СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2015 года по МПК G01N15/14 G01N21/64 G01N21/53 

Настоящее изобретение относится к способу обнаружения биологического материала в воздушном потоке, этот воздушный поток содержит частицы биологического материала и/или биологически инертного материала, в этом способе

- воздушный поток подают с помощью устройств для образцов внутрь камеры и из камеры после отбора образцов,

- световой пучок испускают в направлении воздушного потока посредством источника света для того, чтобы возбуждать частицы в воздушном потоке для того, чтобы создать флуоресценцию,

- флуоресценцию, испускаемую каждой частицей, с которой сталкивается световой пучок, измеряют с помощью первого измерительного средства и создают сигнал флуоресценции, изображающий флуоресценцию частицы,

- рассеянный свет от каждой частицы, с которой сталкивается световой пучок, измеряют с помощью второго измерительного средства и создают сигнал рассеивания, изображающий рассеивание света частицы,

- сигнал флуоресценции и сигнал рассеивания превращают в дискретные значения на частоте отбора образцов, и

- значение сигнала тревоги определяют, основываясь на дискретных значениях.

Изобретение также относится к соответствующему устройству для обнаружения биологического материала.

Средства биологической борьбы представляют собой опасное оружие массового поражения, которое является значительной угрозой, например, в связи с террористическими организациями. Средства биологической борьбы часто распространяют в виде аэрозольных частиц, которые трудно обнаружить. В этой связи аэрозоль относится к воздуху и частицам, летающим в нем.

Известный уровень техники в обнаружении боевых средств представлен в публикации патента US 5701012, в котором раскрыт аппарат, использующий флуоресценцию биологического материала. В аппарате каждую частицу, направляемую в устройство, возбуждают посредством лазерного пучка, после чего измерительное устройство используют для того, чтобы измерять флуоресценцию, испускаемую частицей. Значения флуоресценции каждой частицы сравнивают по одной за раз с внутренней базой данных, основываясь на которой принимают решение о биологической жизнеспособности частицы.

В устройстве согласно патенту US принимают решение в отношении отдельной частицы. Однако это трудно и дорого реализовать электронную цепь, определяющую дифференцирующие и пиковые значения импульса флуоресценции отдельной частицы. Вдобавок, в ситуации, в которой воздух имеет высокое содержание частиц, так называемый феномен совпадения становится вероятным, таким образом, создавая проблемы в измерении отдельных частиц. Затем сигнал формируют по нескольким частицам, которые одновременно находятся в камере обнаружения. В такой ситуации оценка биологической жизнеспособности отдельной частицы на основе флуоресценции может быть ошибочной, поскольку флуоресценция может не обязательно происходить от одной частицы.

Также из известного уровня техники известен US 7738099 B2, в котором раскрыт аппарат, посредством которого света, рассеиваемый частицей, а также флуоресценцию, испускаемую частицей, можно измерять. В этом случае также измеряют пиковое значение каждого импульса, основываясь на котором обнаруживают возможную биологическую частицу. Для того чтобы работать, такое решение требует сложной электронной секции для измерения и анализа высот пиков импульсов, которая плохо работает при большом содержании частиц.

Настоящее изобретение предназначено для того, чтобы создать способ обнаружения биологического материала, который проще известного уровня техники. Также оно предназначено для создания устройства для обнаружения биологического материала, которое проще и лучше известного уровня техники. Способ и устройство в соответствии с изобретением в частности подходят для обнаружения/идентификации биологических частиц.

Характерные признаки способа в соответствии с изобретением установлены в прилагаемом пункте формулы изобретения 1, а характерные признаки устройства в прилагаемом пункте формулы изобретения 12.

Это намерение можно выполнить посредством способа обнаружения биологического материала в воздушном потоке, который содержит частицы биологического материала и/или биологически инертного материала, в этом способе дискретные значения регистрируют кумулятивно в виде точек попадания по меньшей мере в пространстве двухмерных измерений, имеющего выбранные измерения, предварительно выбирают по меньшей мере одну область индексов этого пространства измерений. Вычисляют кумулятивный индекс для каждой предварительно выбранной области индексов через регулярные интервалы от накопленных точек попадания и определяют значение сигнала тревоги, показывающее присутствие выбранного биологического материала, по индексам, использующим предварительно выбранные критерии. В способе воздушный поток подают с помощью средства для образцов внутрь камеры и из камеры после отбора образца, и испускают световой пучок в направлении воздушного потока посредством источника света для того, чтобы возбуждать частицы в воздушном потоке для того, чтобы создавать флуоресценцию. Флуоресценцию, испускаемую каждой частицей при попадании светового пучка, измеряют с помощью измерительного средства и создают сигнал флуоресценции, описывающий флуоресценцию частицы, и соответственно свет, рассеиваемый каждой частицей при попадании светового пучка, измеряют с помощью второго измерительного средства и создают сигнал рассеивания, описывающий рассеивание света частицей. Сигнал флуоресценции и сигнал рассеивания превращают в дискретные значения на частоте отбора образцов для классификации и анализа и, основываясь на дискретных значениях, определяют уровень сигнала тревоги.

