4 개 초과 또는 미만의 광원이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(124A,124B,124C,124D)들은 길이 방향 축(132)에 중심을 맞춰서 밀접하게 그룹으로 이루어진 다발로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개 이상의 광원(124A, 124B,124C,124D)은 동일한 파장에서 조사 광을 방사할 수 있으며, 이것은 측정 신호의 부스팅(boosting) 및/또는 검출 공동(104) 안에서의 입자 조사 영역의 전체 크기 증가에 유용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(124A,124B,124C,124D)들중 적어도 하나는 다른 광원(124A,124B,124C,124D)들중 다른 하나와 상이한 파장으로 조사 광을 방사할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광원(124A,124B,124C,124D)들은 산란된 조사를 측정하도록 선택된 제 1 파장에서 조사 광을 방출할 수 있는 반면에, 하나 이상의 다른 광원(124A,124B,124C,124D)들은 산란된 조사를 측정하도록 선택된 제 2 의 상이한 파장에서 조사 광을 방사할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 광원(124A,124B,124C,124D)들은 제 1 유형의 입자로부터의 형광 조사를 측정하도록 선택된 제 1 파장에서 조사 광을 방사할 수 있는 반면에, 하나 이상의 다른 광원(124A,124B,124C,124D)들은 제 2 유형의 입자로부터의 형광 조사를 측정하도록 선택된 제 2 의 상이한 파장에서 조사 광을 방사할 수 있다. 후자의 구성은 예를 들어 동일한 유체에서 하나 이상의 유형의 입자를 검출하는데 유용할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 광원(124A,124B,124C,124D)들은 산란된 조사를 측정하도록 선택된 제 1 파장(또는 2 개 이상의 상이한 제 1 파장들)에서 조사 광을 방사할 수 있는 반면에, 하나 이상의 다른 광원(124A,124B,124C,124D)들은 형광 조사를 측정하도록 선택된 제 2 의 상이한 파장(또는 2 개 이상의 상이한 제 2 파장들)에서 조사 광을 방사할 수 있다.
2 개 이상의 상이한 조사 파장들의 사용을 수반하는 일부 실시예들에서, 상이한 광원(124A,124B,124C,124D)들은 그 어떤 소망의 펄스 시퀀스(pulse sequence)에 따라서도 순차적으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 입자 검출기(100)는 산란된 조사 및 형광 조사를 번갈아서 측정하도록 2 개의 상이한 광원(124A,124B,124C,124D)들의 작동을 한번 이상의 횟수로 교번할 수 있다. 다른 예로서, 입자 검출기(100)는 2 개 이상의 상이한 파장들에서 산란 조사를 측정하도록 그리고/또는 2 개 이상의 상이한 파장들에서 형광 조사를 측정하도록 2 개 이상의 상이한 광원(124A,124B,124C,124D)들의 작동을 한번 이상의 횟수로 순환시킬 수 있다.
또한 도 7 에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서 광 검출기(128)는 복수개의 분리된 광원(또는 광 검출기 유닛)(128A,128B,128C,128D)들을 포함할 수 있다. 각각의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)는 광전자 물질을 포함하는데, 이것은 위에서 설명되고 도 6에 도시된 바와 같이 복수개의 광전자 유닛들 및, 관련된 구성 요소들을 포함할 수 있다. 4 개의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들은 오직 일 예로서만 도시되었으며, 4 개 초과 또는 미만으로 제공될 수 있다. 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들의 수는 광원(124A,124B,124C,124D)들의 수와 같거나, 그보다 적거나 또는 그보다 많을 수 있다. 하나 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들은 개별의 광학 필터(186A,186B,186C,186D)와 광학적으로 정렬될 수 있다.
2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들을 제공하는 것은 광 검출기(128)의 활성 검출 영역을 증가시키도록, 그리고 활성 검출 영역의 시야 라인(line of sight)에서 전방 각도 경로(344)들 및 후방 각도 경로(346)들(도 3)의 수 및 각도 범위를 증가시키도록 이루어질 수 있다. 대안으로서, 또는 추가적으로, 2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들을 제공하는 것은 검출기 신호 강도를 증가시키도록 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들은 전압 응답을 증가시키도록 서로 직렬로 전기적으로 결합될 수 있고, 그리고/또는 2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들은 전류 응답을 증가시키도록 서로 병렬로 전기적으로 결합될 수 있다.
대안으로서 또는 추가적으로, 2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들을 제공하는 것은 2 개 이상의 별개인 파장(또는 별개인 파장 범위) 수집 성능을 제공하도록 그리고/또는 2 개 이상의 별개인 검출기 출력 신호들을 발생시키도록 이루어질 수 있다. 그러한 실시예들에서, 2 개 이상의 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들은 서로로부터 전기적으로 격리될 수 있으며, 따라서 서로로부터 독립적으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 이것은 샘플 입자 검출기(100)가 산란에 기초한 분석 및 형광에 기초한 분석 모두를 위해 이용될 수 있도록, 그리고/또는 2 개 이상의 상이한 조사 파장에서 구현된 산란에 기초한 분석을 위해 이용될 수 있도록, 그리고/또는 2 개 이상의 상이한 조사(여기) 파장들 또는 2 개 이상의 상이한 측정 파장들(또는 파장 범위들)에서 구현된 형광에 기초한 분석을 위해 이용될 수 있도록 이루어질 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들중 적어도 하나는 다른 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들과 상이한 파장(또는 파장들의 범위)에 감수성이 있을 수 있다. 대안으로서, 광 검출기(128A,128B,124C,128D)들중 적어도 하나는 광학 필터(186A,186B,186C)와 광학적으로 정렬될 수 있으며, 상기 광학 필터는 다른 광 검출기(128A, 128B, 124C, 128D)들에 의해 수신된 파장들과 상이한 파장(또는 파장들의 범위)을 상기 광 검출기로 통과시킨다. 하나의 특정한 예에서, 산란된 조사를 수신하도록 의도된 광 검출기는 형광 조사와 관련된 다른 파장들을 차단하는 광학 필터를 포함할 수 있는 반면에, 형광 조사를 수신하도록 의도된 다른 광 검출기는 조사 광(그리고 따라서 산란 조사)과 관련된 파장을 차단하는 광학 필터를 구비한다. 도시된 예에서, 광 검출기(128A)는 광원(124A)에 의해 조사된 입자들로부터 방사되거나 산란된 측정 광을 수집하도록 구성되고, 광 검출기(128B)는 광원(124B)에 의해 조사된 입자들로부터 방사되거나 산란된 측정 광을 수집하도록 구성되고, 광 검출기(128C)는 광원(124C)에 의해 조사된 입자들로부터 방사되거나 또는 산란된 측정 광을 수집하도록 구성되고, 광 검출기(128D)는 광원(124D)에 의해 조사된 입자들로부터 방사되거나 산란된 측정 광을 수집하도록 구성된다.
