專利名稱：實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質的方法及設備。
背景技術：
用于檢測各個危險性物質的公知裝置通常具有用于分析物質的封閉樣品腔室，并 且分析本身要用幾分鐘。用于檢測細菌、病毒或其它微觀粒子的裝置例如在粒子能夠被自 動檢測之前過濾出相應的粒子并對其進行標記。 德國專利文獻DE 10306900A1公開了一種用于分析氣體的具有激光裝置的光譜 儀。該光譜儀包括用于接收氣體的腔室、用于在腔室中產生電壓降的裝置、激光源以及由對 置鏡子形成或者構成為環狀共振器的光學共振器。在腔室內部產生激光束以電離氣體。使 用離子收集器進行加速離子的檢測。 德國專利文獻DE 10247272A1中描述了一種類似裝置，不過在該裝置中，取代由 對置鏡子構成的光學共振器，設置具有鏡子的多次反射室，這些鏡子構造成使激光束在鏡 子間反射多次。結果，與氣體相互作用的激光束的距離增大，這在離子收集器處引起更高電 流。由于借助鏡子產生的光學布置，使得形成均在兩個反射點之間延伸的多個激光束，它們 在中央區域相互交叉并朝鏡子成扇形散開。 現有技術的一個缺點在于通常每個相應裝置僅覆蓋多種危險物質類別中的一種。 再者，公知裝置不能不預先富集而直接從環境空氣檢測物質。而且，在幾分鐘范圍內的傳統 取樣時間不能用于諸如運輸控制、口岸監測、危險監測等等之類的某些應用。此外，公知解 決方案通常笨重龐大，原始成本高。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種用于實時分析化學、生物和爆炸性物質的改 進裝置，其中可快速精確地檢測并證實環境空氣中的危險物質，例如生物病原體、病毒、細 菌、孢子、化學戰劑、爆炸物、有毒化合物和毒品。 根據本發明，該目的通過根據本發明的實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物 質的方法和裝置得以實現，該裝置至少包括氣體分析傳感器、熒光/冷光傳感器以及用于 確定粒子尺寸和數量的傳感器。這些傳感器均與作為開放測量路徑的多次反射室相連，并 且該裝置還包括評價單元。 因此，避免了現有技術的缺陷，并提供實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質 的改進方案。具體地說，本發明快速精確地檢測并證實環境空氣中的諸如生物病原體、病 毒、細菌、孢子、化學戰劑、爆炸物、有毒化合物和毒品之類的危險物質。可容易地確定病原 體或放射性粒子的數量。本發明因此還實現了借助現有技術傳感器不能確定的相對濃度測 量。而且，可基于測量到的粒子的尺寸比、熒光信號和氣體成分確定威脅等級類型。
本發明的其中一個測量原理基于光譜氣體傳感器技術，其利用在空氣中的電漂移 場的影響下離子在其運動期間的速度操作。基于離子的不同質量和截面，可在各個物質之
4間區別。如在飛行時間光譜中，信號被作為不同類型的離子的到達時間譜測量，而無需龐大 的儀器、真空泵等。 這種離子遷移光譜(IMS)可用于本發明。用于該目的的大多數公知儀器借助膜進 樣系統和放射性離子源操作。這保護儀器以防水、蒸汽以及空氣中的其它所有可想到的污 染物。這些公知儀器所用的電離原理基于也稱為化學電離的電荷轉移反應機理。
本發明的重要元素為高靈敏度離子檢測裝置與高選擇性基于激光的電離機理的 組合。電離方法本身為雙光子電離步驟，其產生允許離子形成階段的更好選擇性以及降至 ppt(兆分之幾)范圍的更好靈敏度的詳細離子譜。 離子遷移光譜儀的分析部件用于檢測酶促反應產物、生物分子的熱解起動材料或 者化學毒素。 另一方面，活體細胞中的各生物系統或分子在被UV光照射時呈現熒光反應。因 此，根據本發明的生物氣溶膠檢測裝置的部件(尤其是可調諧激光電離源(TULIS))提供用 于檢測活體細胞中的熒光反應機理的極好的可行性。 最后，根據本發明的裝置的強激光照射和長測量路徑提供簡單地測量粒子的光反 射即反向散射的可行性。該信號可用于檢測粒子的數量和尺寸。 上述測量系統的組合是本發明的一部分。具體地說，本發明包括i)用于檢測氣