Способ можно реализовать без определения одного пикового значения по сигналам флуоресценции и рассеивания, благодаря чему способ является чрезвычайно простым. Это обозначает, что способ будет значительно лучше переносить феномен совпадения, чем известный уровень техники, и даже исправлять ошибки измерения, обусловленные им.

Предпочтительно имеют место по меньшей мере две области индексов, наиболее предпочтительно по меньшей мере три. Использование большего количества областей индексов будет снижать неточность и ложные сигналы тревоги способа и устройства, в частности, в сложных уличных условиях, в которых дымовые газы и другие загрязнения могут нарушать обнаружение.

Индексы предпочтительно сравнивают с относительными условиями между каждым индексом и абсолютными условиями по меньшей мере для некоторых индексов, на основе чего, когда условия выполняют, подают сигнал тревоги. Сравнение индексов является простым и быстрым.

Пространство измерений предпочтительно представляет собой память. Таким образом, дискретные значения регистрируют в памяти непосредственно в виде точек попадания, без излишних промежуточных стадий.

Световой пучок предпочтительно испускают с использованием источника света перпендикулярно воздушному потоку. Источник света может быть скомпонован для использования постоянной частоты.

Устройство предпочтительно компонуют для отбора сигнала флуоресценции и сигнала рассеивания непрерывно/при постоянной частоте отбора образцов. Способы обработки для непрерывных сигналов флуоресценции и рассеивания можно применять просто. При непрерывном отборе число точек данных, соответствующих приблизительно правильному содержанию частиц, получают для областей, специфичных для биологических частиц и фоновых частиц. Частота отбора образцов может составлять 100 кГц-2 МГц, предпочтительно 300-800 кГц.

Согласно одному из вариантов осуществления по меньшей мере в двухмерной памяти измерения представляют собой флуоресценцию частиц и свет, рассеиваемый частицами. Эти измерения получают непосредственно из дискретных значений, без вычислительных операций.

Согласно второму варианту осуществления, по меньшей мере в двухмерной памяти измерения представляют собой свет, рассеянный частицами, и произведение флуоресценции частиц и прибытия света, рассеянного частицами.

Интервал вычисления кумулятивных индексов может составлять 0,1-10 с, предпочтительно 0,8-1,5 с. Затем количество данных, накапливаемых в памяти, будет оставаться приемлемым, и вычисления можно будет осуществлять быстро.

Согласно одному из вариантов осуществления корреляции дискретных значений используют в вычислении индексов. Таким образом, когда создают результат, используемые значения сигналов взаимно умножают таким образом, что устраняют по меньшей мере среднее значение за длительный период (или так называемый DC компонент) по меньшей мере второго сигнала. Это устранение можно осуществлять, например, простым и по существу известным образом, посредством осуществления так называемой высокочастотной фильтрации рассматриваемого сигнала, перед умножением двух сигналов.

Согласно второму варианту осуществления, среднее произведение дискретных значений используют при вычислении индексов. Результаты таких способов обработки можно легко дополнительно располагать в виде карт для актуальных алгоритмов, или их можно интегрировать для формирования легко обрабатываемых параметров, например, коэффициентов корреляции, интеграла рассеивания по времени или интеграл флуоресценции по времени.

Вдобавок, другие производные значения, вычисляемые по сигналам флуоресценции и рассеивания, также можно использовать в вычислении индексов. Такие производные значения могут представлять собой значения корреляции между сигналами или взаимные соотношения сигналов. Например, посредством деления значения сигнала флуоресценции на значение сигнала рассеивания будет получено число, которое описывает количество биологического материала, содержащегося в частицах.

Согласно одному из вариантов осуществления аналитическое средство компонуют для того, чтобы формировать классификационные карты на основе сигналов для того, чтобы обнаруживать биологический материал. Интерпретация классификационных карт является простой и быстрой.

Когда значение сигнала тревоги превышает предварительно выбранный критерий, средство тревоги и средство отображения предпочтительно подают сигнал тревоги. Сигнал тревоги можно давать на трех стадиях, следующих этапах: биологический материал обнаруживают в воздушном потоке, когда уровень сигнала тревоги превышает предварительно выбранный критерий, средство тревоги и средство отображения подают сигнал тревоги и берут образцы из воздушного потока для более детального анализа.

Назначение устройства в соответствии с изобретением можно выполнить посредством использования устройства для того, чтобы обнаруживать биологический материал в воздухе, который содержит биологический материал в виде частиц и/или биологически инертный материал, это устройство содержит средство классификации и память, из которых конфигурируют средство классификации для того, чтобы регистрировать дискретные значения кумулятивно в виде точек попадания в памяти, имеющей по меньшей мере двухмерные выбранные измерения. В устройстве аналитическое средство компонуют для того, чтобы вычислять индекс при индексной частоте по накопленным точкам попадания для каждой предварительно выбранной области индексов, по этим индексам аналитическое средство компонуют определять, используя предварительно выбранный критерий, значение сигнала тревоги, описывающего присутствие выбранного биологического материала. Другими словами, отдельные местоположения в памяти действуют в качестве счетчиков точек попадания, т.е. происходит приращение счетчиков в одном местоположении в памяти на частоте отбора образцов. Рассматриваемое местоположение в памяти соответствует указанным дискретным значениям сигналов.