일반적으로, 입자 특성들, 조사 광의 속성 및, 파장에 관한 광 검출기의 신호 응답은 모두 입자 검출기(100)의 감도 및 LOD 에 영향을 미칠 수 있다. 입자 유형의 검출, 감도 및 LOD 는 모두 광학 필터(들), 파장, 강도 및 조사 광의 집속(collimation)과, 광 검출기(들)의 응답 특성들의 적절한 선택을 통하여 튜닝될 수 있다 (최적화될 수 있다).
도 8 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기(800)의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다. 입자 검출기(800)는 유동이 통하는 검출 공동(804)을 형성하는 하우징(820), 하나 이상의 광원(824) 및, 하나 이상의 광 검출기(828)들을 구비할 수 있다. 도시된 실시예들에서, 하우징(820) 및 따라서 검출 공동(804)은 전체적으로 실린더형이고 길이 방향 축을 따라서 신장된다. 입자 검출기(800)는 도 1 내지 도 7 에 도시되고 위에서 설명된 바와 같이 하나 이상의 다른 특징들뿐만 아니라, 위에서 설명된 하나 이상의 필터(886)들과 광 트랩(light trap, 858)을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기(들)(828) 및 광학 필터(들)(886)들은 위에서 설명된 유연성 재료를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 광원(824)은 히트 싱크(894)를 포함하는데 이것은 주위 공기와의 열전달에 이용되는 표면적을 증가시키는 다른 수단 또는 냉각 핀들을 제공할 수 있다. 하우징(820)이 샘플 유입부(852)로부터 검출 공동(804)을 통하여 샘플 유출부(854)로 샘플 유동 경로를 형성하도록 위치된 샘플 유입부(1852) 및 샘플 유출부(854)가 하우징(820)에 구비된다. 이러한 실시예에서, 샘플 유입부(852), 샘플 유출부(854), 또는 (도시된 바와 같이) 양쪽 모두는 길이 방향 축에 대한 각도로 지향되도록 (도시된 예에서는 90 도로 지향되도록) 하우징(820)이 구성된다. 이러한 구성은 검출 공동(804)에 진입하고 광 검출기(들)(828)에 도달하는 주위 광의 양을 최소화시킨다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 입자 검출기(800)는 샘플 유동 경로를 통해 샘플 유체를 움직이도록 구성된 유체 움직임 장치(896)(예를 들어, 펌프, 팬, 송풍기등)를 구비할 수 있다. 일반적으로, 유체 움직임 장치(896)는 검출 공동(804)과 소통된다. 이러한 목적을 위하여, 유체 움직임 장치(896)는 검출 공동(804)의 하류측에 위치될 수 있다. 유체 움직임 장치(896)는 샘플 유출부(854)의 하류측에서 하우징(820)의 외측에 (도시된 바와 같이) 위치될 수 있거나, 또는 하우징(820)의 내측에 위치될 수 있다. 일반적으로, 유체 움직임 장치(896)는 검출 공동(804) 안에 난류를 발생시키지 않도록 위치되어야 한다. 유체 움직임 장치(896)는 층류 유동 조건하에서 원활하고, 펄스(pulse)가 없는 방식으로 검출 공동(804)을 통하여 샘플 유체를 움직이도록 구성될 수 있다. 층류 유동 체제를 유지하는 것은 내부 입자 손실을 최소화시킬 수 있고 획득된 데이터의 감도 및 정확도를 향상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 유체 움직임 장치(896)는 분당 수 리터들의 정도인 유량으로 검출 공동(804)을 통하여 샘플 유체를 움직이도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 유량이 사용자에 의하여 조절될 수 있도록 유체 움직임 장치(896)가 구성된다. 유체 움직임 장치(896)가 선택적이라는 점이 이해될 것이다. 유체 움직임 장치(896)의 사용 없이 주위 유체 유동 조건들이 입자 검출기(800)의 작동에 충분할 수 있다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 입자 검출기(800)는 모듈 구성을 가질 수 있으며, 모듈 구성에 있는 하나 이상의 하우징 부분들 및/또는 입자 검출기(800)의 구성 요소들은 세정, 유지 관리 또는 교체를 위하여 다른 하우징 부분들 또는 구성 요소들(예를 들어, 광원(들)(824), 광 트랩(858), 유체 움직임 장치(896))로부터 제거될 수 있다. 광원(들)(824)은 사용자가 상이한 조사 파장을 선택할 수 있도록 제거 가능할 수 있다. 광 검출기(들)(828) 및 광학 필터(들)(886)들이 부착되는 하우징 부분 또는 광 검출기(들)(828) 및 광학 필터(들)(886)은 사용자가 상이한 광 검출기(828)들 및 광학 필터(886)들 또는 이들의 조합을 선택할 수 있도록 제거 가능할 수 있다. 더욱이, 모듈화(modularity)는 사용자가 상이한 하우징 부분들을 직렬로 더할 수 있게 하여 도 7 에 도시된 것과 유사한 방식으로 입자 검출기(800)를 구성한다. 다수의 하우징 부분들은 하나 이상의 광 검출기(828) 및, 하우징 부분들에 미리 부착된 하나 이상의 광학 필터(886)들의 동일하거나 상이한 조합들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 입자 검출기(800)들은 입자 검출기(800)가 완전히 또는 부분적으로 분해된 키트(kit)의 형태로 사용자에게 제공될 수 있다. 예를 들어, 키트는 복수개의 상이한 광원(824), 광 검출기(828) 및/또는 광학 필터(886)들을 구비할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 키트는 검출 공동(804)을 형성하는 복수개의 상이한 하우징 부분들을 구비할 수 있다. 하우징 부분들은 하나 이상의 광 검출기(828) 및 하우징 부분들에 미리 부착된 하나 이상의 광학 필터(886)의 상이한 조합을 구비할 수 있어서, 소망에 따라서 사용자가 입자 검출기(800)의 분석 기능을 맞출 수 있다.