體或化學成分的微型離子遷移傳感器；ii)用于檢測生物分子的熒光單元；iii)用于檢測
粒子的數量和尺寸的反向散射檢測單元。具有微型可調諧激光源的多次反射室形成這些部
件的組合元件。測量單元是開放系統，其中采樣和分析之間不會發生延遲。 CCD、離子遷移光譜儀、多次反射室和激光器的組合和集成產生緊湊且集成的裝置。 多次反射室(多路激光室，即MLC)是氣體分析傳感器aMS)、熒光和/或冷光傳感 器以及用于測量粒子尺寸和粒子數量的傳感器的采樣點和連接點。激光束被引入多次反射 室中，其光路借助兩個鏡子之間的若干內部反射而加長。 多次反射室的長度為大約9厘米。光路的長度由于鏡子而增大至大約3至9米而 無重大損失。所用的激光照射源的波長達200nm與350nm之間(優選為260nm至270nm)， 重復頻率為10Hz至50Hz。激光源的脈沖持續時間達2ns，平均脈沖能量為大約60 y J。例 如，可使用用于激勵和電離的被動調Q 二極管泵浦固體激光器作為激光照射源。
在線性低場區中操作的微型離子遷移光譜儀與多次反射室相連。通過利用低場 IMS技術，與強場IMS技術相比可獲得更短的測量時間和更詳細的光譜。由于優異的信噪 比，可容易地實現兆分之幾(ppt)以下的測量。 此外，通過利用選擇性雙光子驅動電離方法，可實現更高的靈敏度以及不期望影 響的顯著減小。這是分析部件的重要組成部分。本發明因而能夠以不具有膜或分離方法的 所謂的開放式系統操作。因此，相對于公知系統可獲得更高的靈敏度，具有低交叉影響并具 有實時測量。 根據本發明，激光器發射紅外輻射，然而借助調頻技術使其延伸到UV范圍內。在 光學準連續波輸出超過1. 5mW的情況下，激光照射源足以檢測生物物質。
當激光束激勵多次反射室中的光子吸收時，通過用于去除散射光的合適濾光器而 將發射的熒光信號的強度采集在光電二極管檢測單元中。在利用可調諧激光器時，可利用可調節的液晶濾光器(LCTF)或光譜儀增大輸出并實現更高分辨率。 此外，通過與抗體相結合利用熒光染料可實現改進的檢測特性。熒光染料是高量 子和斯托克斯效應的熒光標記。斯托克斯效應意味著激勵波長與發射波長之間的變化很 高；例如達200nm。結果，明顯利于激勵波長與發射波長之間的過濾。 因為粒子、氣溶膠、細菌和孢子在遇到激光束時產生強反向散射信號，所以粒子反 向散射傳感器與多次反射室相結合。 由于長光路，所以垂直于激光束產生大量反射信號。與CCD檢測元件一起可從這 些信號確定粒子尺寸和數量。而且，可利用所謂的"粒子圖像測速技術"(PIV)。該軟件取 得不同時間粒子位置的快照并從其計算速度模型。PIV可用于調節并測量檢查的氣流并用 于計算種群數量。 可通過離子遷移光譜分析裝置檢測毒素(氣溶膠)或其它類型的揮發物。除了具
體漂移時間外，物質選擇性電離方法產生檢查方法的增大分辨率的實時測量。 可通過在向MCL室內發射強綠光或IR激光時發生的熱解反應的釋放揮發物檢測
孢子和細菌。為了更好地區分，可以以永久或交換方式供應激光。以這種方式可檢測到生
物細胞膜的更少量的熱解產物。可檢測揮發物可能是氨和鄰硝基酚(0NP)。可通過觀察吡
啶二甲酸鈣(DPA含量5 15% )或者吡啶甲酸(PA)檢測孢子。可借助離子遷移光譜或熒