Устройство дополнительно содержит средство для образцов для подачи воздушного потока внутрь камеры и выведения воздушного потока из камеры после отбора образца, источник света, сфокусированный на воздушном потоке и скомпонованный для того, чтобы испускать пучок для того, чтобы возбуждать частицы в воздушном потоке для того, чтобы создавать флуоресценцию, и измерительное средство для измерения флуоресценции, испускаемой частицами, с которыми сталкивается пучок, и для создания сигнала флуоресценции, описывающего флуоресценцию. Устройство также содержит второе измерительное средство для измерения света, рассеянного частицами, с которыми сталкивается световой пучок, и для создания сигнала рассеивания, описывающего рассеянный свет, по меньшей мере один аналогово-цифровой преобразователь для отбора образцов сигнала флуоресценции и сигнала рассеивания в виде дискретных значений на частоте отбора образцов и аналитическое средство для обнаружения биологического материала.

Выбранные размеры устройства в соответствии с изобретением могут составлять 10×10-30×30, предпочтительно 15×15-20×20. Устройство предпочтительно также дополнительно содержит средство тревоги и средство отображения, чтобы выводить сигнал тревоги на основе указанного значения сигнала тревоги.

Средство тревоги и средство отображения предпочтительно компонуют для того, чтобы сравнивать значение сигнала тревоги с условиями, эти условия содержат проверку индексов, определяемых по длительности по меньшей мере двух различных периодов времени.

Согласно одному из вариантов осуществления устройство включает программное средство, содержащее по меньшей мере два таймера программного обеспечения для определения двух периодов времени с различными длительностями для проверки индексов.

Реализация устройства в соответствии с изобретением является экономической, поскольку отбор образцов и регистрацию с использованием устройства можно осуществлять без сложной электроники и/или логики для того, чтобы определять пиковые значения отдельных сигналов или некоторую другую переменную, описывающую их, так же как и в устройствах известного уровня техники. С помощью устройства в соответствии с изобретением измерения можно осуществлять в значительно более широких диапазонах потока образца, без величины потока образца, влияющего на результат измерения. Другими словами, точное и требующее времени измерение и регулирование потока образца в устройстве не необходимо.

Частота отбора образцов сигналов может быть варьирующей и даже случайной без влияния на конечный результат, даже несмотря на то, что сигналы как флуоресценции, так и рассеивания измеряют по существу одновременно. Следовательно, устройство легко реализовать на уровне как аппаратного обеспечения, так и программного обеспечения.

Устройство в соответствии с изобретением является надежным и чувствительным в обнаружении биологических аэрозольных частиц, и с его помощью можно постоянно осуществлять мониторинг вредных биологических аэрозольных частиц и выдавать предупреждения. Его надежная конструкция позволяет использовать устройство в широком диапазоне условий.

В дальнейшем изобретение описано более подробно со ссылкой на сопроводительные рисунки, изображающие определенный вариант осуществления изобретения, на которых

на фиг. 1 представлен принцип обработки в устройствах известного уровня техники с помощью сигналов флуоресценции и рассеивания, измеренных по частицам,

на фиг. 2 представлена простая блочная диаграмма и схематическое изображение устройства в соответствии с изобретением,

на фиг. 3 представлен типичный профиль пучка для лазерного пучка устройства в соответствии с изобретением,

на фиг. 4 представлено пиковое значение и непрерывные точки отбора образцов, измеряемые устройством в соответствии с изобретением, в логарифмической системе координат флуоресценция-рассеивание,

на фиг. 5 представлена классификационная карта устройства в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 представлен сигнал флуоресценции 24 и сигнал рассеивания 32, измеренные с использованием устройства согласно известному уровню техники. На обеих кривых отдельные пики, такие как пик 90, представляют отдельные частицы, определяемые посредством устройства. Высокие пики рассеивания обусловлены большими частицами, тогда как пики меньшего размера обусловлены маленькими частицами. Высокий пик на графике флуоресценции изображает частицу, которая содержала вещество с большим количеством флуоресценции. Кривая SC среди кривых, показанных на фиг. 1 относится к рассеиванию, FL к флуоресценции, а THD к уровню запуска 66, т.е. к уровню, выше которого измеряют сигналы. В устройствах известного уровня техники обнаружение биологических частиц основано на измерении пиковых значений сигналов флуоресценции и рассеивания. Полагают, что отдельное пиковое значение представляет отдельную биологическую частицу. Пиковое значение измеряют, только если оно превышает уровень запуска 66.