도 9 는 일부 실시예들에 따른 입자 검출기(900)의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다. 입자 검출기(900)는 유동 통과 검출 공동(904)을 형성하는 하우징(920), 하나 이상의 광원(924) 및 하나 이상의 광 검출기(928)를 구비할 수 있다. 입자 검출기(900)는 위에서 설명되고 도 1 내지 도 8 에 도시된 하나 이상의 다른 특징들 뿐만 아니라, 광 트랩(light trap, 958) 및 하나 이상의 광학 필터(미도시)들을 구비할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기(들)(928) 및 광학 필터(들)는 위에서 설명된 바와 같은 유연성 재료를 포함할 수 있다. 하우징(920)이 샘플 유입부(952)로부터 검출 공동(904)을 통하여 샘플 유출부(954)로 샘플 유동 경로를 형성하도록 위치된 샘플 유입부(952) 및 샘플 유출부(954)가 하우징(920)에 구비된다. 조사 광이 전파되고 샘플 유체가 길이 방향 축(932)을 따라서 전체적으로 동일 직선상으로 유동하도록 광원(924), 샘플 유입부(952), 샘플 유출부(954) 및 광 트랩(958)이 위치될 수 있다. 입자 검출기(900)는 위에서 설명되고 도 8 에 도시된 바와 같이 입자 검출기(800)에 유사하게 구성될 수 있다. 그러나, 검출 공동(904)의 단면의 크기(단면적)가 길이 방향 축(932)을 따라서 변화하는 하나 이상의 섹션들이 입자 검출기(900)에 구비된다. 도시된 실시예들에서, 이것은 하우징(920)에 의해 구현되고, 따라서 구형(spherical)이거나 또는 구형 섹션(922)을 포함하는 검출 공동(904)에 의해 구현된다. 이러한 경우에, 길이 방향 축(932)은 구형 섹션(922)의 대칭축일 수 있다.
또한 도시된 실시예에서, 하우징(920)은 둥글거나 또는 다각형 단면의 축방향 유출 섹션(918) 및 축방향 유입 섹션(914)을 구비할 수 있으며, 이것은 길이 방향 축(932)을 따라서 구형 섹션(922)으로부터 연장된다. 도시된 바와 같이, 광원(924) 및 샘플 유입부(952)는 유입 섹션(914)에 위치될 수 있고, 샘플 유출부(954) 및 광 트랩(958)은 유출 섹션(918)에 위치될 수 있다. 광 검출기(928)는 길이 방향 축(932)에 90 도의 방위로 검출 공동(904) 둘레에 감싸일 수 있거나, 또는 상이한 각도로 지향될 수 있다. 추가적인 광 검출기(미도시)들은 완전히 또는 부분적으로 검출 공동(904) 둘레에 감싸여져서 활성 검출을 위한 추가적인 영역을 제공할 수 있다.
도 10 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기(1000)의 다른 예에 대한 개략적인 평면도이다. 입자 검출기(1000)는 유동 통과 검출 공동(1004)을 한정하는 하우징(1020), 하나 이상의 광원(1024) 및, 하나 이상의 광 검출기(1028A, 1028B, 1028C)를 포함할 수 있다. 입자 검출기(1000)는 위에서 설명되고 도 1 내지 도 9 에 도시된 하나 이상의 다른 특징들 뿐만 아니라, 위에 설명된 하나 이상의 광학 필터(미도시) 및 광 트랩(light trap, 1058)을 구비할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기(들)(1028A, 1028B, 1028C) 및 광학 필터(들)는 위에서 설명된 유연성 재료를 구비할 수 있다. 하우징(1020) 및 검출 공동(1004)의 단면은 둥글거나 다각형일 수 있다. 하우징(1020)이 샘플 유입부(1052)로부터 검출 공동(1004)을 통하여 샘플 유출부(1054)로의 샘플 유동 경로를 형성하도록 위치된 샘플 유입부(1052) 및 샘플 유출부(1054)가 하우징(1020)에 구비된다. 전체적으로 길이 방향 축(1032)을 따라서 동일 직선상으로(collinearly) 샘플 유체가 유동하고 조사 광이 전파되도록 광원(1024), 샘플 유입부(1052), 샘플 유출부(1054) 및 광 트랩(1058)이 위치될 수 있는데, 상기 길이 방향 축은 검출 공동(1004) 및 입자 검출기(1000)의 하나 이상의 다른 부분들의 대칭축일 수 있다. 입자 검출기(1000)는 도 8 또는 도 9 에 도시되고 위에서 설명된 입자 검출기(800)에 유사하게 구성될 수 있다. 그러나, 입자 검출기(1000)는 하나 이상의 섹션들을 구비하며, 여기에서 검출 공동(1004)의 단면(단면적)의 크기는 길이 방향 축(1032)을 따라서 변화한다. 이것은 예를 들어 단면적이 증가하거나 감소되는 하나 이상의 천이부 또는 테이퍼진 섹션들을 구비한 하우징(1020)에 의해 구현될 수 있다. 그러한 천이부 또는 테이퍼진 섹션들은 예를 들어 꼭대기를 자른 원추형 또는 피라미드 형상을 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 하우징(1020)은 일정한 단면의 섹션(1026)에 접하는 증가되는 천이부(1022)이며 (즉, 유체 유동 및 조사 광 전파의 방향으로 단면이 증가한다), 이것은 다시 감소하는 천이부(1030)에 접하게 된다.