光件實現該測量。 在粒子尺寸種類(例如細菌、孢子和氣溶膠)的情況下，激光照射被反射并借助反 向散射信號(LIDAR)進行檢測。然后可利用觀察到的粒子的尺寸和數量進行區分，并在某 一閾值開始觸發警報。 由于病毒為在lOnm至300nm之間的尺寸小的種類，因此難以利用散射信號檢測。 為了檢測病毒，利用激光源對其充以電壓或進行電離，使其可通過離子遷移光譜裝置的電 子漂移場被單獨識別。 大多數生物戰(BW)病原體優選具有使其能夠在環境中散布的幾何形狀。這些滴 狀懸浮物質通常尺寸在0. 5 5iim之間。除了這些病原體之外，還存在其它物質，例如穩 定劑、溶劑或附加化學物質。根據典型模式通過公知溶劑和化學物質識別大范圍的BW病原 體。 為各相應傳感器設置的集成電子識別及接口模塊在與硬件交互作用的同時操作， 所述硬件與信號處理器和信號評價算法協作。 在離子遷移光譜中，測量可下至允許ppt范圍內的檢測的水平。信噪系數在低ppb 范圍內約為IOO，并可容易地通過算法增強。源自BW的濃度高，尤其是在利用蒸發的激光解 吸相時。 在粒子相中以高靈敏度進行檢測具有三個部分。第一部分是距進行測量的開始點 短距離的強激光照射，這是在與靈敏度交互的同時確保整體良好的檢測的環境。第二部分 是速度測量；第三部分基于當前所用的從輻射源發出的短波長，使得在檢測更小的粒子期 間也可獲得良好的靈敏度。 由于雙光子驅動激勵的針對性使用，與利用被一個光子驅動的激勵相比，可獲得 大得多的量子增益。 由于共振增強多光子電離(REMPI)，使得基于激光的離子遷移光譜的靈敏度大于傳統類型的情況。需要時，這可通過雙色光或三色光電離方法進一步增強。 通過利用不同波長來照射粒子，在利用尺寸和布置區分各種類型期間進行有效變
化。此外，利用高分辨率CCD接收來自不同角度的反向散射信號以獲得多尺寸整體圖像。
共振雙光子驅動激勵的使用與使用非共振單光子驅動激勵步驟相比可獲得更好
的靈敏度。而且，脈動饋送減少了關于饋送和發射波長的重疊的問題。 如以上所述，離子遷移光譜檢測期間的測量時間簡短；優異的信噪比產生所謂的 "單閉式(singles hut)測量框架"(一次性曝光測量)。這意味著檢測光譜的測量花費 20ms。而且，粒子識別非常快(< 1ms)地進行，并且僅隨所用的CCD技術而變。例如，可利 用CCD陣列。熒光檢測也非常快(< 20ms)并且隨可用的CCD以及復制/識別技術而變。
對于所有傳感器，用于檢測的重復率在25ms至100ms之間。這意味著最長測量時 間為100ms ;最短測量時間為25ms。與要求的測量時間(小于1分鐘)相比，這些時間范 圍使得每分鐘可進行600至2400次測量，從而在改進信號系統和累加程序方面實現顯著突 破。 此外，還可設置核輻射傳感器以檢測放射性排放，其可構造成非常小的硅漂移探 領lj器。 最后，根據本發明的用于通過根據權利要求1的裝置實時分析空氣中的化學、生 物、爆炸性和/或放射性物質的方法具有以下步驟
-多次反射室中的樣品的UV激光照射；-所述樣品的電離(可能的話)以檢測電荷、遷移性和波長；-所述樣品的熒光測量(可能的話)以檢測色彩、持續時間以及波長； _所述樣品的反向散射測量(可能的話)以檢測粒子數量和尺寸。 結合附圖，從本發明的以下詳細說明中，本發明的其它目的、優點和新穎特征將變
得明顯。
圖1是根據本發明的實時分析空氣中的化學、生物、爆炸性和放射性物質的裝置 的優選實施方式的示意圖； 圖2是示出根據本發明的裝置的識別算法的流程圖，該算法用于識別懸浮在空氣
中的生物物質；以及 圖3是識別模式的表。 附圖標記說明 1 :熒光傳感器 2:反向散射傳感器 3 :核輻射傳感器 4 :化學物質傳感器 5 :多次反射室(多路激光室) 6 :激光單元 7 :吸收探測器 A :電離
B :熒光
C:反向散射
具體實施例方式