Однако, проблема в этой процедуре состоит в том, что если содержание частиц в воздухе велико, вероятность так называемого феномена совпадения возрастает, создавая проблемы при измерении отдельных частиц. Например, на пике сигнала 88, сигнал формируют несколько частиц, которые одновременно находятся в камере обнаружения. Однако, при измерении пикового значения сигнала это обрабатывают только как одно пиковое значение. Если такой пик находится в сигнале флуоресценции, оценка биологической жизнеспособности отдельной частицы может быть ошибочной, поскольку флуоресценция не обязательно берет начало в одной частице. Другими словами, в ситуации совпадения в камере обнаружения могут иметь место несколько частиц одновременно, так что отдельные импульсы от частиц могут более ясно не дифференцироваться друг от друга, но часто частично перекрываться.

На фиг. 2 представлен один из вариантов осуществления устройства в соответствии с изобретением. Устройство 10 включает измерительный блок 11, содержащий средство для образцов 15, источник света, средство деления 28, первое измерительное средство 23 и второе измерительное средство 30. Источник света не показан, поскольку источник света 17 идет перпендикулярно к плоскости фиг. 2, если смотреть на плоскость или с обратной стороны. Отмечен только световой пучок 17. Согласно фигуре, средство для образцов 12 может включать концентратор 40, соединение отсасываемого потока 42 и защитное воздушное соединение 44, с помощью которого образец воздуха обрабатывают для измерения. Воздушный поток сначала подают в концентратор с виртуальным импактором 40. В концентраторе 40 имеет место соединение отсасываемого потока 42, которое снижает воздушный поток 16 до десятой части от исходного. Одновременно, сильно вращающийся отсасываемый поток увеличивает концентрацию более крупных частиц в воздушном потоке 16.

Концентрированный образец направляют в светонепроницаемую оптическую камеру, т.е. камеру 18, в которой измеряют рассеивание и флуоресценцию. Воздушный поток 16 в оптическую камеру 18 приходит из конца узкого верхнего сопла 48 и окружен чистым защитным воздухом, приходящим из защитного воздушного соединения 44 с тем, чтобы камера оставалась чистой. Поток частиц 14 свободно проходит через оптическую камеру и заканчивается в нижнем сопле 50, из которого он выходит. Оптическое измерение частиц 14 выполняют между верхним соплом 48 и нижним соплом 50. В оптической камере с потоком частиц 14 сталкивается световой пучок 17, когда рассеивается свет и возможно возникновение света флуоресценции, вызываемого световым пучком. Световой пучок предпочтительно относится к типу диодных лазеров, длина волны которого составляет 405 нм. В дальнейшем название источник лазерного пучка также можно использовать для источника света. Источник лазерного пучка можно компоновать для использования постоянной частоты. Лазерный пучок может представлять собой УФ лазерный пучок, мощность которого может составлять, например, 200 мВт.

С тем, чтобы интенсивность света, приходящего от частиц 14, была достаточной, его собирают при относительно большом телесном угле с помощью эллиптического зеркала 46 в фотоумножитель (PMT), т.е. в первое измерительное средство 23 и второе измерительное средство 30, как можно видеть на фиг. 2. Угол сбора эллиптического зеркала 46 может составлять, например, 1/4 от телесного угла и оптического увеличения 9. Предпочтительно имеют место средства деления 28 перед фотоумножителем, которые включают дихроическое зеркало 52, которое отражает свет рассеивания на второй фотоумножитель (PMT SC), т.е. на второе измерительное средство 30. Отраженный свет может иметь длину волны <440 нм. Свет с более длинными длинами волны, который может иметь длину волны >440 нм, идет через дихроическое зеркало 52 и продолжает идти в фотоумножитель (PMT FL), измеряющий флуоресценцию, т.е. в первое измерительное средство 23. Первое измерительное средство 23 можно использовать для того, чтобы измерять флуоресценцию, например, из полосы длин волны 442-600 нм, а вторые измерительные устройства 30 можно использовать для того, чтобы измерять рассеивание по длине волны 405 нм. В первых измерительных устройствах 23 вдобавок может иметь место фильтр высоких частот 54, принадлежащий к средству деления 28, который пропускает только свет флуоресценции, соответствующий длине волны >442 нм. Таким образом, свет флуоресценции и рассеивания можно отделять друг от друга.

Обработка лазерного пучка играет важную роль в оптимизации эффективности устройства. Лазерному пучку придают подходящие форму и размер прежде, чем его вводят внутрь камеры. Сначала лазерный пучок коллимируют, чтобы он стал параллельным, посредством так называемой коллиматорной линзы. Затем пучок фокусируют посредством цилиндрической линзы на поток частиц, когда будет получен очень плоский и широкий профиль пучка. После цилиндрической линзы расположены еще два ограничителя пропуска, которые препятствуют диффузному излучению от вхождения в камеру. Средства, необходимые для придания формы и собирания лазерного пучка, не показаны на чертежах, но они могут представлять собой средства, широко используемые в технике. На фиг. 3 представлен типичный профиль пучка 62 на потоке частиц, размеры которого в этом варианте осуществления составляют приблизительно 2000×100 мкм. Число частиц, сталкивающихся с пучком, и интенсивность лазерного света оптимизируют в геометрической форме пучка.