다른 실시예에서, 천이부(1022)는 증가하는 천이부 대신에 감소하는 천이부일 수 있고, 그에 의하여 일정한 단면의 섹션(1026)에 있는 더 작은 단면에 유동이 초점을 맞추도록 단면은 유체 유동의 방향으로 감소된다. 보다 일반적으로, 단면 천이를 포함할지의 여부 및, 그러한 천이가 유체 유동의 방향에서 단면을 확장시킬 것인지 또는 수렴시킬 것인지의 여부에 대한 판단은 유체 역학(fluid mechanics), 입자들과 입자 검출기 사이의 거리등에 관한 다양한 인자들에 달려 있을 수 있을 수 있다.
도시된 실시예에서, 하우징(1020)은 증가되는 천이부(1022)로부터 연장된 축방향 유입 섹션(1014) 및, 길이 방향 축(1032)을 따라서 감소되는 천이부(1030)로부터 연장된 축방향 유출 섹션(1018)을 구비할 수 있다. 도시된 바와 같이, 광원(1024) 및 샘플 유입부(1052)는 유입 섹션(1014)에 위치될 수 있고, 샘플 유출부(1054) 및 광 트랩(1058)은 유출 섹션(1018)에 위치될 수 있다. 하나 이상의 광 검출기(1028A)들은 길이 방향 축(1032)에 대하여 90 도의 방위로, 일정한 단면의 섹션(1026)에서 검출 공동(1004)의 둘레에 감싸일 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 하나 이상의 광 검출기(1028B 및/또는 1028C)들은 증가되는 천이부(1022) 및/또는 감소되는 천이부(1030) 둘레에 각각 감싸일 수 있다.
도 11 은 일부 실시예들에 따른 입자 검출기(1100)의 다른 예에 대한 개략적인 단면도이다. 입자 검출기(1100)의 하우징(1120)에 의해 형성된 검출 공동(1104)을 통한 도면이 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 하우징(1120)은 복수개의 평탄한 벽 섹션들을 구비함으로써, 검출 공동(1104)의 단면은 다각형이다. 도 11 은 오직 일 예로서 직선형의 단면을 도시하며, 다른 다각형 기하 형상(예를 들어, 6 각형, 8 각형 등)도 구현될 수 있다. 하나 이상의 광 검출기(1128A, 1128B, 1128C, 1128D)들이 개별의 평탄 벽 섹션들에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 광 검출기들의 더 적은 수의 대향하는 쌍들이 주어진 다각형 기하 형상에 대하여 제공될 수 있다. 도 11 에서, 예를 들어, 광 검출기(1128A, 1128C 또는 1128B, 1128D)들의 단지 하나의 대향하는 쌍이 제공될 수 있다.
본 발명은 위에서 설명되고 도 1 내지 도 11 에 도시된 실시예들의 하나 이상의 특징들에 대한 다양한 조합을 제공하는 다양한 다른 실시예들을 더 포괄한다. 더욱이, 다른 실시예들은 2014 년 8 월 20 일자에 제출된 미국 특허 가출원 No. 62/039,519 "SYSTEMS, DEVICES, AND METHODS FOR FLOW CONTROL AND SAMPLE MONITORING CONTROL"에 개시된 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있으며, 상기 미국 특허의 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
여기에 설명된 바와 같은 입자 검출기들은 하나 이상의 장점들을 제공할 수 있다. 특히 여기에 설명된 광 검출기들을 가진 입자 검출기들은 입자 농도를 검출하는 것에 대한 간단하고, 저렴한 해법을 제공할 수 있고, 시험을 통하여 매우 민감한 것으로 나타남으로써, 측정 광 경로에서 정확한 비임 형상화 옵틱(beam shaping optic)(예를 들어, 렌즈 및 거울)을 필요로 하지 않으면서 높은 광자 수집을 산출한다. 즉, 광 검출기는 길이 방향 축과 광전자 물질 사이의 측정 광 경로들에서 비임 형상화 옵틱들에 대하여 검출 공동을 자유롭게 할 수 있다. 이는 적어도 부분적으로 검출 공동을 일치되게 둘러싸는 큰 면적의 활성 광전자 물질을 가지는 광 검출기 때문이며, 그에 의하여 광 검출기는 전파의 거의 모든 방향들에 걸쳐서 측정 광을 수신할 수 있다. 더욱이, 활성 검출 영역이 크고 검출 공동을 일치되게 둘러쌈으로써, 광 검출기는 통상적인 장치들과 비교하여 훨씬 큰 체적을 검출 공동이 가질 수 있게 하여, 산란 또는 형광 조사의 광자들의 현저하게 큰 부분 또는 수가 광 검출기를 지나는 샘플 유체의 통과 시간 동안에 그리고 더 오랜 통과 시간 동안(예를 들어, 5L/min 와 같은 리터/분 유량에 대하여 수 초 또는 수십초 정도)에 수집될 수 있게 한다. 이것은 통상적인 입자 검출기들에서 사용된 광 검출기들과 대조적인데, 통상적인 입자 검출기들은 대략 1 내지 10 마이크로초(microsecond)(㎲)의 통과 시간에 걸쳐 광자들의 작은 부분만을 포착할 수 있다. 비록 유량 x 통과 시간 = 일정할지라도, 조사 광원, 광전자 물질 및, 측정 전자부의 특징들은 입자 검출기의 LOD 및/또는 감도에 대하여 최적의 유량이 있게 되는 결과를 가져올 수 있다. 작은 검출 공동들 및 다수의 비임 형상화 옵틱들을 가진 통상적인 단일의 입자 카운터(particle counter)들과 비교하여, 광 검출기의 구성 및 방법론은 입자 검출기의 검출 공동 및 다른 구성 요소들에 대한 광원의 정렬에 있어서 정확성 및 정밀성의 요건들을 현저하게 완화시킬 수도 있다. 통상적인 단일 입자 계수 기술(counting techniques)과는 반대로, 여기에 설명된 광 검출기들은 샘플 유체의 체적에서 입자들의 전체 농도(#/cm3) 의 측정을 가능하게 하며 농도의 변화를 가능하게 한다. 이러한 접근 방식은 필요한 옵틱(optics)을 단순화시킬 수 있고 샘플 유체를 단일의 입자 유동 경로로 초점을 맞춰야 하는 필요성을 제거한다. 더욱이, 검출 공동의 단순한 기하 형상(예를 들어, 실린더형)은 입자 검출기의 조립 및 유지 관리를 단순화시킬 수 있고, 내측 표면상의 입자 퇴적(particle deposition)을 최소화시키고, 세정을 용이하게 할 수 있다.