圖1是根據本發明的實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質的裝置的優選實施方式的示意圖。右側的激光單元6將綠光束發射到多次反射室5中以進行更好的檢測。多次反射室5構成為開放測量路徑；S卩，與公知裝置相比，環境空氣可穿過該多次反射室。在本實施方式中，大致平行六面體形多次反射室5的測量路徑的長度僅為9cm。在其縱向端部，多次反射室5在每一端部均具有若干鏡子(未示出)，這些鏡子布置成使得激光束在鏡子間多次反射。結果，與氣體相互作用的激光束的路徑在該實施方式中增大到6m。由于借助鏡子產生的光學布置，使得形成均在兩個反射點之間延伸的多個激光束，這些激光束在中央區域相互交叉并朝鏡子成扇形散開。在這種情況下，單個激光束的光路主要地平行延伸。 鏡子由硅玻璃制成，具有用于UV和綠光波長的高度反射面。鏡面由氣相淀積絕緣層構成，這些層尤其為由激光照射引起的應變而設計。該裝置的各部件以精確匹配方式安裝在陶瓷制成的框架中。不需要附加調節單個元件。 在多次反射室的與激光單元6對置的端部設置吸收探測器7，其構造成可調諧的紫外激光電離源。 熒光傳感器1和反向散射傳感器2(構成為CCD探測器元件)均從上方伸入至多次反射室5的測量路徑中。而且，在測量路徑下方布置在該實施方式中構造成硅漂移傳感器的核輻射傳感器3。此外，呈激光IMS形式的化學物質傳感器4位于測量路徑下方。
傳感器1、2、3、4與呈數字運算邏輯單元10的形式的評價裝置相連，該單元實時評價傳感器1、2、3、4的信號并按需要發出危險警報。 粒子傳感器具有可拾取來自不同角度的激光信號的反向散射的電荷耦合器(CCD)。 離子遷移技術具有集成的漂移場結構的平行板、放大器以及若干微機械制造元件。 激光元件可構造有一種頻率、多種頻率或具有可調諧頻率范圍的光學參量振蕩器。 各傳感器均具有其自身優勢。化學物質傳感器4具有高靈敏度和選擇性。熒光傳感器1為用于作為特殊冷光或熒光反應的結果識別多種生物物種的高效儀器。
由于各所述傳感器均具有實施實時測量的能力，因而基本模式評價軟件的預計重疊時間短。在這種情況下，存在基本上可想到的利用其它物理技術檢查相應樣品的機會。
圖2是示出由評價單元實施的識別算法的流程圖。圖3是反映識別模式的表。識別算法基于電離A、熒光B和信號反向散射C，并產生具有八種基本模式的輸出信號對于電離步驟(A)，這些信號包括電荷、遷移性和波長；對于熒光步驟(B)，這些信號包括色彩、持續時間和波長；對于反向散射步驟(C)，這些信號包括尺寸和數量。如圖3中所示，這些信號均具有其自身的特殊特性，例如濃度、波長、遷移性、尺寸、數量、發射性等。與這些標準有關的矩陣由測量環境的參數加權。
僅為說明本發明而闡述了以上公開，而不意圖對其進行限制。由于本領域技術人員可想到結合本發明的精神和實質的公開的實施方式的各種修改，因而本發明應解釋為包括所附權利要求及其等同物的范圍內的所有內容。
權利要求
一種用于實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質的裝置，所述裝置包括氣體分析傳感器；熒光/冷光傳感器；用于確定粒子的數量和尺寸的傳感器；以及為接收所述傳感器的輸出而連接的評價單元；其中所述傳感器均與作為開放測量路徑的多次反射室相連。
2. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，進一步包括用于分析放射性物質的核輻射傳 感器。
3. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述氣體分析傳感器包括激光離子遷移 光譜裝置。
4. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述多次反射室具有可調諧UV激光照射源。
5. 根據權利要求4所述的實時分析裝置，其中所述激光照射源的波長在200nm至 350nm之間。
6. 根據權利要求4所述的實時分析裝置，其中所述激光照射源的波長在260nm至 270nm之間。
7. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述激光照射源的重復頻率在10Hz至 50Hz之間。
8. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述多次反射室中的光路長度為3m至9m。
9. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述多次反射室的光路長度為6m。
10. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中所述用于確定粒子的數量和尺寸的傳 感器包括反向散射傳感器。
11. 根據權利要求1所述的實時分析裝置，其中用于核輻射測量的傳感器包括硅漂移 探測器。
12. —種用于實時分析空氣中的化學、生物、爆炸性和/或放射性物質的方法，所述方 法包括多次反射室中的樣品的UV激光照射； 所述樣品的電離以檢測電荷、遷移性和波長； 所述樣品的熒光測量以檢測色彩、持續時間以及波長； 所述樣品的反向散射測量以檢測粒子數量和尺寸；以及 基于所述電離、熒光測量和反向散射測量步驟的結果識別所述物質。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中評價單元檢測所述電離、熒光測量和反向散射 測量步驟中產生的傳感器信號，并借助評價算法確定危險物質的存在。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述評價算法根據以下評價步驟確定危險物質 的存在-A，B，C存在二所有危險物質； -A，B存在二細菌孢子；-A，C存在二有毒懸浮物質；4存在=無機粒子； -B，C存在二有機有毒V0S;-B存在=病毒；-C存在二有機和無機VCs ;其中A代表電離，B代表存在熒光，C代表存在反向散射。
15. —種用于實時分析空氣傳播中的化學、生物和爆炸性物質的設備，所述設備包括 氣體分析傳感器；用于檢測熒光和冷光的至少一個的傳感器； 用于測量粒子的數量和尺寸的粒子傳感器；多次反射室，所述氣體分析傳感器、用于檢測熒光和冷光的一個的傳感器以及所述粒 子傳感器至少與該多次反射室操作聯接；激光輻射源，布置成將激光輻射發射到所述多次反射室中；以及 為接收來自所述傳感器的輸出信號而聯接的評價單元；其中，所述粒子傳感器和所述用于檢測熒光和冷光的一個的傳感器定位成檢測所述激光輻 射與所述多次反射室中存在的樣品之間的相互作用；并且所述多次反射室構造成開放測量路徑，其向周圍環境大氣開放。
16. 根據權利要求15所述的設備，其中所述氣體傳感器包括利用基于激光的共振增強 多光子電離機理的低場離子遷移光譜傳感器。
17. 根據權利要求15所述的設備，其中所述粒子傳感器和所述用于檢測熒光和冷光的 一個的傳感器包括CCD陣列。
18. 根據權利要求15所述的設備，其中所述評價單元對來自所述傳感器的所述輸出信 號進行分析，并通過檢測算法檢測所述多次反射室內的環境大氣中的化學、生物或爆炸性 物質的存在，該檢測算法基于表征所述物質的存儲數據表。
全文摘要
一種實時分析空氣中的化學、生物和爆炸性物質的裝置，該裝置至少具有氣體分析傳感器(4)、熒光/冷光傳感器(1)以及用于確定粒子的粒子尺寸和數量的傳感器(2)。各傳感器與作為開放測量路徑的多次反射室(5)(多路激光室)連接。此外，該裝置還包括用于實時分析化學、生物和爆炸性物質的評價單元。
文檔編號G01N21/53GK101784880SQ200880101232
公開日2010年7月21日 申請日期2008年7月29日 優先權日2007年7月30日
發明者J·戈貝爾, M·克斯勒 申請人:伊德斯德國股份有限公司