Дополнительно в отношении фиг. 2, в дополнение к измерительному блоку 11 устройство 10 содержит по меньшей мере один усилитель сигнала 70, по меньшей мере один аналогово-цифровой преобразователь 68, средство классификации 36, аналитическое средство 92 и средство тревоги и средство отображения 74. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, имеют место отдельные усилители сигнала 70 и аналогово-цифровые преобразователи 68 как для сигнала флуоресценции 24, так и для сигнала рассеивания 32.

Средство классификации 36 по варианту осуществления, представленному на фиг. 2, содержит аналогово-цифровые преобразователи 68 и память 22. Устройство 10 предпочтительно компонуют для того: чтобы отбирать сигналы непрерывно. Это обозначает, что сигналы флуоресценции и рассеивания измеряют непрерывно без проверки их по отдельности. В фотоумножителях присутствуют корректируемые напряжения усилителя (напряжение усиления), посредством которого их выходные сигналы можно усиливать. Вдобавок, после измерительных устройств 23 и 30 могут иметь место усилители сигнала 70 согласно фиг. 2.

В варианте осуществления на фиг. 2, непрерывный сигнал флуоресценции 24 и сигнал рассеивания 32, приходящие от измерительных устройств 23 и 30, отбирают при частоте отбора образцов в виде дискретных значений. Частота отбора образцов может составлять 100 кГц-2 МГц, предпочтительно 300-800 кГц. Согласно предпочтительному варианту осуществления, измеряемые дискретные значения одновременно получают значения координат на основе величины измеряемого напряжения, на основе которых отдельную точку попадания регистрируют в пространстве измерений, имеющем предварительно выбранные измерения. В этом варианте осуществления термин пространство измерений относится к отдельным местоположениям в памяти 76 в памяти 22. Одно измерение пространства измерений, т.е. координатная ось в памяти, может представлять собой флуоресценцию и другое рассеивание. Все сигналы, измеряемые с использованием измерительных устройств 23 и 30, превращают в дискретные значения с помощью аналогово-цифрового преобразователя 68 и хранят в памяти 22. В способе обнаружение биологического материала осуществляют в цифровой форме.

На фиг. 4 представлены отобранные дискретные значения непрерывных сигналов флуоресценции и рассеивания, измеряемых на фиг. 1 при частоте отбора образцов, на логарифмическом графике. На графике, отдельная точка попадания 86 представляет дискретное значение сигнала флуоресценции и рассеивания в конкретный момент времени. На фиг. также представлены измеренные пиковые значения 84. Из такого представления можно видеть, как формируют базовый уровень 82 фоновых частиц. На практике график на фиг.4 представляет собой то же самое, что и график на фиг. 5, но на фиг. 5 точки попадания связаны друг с другом на фиг. и отличается масштаб осей.

Аналитическое средство 92 содержит проверочную рамку 72, которая состоит из по меньшей мере двух областей индексов, разграниченных на основе эмпирически предварительно определяемых условий. В этом случае, имеют место три области индексов 56, 58 и 60. Области индексов определяют согласно свойствам отображаемых биологических частиц, пользующихся спросом. Через регулярные интервалы, например, через интервалы в одну секунду, проверочную рамку 72 используют для того, чтобы проверить память 22, когда индекс, описывающий каждую область индексов 56, 58, и 60 вычисляют для областей индексов 56, 58 и 60 с помощью точек попадания, накопленных в памяти 22. Индексы можно вычислять, например, посредством арифметической суммы точек попадания, зарегистрированных в местоположениях в памяти. Регулярный интервал также можно обозначать как индексная частота, которая может составлять 0,1-10 с, предпочтительно 0,8-1,5 с. Проверочную рамку 72 помещают поверх памяти 22, когда проверочная рамка 72 со схожей площадью поверхности и общими размерами будет содержать все местоположения в памяти для памяти 22 внутри ее областей индексов 56, 58 и 60. Вдобавок, проверочная рамка содержит место 77, описывающее базовый уровень, который за пределами областей индексов 56, 58 и 60 и который не используют в вычислении индексов.

Индексы, описывающие каждую область индексов 56, 58 и 60, предпочтительно сравнивают с относительными условиями каждого индекса и с абсолютными значениями по меньшей мере некоторых индексов. На практике это обозначает, что каждый индекс можно сравнивать со специфичным для индекса граничным значением и относительно со значениями других индексов. Вдобавок, мониторинг каждого индекса можно осуществлять по предыдущим индексам той же области индексов и можно осуществлять мониторинг развития индекса в зависимости от времени.

Согласно одному из вариантов осуществления аналитические средства 92 компонуют для того, чтобы формировать классификационные карты 37 согласно фиг. 5 на основе сигналов для того, чтобы обнаруживать биологический материал. Данные о содержании частиц, измеряемые посредством измерительных устройств, хранят в памяти, а проверочную рамку помещают поверх памяти, когда будут получать классификационную карту 37. Область или области индексов проверочной рамки формируют по меньшей мере одну область индексов в классификационной карте, в данном случае по меньшей мере три области индексов 56, 58, и 60. Использование по меньшей мере двух и предпочтительно трех областей индексов может снижать неточность способа и устройства и избегать ошибочных сигналов тревоги, как в способе можно создавать больше сравнения областей индексов и, таким образом, условия для сигнала тревоги. Это может быть особенно важным в сложных условиях измерений, в которых образец воздуха может содержать, например, дымовые газы, песок или другие загрязнения.