예 1-일반적인 에어로졸 검출
이러한 예에서, 도 8 에 도시된 것과 유사한 구성을 가진 입자 검출기가 제조되었다. 하우징은 광학적으로 투명한 튜브로서 1.62 인치(41.1 밀리미터)의 직경을 가진다. 광 검출기로서 1.5 인치 x 4.5 인치 크기의 유연성 PV 검출기(Power Film Solar 의 MP3-37)가 선택되었다. 유연성 PV 검출기는 투명 튜브의 둘레에 감싸였다. 650 나노미터 파장의 레드 레이저 다이오드(red laser diode)가 광원으로서 선택되었으며, 튜브의 중심으로 빛을 비추도록 위치되었고, 공기는 분당 5 리터의 유량으로써 광과 동일 축으로 유동한다. 광 트랩(light trap)은 튜브의 반대편 단부에 위치되었다. 시험 시스템은 입자 검출기를 평가하도록 구성되었다. 시험 시스템은 대부분 블랙 폴리비닐클로라이드(black polyvinylchloride, PVC) 파이프로 구성되었고, 파이프의 직경은 1.5 인치였다. PV 검출기의 출력 전압은 16 Bit DataLogger (Measurement Computing USB-1698FS-Plus)를 사용하여 초당 1 샘플로 실시간 측정되었다.
입자 검출기는 제어되고 잘 혼합된 에어로졸의 농도를 공급하는 에어로졸 혼합 챔버에 연결되었다. 에어로다이나믹 파티클 사이저(Aerodynamic Particle Sizer (APS; TSI Incorporated))가 입자 검출기 이후에(하류에) 배치되었다. APS 는 입자 검출기를 통하여 공기 유동(5 L/min)을 제공하였고, 기구들을 통과하는 에어로졸에 관한 정보 및 크기를 제공하였다. 양쪽 기구들을 통하여 유동하는 샘플 공기의 이러한 구성은 양쪽 기구들에 동일한 에어로졸 농도를 제공하였다. APS 로부터의 에어로졸 농도 정보는 표준 또는 기준으로서 사용되었다. APS 에 더하여, 콘덴세이션 파티클 카운터 모델 3022a (Condensation Particle Counter model 3022a (CPC; TSI Incorporated))도 에어로졸 혼합 챔버에 연결되었지만, 입자 검출기 및 APS 와 같은 샘플 유동 경로에 있지 않는다. 그러나, 에어로졸 챔버의 잘 혼합된 환경이라면, 모든 기구들에 의하여 매우 유사한 농도들이 측정될 것으로 예상되었다. 2 개 입자 카운터들의 조합을 사용하는 것은 입자 검출기들이 어떻게 작동되는지에 대한 우수한 통찰을 제공하였다. APS 는 대략 0.5 마이크로미터(500 나노미터) 내지 5 마이크로미터를 넘는 범위의 입자 농도 및 크기를 측정한다. CPC 모델 3022a 는 7 나노미터의 하한 크기 범위와, 대략 1 마이크로미터의 상한 범위를 가진다. 자체적으로 사용되면 CPC 는 오직 전체 계수 정보(count information)만을 제공한다. 스캐닝 모빌리티 파티클 사이저(Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS; TSI Incorporated))의 추가는 크기 정보를 제공하였다. APS 및 CPC 기구들 양쪽 모두는 정밀 입자 카운터(precision particle counters)들이다.
ISO 12103-1, A1 Ultrafine Test Dust (Arizona 도로 먼지로 호칭됨)를 이용하여 실험이 수행되었다. 시험 더스트(dust)의 중간 크기 범위는 도 12 에 도시되고 SMPS 에 의해 측정되는 바와 같이 대략 250 nm 이었다. ISO 미세 아리조나 도로 먼지(Ultrafine Arizona Road Dust)의 크기 분포는 TSI SMPS 로 측정된 바와 같다. 전형적인 실험은 소형 분말 분산기(TSI Model 3433 Small Scale Powder Disperser)를 이용하여 에어로졸 혼합 챔버 안으로 소량의 아리조나 도로 먼지(Arizona Road Dust)를 분산시키는 것을 포함한다. 다음에 챔버 안의 잘 혼합된 에어로졸이 입자 검출기 및 2 개의 상업용 입자 카운터(APS 및 CPC)에 의하여 샘플로 채취되었다. 챔버 안의 에어로졸 농도는 세정 펌프가 작동되는 때까지의 시간에 걸쳐서 느리게 감쇠(decay)되는데, 세정 펌프(clean out pump)는 여과된 공기를 시험 챔버 안으로 도입하면서 에어로졸을 챔버 밖으로 유인한다. 도 13a 에는 세정에 따른 농도에서의 감쇠(decay)가 도시되어 있다. 입자 검출기는 2 개의 상업용 입자 카운터(particle counter)와 유사한 농도에서의 변화에 대한 응답을 나타내었다. 도 13b 및 도 13c 에는 입자 검출기 및 2 개의 상업용 입자 카운터의 직접 비교가 도시되어 있다. 이러한 실험에서 채용된 입자 검출기의 구성으로써, 입자 검출기는 질량 농도 측정을 더 제공하였으며 입자 크기를 설명하지 않았다는 점이 주목된다. 이러한 차이는 입자 검출기 응답의 진정한 1:1 관계의 결여 및 2 개의 상업용 입자 카운터의 진정한 1:1 관계의 결여에서 반영되었다. 광의 상이한 파장들 및 캘리브레이션 알고리듬을 이용함으로써 측정의 정확성이 향상될 수 있었다. 입자 검출기에서 650 nm 레드 레이저를 이용함으로써, 입자 검출기에 의하여 0.9 particles/cm3 미만의 농도 및 적어도 0.25 마이크로미터(25 nm) 만큼 작은 크기들이 검출되었다.
예2-바이오에어로졸 검출(Bioaerosol Detection)
이러한 예에서는 상기 예 1 에서 설명된 것과 유사한 구성을 가지는 입자 검출기가 제조되었다. 그러나, 집속 렌즈를 가진 365 nm UV LED 가 여기 소스(excitation source)로서 이용되었고, 알루미늄 히트 싱크는 LED 를 유지하고 안정된 온도를 유지하도록 이용되었다. 여기 파장은 로스코 필터 젤 시트(Rosco 400 nm UV filter gel sheet)를 이용하여 차단되었다. UV 필터는 투명 튜브 둘레에 감싸였다. 유연성 PV 검출기가 젤 필터(gel filter) 둘레에 감싸였으며 따라서 여기 조사(excitation radiation)를 PV 검출기로부터 배제시키는 검출 공동을 형성한다.
예 1 에서 설명된 것과 동일한 실험적인 설정을 이용함으로써, 형광 에어로졸이 바이오에어로졸(bioaerosol)을 위한 시뮬턴트(simultant)로서 이용되었다. WR Grace Syloid 분말에는 2 % 의 Tinopal CBS X 로써 태그가 부착되었다. Tinopal 태그는 대략 385 나모미터의 흡수 최대치(absorbance maximum)를 가진다. 방사 파장 최대치(emission wavelength maximum)는 대략 430 nm 에서 발생된다. 제어 실험은 태그 미부착(untagged) 실로이드(Syloid) 에어로졸을 이용하여 수행되어서, PV 검출기에 의하여 검출된 신호가 산란된 연기 에너지가 아니었으며 오히려 형광으로부터의 방사된 광자들이었음을 나타내었다. 도 14 는 입자 검출기의 응답을 태그가 붙은 Syloid 에어로졸 및 태그가 붙지 않은 Syloid 에어로졸과 비교한다. 이러한 실험들의 세트에서, 스트레이 소스 조사(stray source radiation)가 PV 검출기에 도달함으로써, 검출의 레벨을 제한한다.
통공들을 추가하고 LED 의 집속을 향상시킴으로써, 제 2 세트의 실험들이 수행되어 도 15 에 도시된 바와 같이 검출의 아래 한계 및 더 많은 감도(sensitivity)가 제공되었다. 스트레이 소스 조사(stray source radiation)의 감소와, 샘플 유량 및 감지 공동의 기하 형상의 최적화에 대한 추가적인 향상으로써, 더욱 향상이 이루어질 수 있다.
예 3-바이오에어로졸 검출
이러한 예에서, 예 2에서 설명된 것과 유사한 구성을 가지는 입자 검출기가 제작되었다. 그러나, 입자 검출기는 405 nm 바이올렛 레이저를 사용하도록 재구성되었다. 바실러스 포자(Bacillus spore)로부터의 제어된 농도가 챔버로 도입되고 위에서 설명된 상업용 입자 카운터 및 입자 검출기로 샘플링되었다는 점을 제외하고, 유사한 실험상의 설정이 예 2 에서 위에 설명된 바와 같이 이용되었다. 405 nm 파장은 바이오입자들의 여기(excitation)의 상단에 있다. 그러나, 레이저는 검출 공동 안에서 바이오에어로졸에 효율적으로 전달되는 강력하고, 코히런트(coherent)의 광을 제공한다. 405 nm 의 바이올렛 레이저들이 검출 바이오에어로졸에서 이전에 시현되었다. 참고 자료로서, 사리(Saari)등이 저술한 "Performance of Two Fluorescence-Based Real-Time Bioaerosol Detectors: BioScout vs. UVAPS" Aerosol Science and Technology 48(4): 371-378 (2014)을 들 수 있다. 405 nm 레이저는 탄성적으로 산란되고 (전체 에어로졸 검출) 형광체를 자극한다 (바이오에어로졸 검출). 그러나, 이러한 실험에서 PV 검출기 앞에서 사용된 젤 필터(gel filter)는 400 nm 미만의 여기 광만을 차단하며, 따라서 산란되고 방사된 형광 모두가 검출되었다. 오직 650 nm 레드 레이저를 가지고 제 2 설정이 사용되어 단지 전체 에어로졸 농도(형광체가 자극되지 않는다)를 측정하였다. 405 nm 및 650 nm 으로부터의 신호들의 차이는 형광 신호의 대강의 평가를 제공하였다. 이상적으로는 405 nm 여기 광을 배제시키는 필터가 채용되어야 한다. 대안으로서, 400 nm 미만의 파장을 가진 UV LED 가 채용될 수 있지만, 광의 주의 깊은 집속(collimation)이 필요하다.
탄저병 박테리아에 대한 시뮬란트, 바실러스 아트로퍼스(Bacillus atrophaeus (Bg))가 입자 검출기를 시험하도록 사용되었다. Bg 포자(spores)의 공지된 농도가 3 제트 충돌 분무기를 이용하여 에어로졸 테스트 챔버 안으로 주입되었다. 측정 불가능의 농도가 달성될 때까지 입자 검출기 및 APS 는 Bg 포자들의 이전 주입으로부터 데이터를 취한다. 실행 가능한 샘플링은 포자를 수집하는 임핀저 유체(impinger fluid)를 이용하여 전유리 임핀저(all glass impinger, 4 mm (AGI-4))를 통하여 이루어졌다. 콜로니(colonies)들의 플레이팅(plating) 및 카운팅(counting)은 실행 가능한 계수를 판단하도록 이용되었다.