Точки попадания для первой области индексов 56 менее чем 1 мкм будут поступать в частности из образца воздуха, содержащего маленькие <1 мкм частицы, для второй нефлуоресцирующей области индексов 58 в частности из образца воздуха, содержащего нефлуоресцирующие, т.е. биологически инертные частицы >1 мкм, и для третьей области индексов 60 для сигнала тревоги из образца воздуха, содержащего биологические частицы. Накопление базового уровня в местоположении попадания 78 преимущественно формируется из шума фотоумножителей и очень маленьких (<200 нм) фоновых частиц. Частицы, крупнее этой, отделяются от фонового шума и размещаются в любую из областей индексов 56, 58 или 60.

На классификационной карте 37 на фиг. 5 точки попадания, идущие в конкретные местоположения в памяти 76 памяти 22, показаны относительно на пятиступенчатой шкале. С помощью шкалы места в памяти, в которых могут иметь место только несколько точек попадания, можно устранять с тем, чтобы места в памяти, содержащие большинство точек попадания, были яснее видны. Предварительно выбранные размеры пространства измерений могут составлять от 10×10 до 30×30, предпочтительно от 15×15 до 20×20. Когда используют память 22, соответствующие размеры относятся к числу местоположений в памяти 76 в памяти 22.

Согласно одному из вариантов осуществления точки попадания, входящие в область индексов, можно регистрировать в отдельной памяти из скользяще определенного периода времени. Длина периода времени может составлять, например, 10 минут. Индексы, тоже вычисляемые по области индексов, можно регистрировать в отдельной памяти из скользяще определенного периода времени. Когда регистрируют только индексы, количество данных, подлежащих хранению, значительно меньше, чем точки попадания, входящие в области индексов во время регистрации. Переменные, представленные на классификационной карте, могут представлять собой, например, флуоресценцию частиц и свет, рассеянный частицами, или флуоресценцию частиц и прибытие света, рассеянного частицами, и свет, рассеянный частицами.

Вместо и/или в дополнение к непосредственно измеренным значениям сигналов, можно использовать переменные, полученные из них. Пример такой переменной представляет собой корреляцию (или в качестве другого члена взаимную корреляцию) между двумя сигналами. Это обозначает просто накопленное значение, которое получают посредством взаимного умножения значений этих сигналов и накопления (или усреднения) результата во времени. В таком случае, по меньшей мере второй выходной сигнал должен быть таким, что он не содержит так называемые DC компоненты (другими словами, временное среднее значение сигнала равно нулю). Устранения этого DC компонента можно достичь, например, посредством фильтрации высоких частот (которую, в принципе, можно осуществлять в аналоговой форме перед аналого-цифровым преобразованием или в цифровой форме него), или посредством устранения среднего значения из сигнала вычислительным образом (другими путями). Если корреляцию не вычисляют в реальном времени, DC компонент сигнала можно удалять впоследствии вычислительным образом из накопленного результата корреляции.

Согласно одному из вариантов осуществления аналитическое средство можно компоновать для использования корреляций, чтобы классифицировать сигналы. С помощью этого можно формировать классификационные карты, и можно использовать предоставляемую ими информацию. Эти классификационные карты формируют через точки попадания пространства измерений посредством использования основных математических операций для того, чтобы обработать сигнал. Согласно другому варианту осуществления, аналитическое средство также можно размещать для того, чтобы использовать прибытие сигналов для классификации сигналов.

Посредством аналитического средства 92, представленного на фиг. 2, определяемый уровень сигнала тревоги передают на средство тревоги и средство отображения 74, которые сравнивают уровень сигнала тревоги с предварительно выбранными критериями. Каждый критерий можно создавать из одного или нескольких условий. Когда критерии выполнены, средство тревоги и средство отображения 74 инициируют процедуру сигнала тревоги. Предварительно выбранный критерий также можно изменять автоматически на основе информации об измерении в реальном времени.

Процедуру сигнала тревоги устройства в соответствии с изобретением можно формировать наподобие следующего примера приложения. Средство тревоги и средство отображения проверяют индексы, определяемые по зарегистрированным данным на основе по меньшей мере двух периодов времени различной длительности. Более конкретно, средство тревоги и средство отображения проверяют индексы двух различных периодов времени t по зарегистрированным данным, посредством скользящего среднего значения. Первый период времени можно измерять в секундах, например, 10 секунд, по этому времени проверяют среднее значение индексов, которые вычисляют по областям индексов 56, 58 и 60. Эти индексы помечают, например, названиями (56a), (58a) и (60a), каждый из которых относится к соответствующей области индексов ((56a) к области индексов 56 и так далее соответственно). Второй период времени можно измерять в минутах, например, 10 минут, по этому времени также проверяют среднее значение индексов, которое вычисляют по областям индексов 56, 58 и 60. Эти индексы помечают, например, именами (56b), (58b) и 60(b).