AGI 결과들은 시간 분해된 실행 가능 바이오에어로졸 농도를 평가하도록 APS 입자 크기 정보와 조합되었다. Bg 포자들이 주입되고 있을 때 1 마이크로미터 둘레에서 뚜렷한 피크(peak)가 형성되었다. 이러한 이벤트 동안 존재하는 다른 입자들은 성장 매체(growth media) 또는 세포외 물질(extracellular material)일 수 있다. 질량 농도에 의한 입자 분포의 관찰(view)은 단일 포자들의 빈틈 없는 분포를 드러내었다. 이러한 정보를 가지고, 입자 데이터로부터 관심 대상의 사이즈 빈(size bin)을 추출하는 것이 합리적이다. 이러한 경우에, 0.965 마이크로미터, 1.037 마이크로미터 및 1.114 마이크로미터의 길게 분포된 평균적인 빈 사이즈(bin size)들이 빈 불일치(binning inconsistency)를 보상하도록 선택되었다. 그러나, 브래킷 빈(bracketing bins)도 일부 비포자 물질(non-spore material)을 포함할 수 있으며, 따라서 전체 포자 농도의 과대 평가를 제공한다.
도 16 은 405 nm 및 650 nm 레이저로써 이루어진 측정에 대하여 Bg 바이오에어로졸 시도에 대한 입자 검출기의 결과를 도시하며, 이는 APS 및 평가된 실행 가능 바이오에어로졸 농도와 비교된 것이다. 입자 검출기는 APS 농도로써 훌륭하게 추적하여, 주입 시기로부터 주입이 정지된 이후의 감쇠(decay)까지 Bg 농도에서의 변화를 검출한다. 입자 검출기에 의해 측정된 하한은 세제곱센티미터 당 0.085# 정도였다.
전체적으로, "소통되는" 및 "소통되고 있는"(예를 들어, 제 1 구성체가 제 2 구성체와 "소통되는" 또는 "소통되고 있는")과 같은 용어는 본원에서 2 개 이상의 구성체들 또는 요소들 사이의 구조적, 기능적, 기계적, 전기적, 신호, 광학, 자기, 전자기, 이온 또는 유체 관계를 나타내도록 사용된다. 그와 같은 것에 의하여, 하나의 구성체가 제 2 구성체와 소통되는 것으로 지칭되는 사실은, 추가적인 구성체들이 제 1과 제 2 구성체들 사이에 존재할 수 있고 그리고/또는 제 1 및 제 2 구성체들과 작동 가능하게 관련되거나 연계될 수 있는 가능성을 배제하도록 의도되지 않는다.
본 발명의 다양한 양상 또는 세부 내용들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 변화될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 더욱이, 상기의 설명은 오직 예시적인 목적만을 위한 것이며, 청구항에 의하여 정의되는 본 발명을 제한할 목적은 아니다.
100. 입자 검출기 104. 검출 공동
108. 비임 112. 입자
116. 경로 120. 하우징

Claims (31)

  1. 샘플 유입부(152,852,952,1052) 및 샘플 유출부(154,854,954,1054)를 포함하고, 길이 방향 축(132, 932, 1032)를 따라서 공동의 길이(cavity length)를 가지는 검출 공동(detection cavity, 104, 804, 904, 1004, 1104)을 에워싸는 하우징(120,820,920,1020, 1120)으로서, 상기 하우징은 샘플 유입부(152,852,952,1052)로부터 검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104)을 통하여 샘플 유출부(154,854,954,1054)로의 유동 경로를 형성하는, 하우징; 및,
    길이 방향 축(132, 932, 1032)을 따라서 검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104) 안에서 유동하는 샘플 유체의 입자들(112, 136)로 조사광(irradiating light)을 지향시키도록 구성된 광원(124, 824, 924, 1024);을 포함하는 입자 검출기(100,800,900,1000,1100)으로서,
    공동의 길이의 일부를 따라서, 광전자 물질(678)이 길이 방향 축에 직각인 평면에서 30 도 내지 360 도 범위의 원호 길이를 통하여 길이 방향 축(132, 932, 1032) 둘레에서 연장되도록, 하우징(120,820,920,1020, 1120) 및 둘러싸는 검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104)상에 일치되게 배치된 유연성 광전자 물질(flexible photoelectric material, 678)을 포함하고,
    광전자 물질(678)은 길이 방향 축(132, 932, 1032)에 대하여 각이 형성된 복수개의 측정 광 경로(116, 342, 344, 346)에서 입자들(112, 136)로부터 전파되는 측정 광을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 입자 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104)은:
    전체적으로 실린더형이거나, 구형이거나 또는 다각형인 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)을 따라서 변화되는 단면적이 검출 공동의 적어도 일부에 구비되는 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)을 따라서 증가되는 단면적을 가진 천이부(1022)를 포함하는 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)을 따라서 감소하는 단면적을 가진 천이부(1030)를 포함하는 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)과 광전자 물질(678) 사이에서 측정 광 경로(116,342,344,346)에서의 비임 성형 광학부(beam shaping optics)가 결여된 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)상에 제 1 단부 및 대향하는 제 2 단부를 포함하는 검출 공동으로서, 조사광을 제 1 단부로부터 제 2 단부를 향하여 지향시키도록 광원(124,824,924,1024)이 구성되는, 검출 공동;
    길이 방향 축(132, 932, 1032)상에 제 1 단부 및 대향하는 제 2 단부를 포함하는 검출 공동으로서, 광원(124,824,924,1024)이 제 1 단부에서 하우징(120,820,920,1020, 1120)에 장착되는, 검출 공동; 및,
    상기 검출 공동들중 2 개의 이상의 조합;으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 구성을 가지는, 입자 검출기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    광원(124,824,924,1024)은:
    조사광을 코히런트 비임(coherent beam)으로서, 집속된 비임(collimated beam)으로서 또는 코히런트 및 집속된 비임 모두로서 방사하도록 구성된 광원;
    0.4 mm 내지 4000 mm 범위의 비임 직경을 가진 조사광을 방사하도록 구성된 광원;
    검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104) 단면적의 1 % 내지 80% 범위의 단면적을 가진 조사광을 방사하도록 구성된 광원;
    자외선 범위, 가시 범위 또는 적외선 범위에 있는 조사 파장(irradiating wavelength)에서 조사광을 방사하도록 구성된 광원;
    250 내지 1500 nm 범위의 조사 파장에서 조사광을 조사하도록 구성된 광원;
    바이오 입자(bio-particles)들중 하나 이상의 유형들에서 자발 형광을 유도하기에 유효한 범위의 조사 파장에서 광을 방사하도록 구성된 광원;
    상기 광원들중 하나 이상의 조합;으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 구성을 가지는, 입자 검출기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    광원(124,824,924,1024)은 복수개의 광원들을 포함하고, 광원들중 적어도 하나는 다른 광원들과 상이한 조사 파장(irradiating wavelength)에서 조사광을 방사하도록 구성된, 입자 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서, 광전자 물질(678)과 길이 방향 축(132, 932, 1032) 사이에 위치된 광학 필터(186, 886)를 포함하고, 측정광은 광학 필터를 통해 지나가는, 입자 검출기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    광원(124,824,924,1024)은 조사 파장에서 조사광을 방사하도록 구성되고, 광학 필터(186, 886)는 소망스럽지 않은 광자가 광전자 물질(678)에 영향을 미치는 것을 차단하도록 구성되고, 상기 소망스럽지 않은 광자는:
    조사 파장이 아닌 하나 이상의 파장 범위들에 있는 파장들;
    하나 이상 유형들의 바이오 입자들이 형광 발광되는 파장 범위가 아닌 하나 이상의 파장 범위들에 있는 파장들; 및
    조사 파장이 아니고, 하나 이상 유형들의 바이오 입자들이 형광 발광되는 파장 범위가 아닌, 하나 이상의 파장 범위들에 있는, 파장들;로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 파장을 가지는, 입자 검출기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    하우징(120,820,920,1020, 1120)은 외측 표면 및 내측 표면을 포함하고, 광전자 물질(678) 및 광학 필터(156, 886)는:
    광전자 물질은 외측 표면상에 일치되게 배치되고, 광학 필터는 내측 표면상에 일치되게 배치되는 구성;
    광학 필터는 외측 표면상에 일치되게 배치되고, 광전자 물질은 광학 필터상에 일치되게 배치되는 구성;
    광전자 물질은 내측 표면상에 일치되게 배치되고, 광학 필터는 광전자 물질상에 일치되게 배치되는 구성;으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 구성에 따라서 위치되는, 입자 검출기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    광전자 물질(678)은 광전지(photovoltaic) 물질인, 입자 검출기.
  9. 제 1 항에 있어서, 광전자 물질(678)은 서로 인접하게 위치된 복수개의 광전자 유닛(682)들을 포함하고, 특히 광전자 유닛들(682)은, 길이 방향 축에 대하여 상이한 각도 위치들에서 배치되거나, 길이 방향 축에 대하여 상이한 축방향 위치들에서 배치되거나, 또는 길이 방향 축에 대하여 상이한 각도 위치들 및 상이한 축방향 위치들 양쪽 모두에서 배치되는, 입자 검출기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    광전자 물질(678)은 복수개의 광전자 물질들을 포함하고, 특히 복수개의 광전자 물질(678)은:
    서로 직렬로 전기적으로 결합된 2 개 이상의 광전자 물질들을 포함하는 복수개의 광전자 물질들;
    서로 병렬로 전기적으로 결합된 2 개 이상의 광전자 물질들을 포함하는 복수개의 광전자 물질들;
    서로 전기적으로 격리된 2 개 이상의 광전자 물질들을 포함하는 복수개의 광전자 물질들; 및,
    상기 광전자 물질들의 2 개 이상의 조합;으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 구성을 가지는, 입자 검출기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    복수개의 광전자 물질들(682)은 복수개의 복수개의 전기적으로 격리된 광전자 물질들을 포함하고, 입자 검출기는 하나 이상의 전기적으로 격리된 광전자 물질들과 길이 방향 축(132, 932, 1032) 사이에 각각 위치된 복수개의 광학 필터들(132,932,1032)을 더 포함함으로써, 측정 광이 광학 필터들을 통과하고, 광학 필터들중 적어도 하나는 다른 광학 필터들에 의해 통과되는 파장 범위와 상이한 측정 광의 파장 범위를 통과시키도록 구성된, 입자 검출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 광학 필터(186,886)는, 입자들에 의해 산란되는 측정 광에 대응하는 파장 범위를 차단하면서, 입자들(112, 136)에 의해 형광 방사된 측정 광에 대응하는 파장 범위를 통과시키도록 구성되는, 입자 검출기.
  13. 샘플 유체를 검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104)을 통하여 유동시키는 단계;
    샘플 유체 안에 있는 입자들을 조사(irradiation)하도록 검출 공동()을 통하여 길이 방향 축(132,932, 1032)을 따라서 조사 광을 지향시키는 단계로서, 입자들은 조사에 응답하여 측정 광을 방사하는, 조사 광 지향 단계; 및,
    길이 방향 축(132)에 대하여 각이 진 복수개의 측정 광 경로들(116, 342, 344, 346)에서 입자들(112, 136)로부터 전파되는 광전자 물질(678)의 측정 광을 수광하는 단계;를 포함하고,
    공동의 길이의 일부를 따라서, 광전자 물질(678)이 길이 방향 축에 직각인 평면에서 30 도 내지 360 도 범위의 원호 길이를 통하여 길이 방향 축(132, 932, 1032) 둘레에서 연장되도록, 유연성 광전자 물질(flexible photoelectric material)은 하우징(120,820,920,1020, 1120)상에 일치되게 배치되고 검출 공동(104, 804, 904, 1004, 1104)을 둘러싸는, 샘플 유체 안의 입자(112,136) 측정 방법.


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