Средство тревоги и средство отображения выдают предупреждение, если выполнено предварительно определяемое условие A. Условие A может представлять собой, например, [(60a)>(60-b)+p], в котором p относится в этом случае к эмпирически определяемой постоянной. Когда выполняют условие A, значение индекса (60b) замораживают. Затем устройство переходит в состояние предупреждения, в котором оно остается до тех пор, пока

a) условие A предупреждения более не будет действовать, когда устройство возвращается в базовое состояние,

b) не реализуют некоторое исключение, т.е. условие В или условие C, когда значения индексов (56a) и (58 b) замораживают, соответственно, длительность времени предупреждения сбрасывают, когда повторно открывают временное окно q секунд и сохраняют состояние предупреждения, или

c) условие A имеет силу в течение конкретного времени, когда достигают сигнала тревоги.

Здесь условие В может представлять собой, например, [(56a)>(56b)×s] и условие С может представлять собой, например, [(58a)>(58b)×v], где s и v представляют собой эмпирически определяемые постоянные.

Сигнал тревоги имеет место, например, когда предупреждение было в силе без исключений (условие В или условие C) в течение предварительно определяемого времени r. Это время может составлять, например, 10 секунд. Сигнал тревоги может быть в силе до тех пор, пока

a) условие A более не будет действовать, когда выполняют возврат к базовому состоянию или

b) не реализуют некоторые исключения, т.е. условие В или условие C, когда выполняют возврат к базовому состоянию.

Условия можно корректировать при необходимости и в этом случае изменения в усилении измерительного средства можно использовать. Во время сигнала тревоги, устройство может автоматически брать образец из воздушного потока для более точного анализа.

Алгоритмы тревоги, описанные выше, также можно использовать независимо, например, применительно к тревоге в способе с амплитудой импульса или в соответствующем способе. Устройство в соответствии с изобретением может содержать программное средство, содержащее по меньшей мере два таймера программного обеспечения для того, чтобы определять два периода времени различной длины для проверки индексов.

Согласно одному из вариантов осуществления устройство может действовать на трех стадиях, т.е. посредством способа в соответствии с изобретением оно осуществляет мониторинг воздушного потока для того, чтобы направлять биологический материал, когда уровень сигнала тревоги превышает предварительно выбранный критерий, оно подает сигнал тревоги и затем оно берет образец из воздушного потока для более детального анализа. Банк данных, который предоставляет точные данные о биологическом агенте после выполнения анализа вещества, также можно добавить в устройство.

Компоненты, которые изнашиваются при использовании, можно минимизировать при изготовлении устройства, что позволяет работать ему без наблюдения и обслуживания в течение длительных периодов времени. Устройство можно использовать в качестве устройства надзора, постоянно установленного в зданиях, или в портативной форме, и в этом случае устройство можно использовать для проверки нескольких различных зон. Местоположения, где можно применять устройство, включают аэропорты, гавани, станции на железной дороге и в метро и схожие места, где присутствует большое количество людей.

Устройство в соответствии с изобретением может быть модульным, и другие анализаторы или устройства можно соединять с ним. Управление устройством в соответствии с изобретением можно реализовать через внешний блок управления, или более предпочтительно с помощью программного обеспечения интерфейса.

Частоты отбора образцов, используемые в способе в соответствии с изобретением, очень высоки, чтобы создавать существенное число точек попадания при индексной частоте. Это обозначает, что вычисление индекса, формируемого на основе точек попадания, накапливаемых в областях индексов, при индексной частоте, будет требовать, чтобы аналитическое средство устройства в соответствии с изобретением имело очень большое количество вычислительной мощности. Однако достаточной вычислительной мощности можно достичь с использованием относительно дешевых компонентов.

Основные данные одного из вариантов осуществления устройства в соответствии с изобретением перечислены ниже. Представленные основные данные предоставляют основные данные только одного из примеров варианта осуществления и не ограничены только им.

Способ обнаружения: УФ флуоресценция и упругое рассеивание

Размер частиц: 0,5-10 мкм

Чувствительность: 100 ACPLA

Время ответа: <30 секунд

Поток образца воздуха 2 л/мин

Источник света: непрерывный лазер с длиной волны 405 нм

Смешивание вторичного воздуха: Смешивание вторичного воздуха

Совместимые компоненты: Одноразовые 37 мм 3-компонентные фильтрующие кассеты 37 мм фильтры, такие как одноразовые PTFE и желатиновые фильтры

Передача данных: RS-232, RS-485, Ethernet, USB

Питание: Входное 85-264 В переменного тока, 9-36 В постоянного тока

Потребление энергии: 50 Вт

Диапазон атмосферной влажности: 0-90% (негерметизированный)

Температурный диапазон: рабочий: -35 - +50°C, для хранения: -40 - +70°C

Экологические требования: Разработано в соответствии с MIL-STD-810 F и MIL-STD-4-61 F

Размер: 57 см×44 см×19,5 см (В×Ш×Г).

Изобретение относится к способу обнаружения биологического материала в воздушном потоке, в способе воздушный поток (16) подают с помощью устройств для образцов (12), световой пучок (17) испускают в направлении воздушного потока (16), создают сигнал флуоресценции (24), описывающий флуоресценцию частицы (14), и создают сигнал рассеивания (32), описывающий рассеивание света частицей (14). Сигнал флуоресценции (24) и сигнал рассеивания (32) превращают в дискретные значения и определяют значение сигнала тревоги. Дискретные значения регистрируют кумулятивно в виде точек попадания по меньшей мере в двухмерном пространстве 1 измерения, имеющем выбранные измерения. По меньшей мере одну область индексов (56, 58, 60) предварительно выбирают из указанного пространства измерений, вычисляют кумулятивный индекс при индексной частоте по точкам попадания, накапливаемым в каждой предварительно выбранной области индексов (56, 58, 60), значение сигнала тревоги, отражающее присутствие выбранного биологического материала, определяют по указанным индексам посредством использования предварительно выбранного критерия. Изобретение позволяет упростить устройство для обнаружения биологического материала. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обнаружения биологического материала в воздушном потоке, этот воздушный поток (16) содержит частицы (14) биологического материала и/или биологически инертного материала, в этом способе
- воздушный поток (16) подают с помощью устройств для образцов (12) внутрь камеры (18) и из камеры (18) после отбора образца,
- световой пучок (17) испускают в направлении воздушного потока (16) посредством источника света для того, чтобы возбуждать частицы (14) в воздушном потоке (16) для того, чтобы создавать флуоресценцию,
- флуоресценцию, испускаемую каждой частицей (14), с которой сталкивается световой пучок (17), измеряют с помощью первого измерительного средства (23) и создают сигнал флуоресценции (24), описывающий флуоресценцию,
- рассеянный свет от каждой частицы (14), с которой сталкивается световой пучок (17), измеряют с помощью второго измерительного средства (30) и создают сигнал рассеивания (32), описывающий рассеивание света,
- сигнал флуоресценции (24) и сигнал рассеивания (32) превращают в дискретные значения на частоте отбора образцов и
- дискретные значения регистрируют кумулятивно в виде точек попадания по меньшей мере в пространстве двухмерных измерений, имеющем выбранные размеры,
- значение сигнала тревоги, отражающего присутствие выбранного биологического материала, определяют посредством использования предварительно выбранного критерия,
способ отличается тем, что
- указанный сигнал флуоресценции (24) создают по эмиссии, измеряемой для одной или нескольких частиц (14), одновременно присутствующих в камере (18),
- указанный сигнал рассеивания (32) создают по рассеянному свету, измеряемому по одной или нескольким частицам (14), одновременно присутствующим в камере (18),
- по меньшей мере одну область индексов (56, 58, 60) предварительно выбирают из указанного пространства измерений,
- кумулятивный индекс вычисляют при индексной частоте по точкам попадания, накапливаемым в каждой предварительно выбранной области индексов (56, 58, 60),
- устройство (10) компонуют для того, чтобы дискретизировать сигнал флуоресценции (24) и сигнал рассеивания (32) непрерывно,
- частота отбора образцов составляет 100 кГц - 2 МГц, предпочтительно 300-800 кГц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что имеют место по меньшей мере две и предпочтительно по меньшей мере три области индексов (56, 58, 60).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что индексы сравнивают с относительными условиями между каждым индексом и абсолютными условиями по меньшей мере для некоторых индексов, на основе чего, когда условия выполняют, подают сигнал тревоги.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанная индексная частота составляет 0,1-10 с, предпочтительно 0,8-1,5 с.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в двухмерной памяти измерения представляют собой флуоресценцию частиц и свет, рассеянный частицами.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в двухмерной памяти измерения представляют собой свет, рассеянный частицами, и произведение флуоресценции частиц и света, рассеянного частицами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что корреляции дискретных значений используют для вычисления индексов.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что аналитическое средство формирует классификационные карты (37) на основе сигнала флуоресценции (24) и сигнала рассеивания (32) для обнаружения биологического материала.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подают сигнал тревоги на трех стадиях в виде следующих стадий:
- биологический материал обнаруживают в воздушном потоке (16),
- когда значение сигнала тревоги превышает предварительно выбранный критерий, средства тревоги и отображения (74) подают сигнал тревоги и
- образцы берут из воздушного потока (16) для более детального анализа.

10. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство тревоги и средство отображения (74) сравнивают указанное значение сигнала тревоги с указанными условиями, эти условия содержат проверку индексов, определяемых по меньшей мере по двум периодам времени различной длительности.

11. Устройство для обнаружения биологического материала в воздухе, который содержит частицы (14) биологического материала и/или инертного биологического материала, это устройство (10) включает в себя
- средство для образцов для подачи воздушного потока (16) внутрь камеры (18) и для выведения воздушного потока (16) из камеры (18) после отбора образца,
- источник света, направленный на воздушный поток (16), который скомпонован для того, чтобы испускать пучок для того, чтобы возбуждать частицы (14) в воздушном потоке (16) для того, чтобы создавать флуоресценцию,
- первое измерительное средство (23) для измерения флуоресценции, испускаемой частицами (14), с которыми сталкивается пучок, идущий от источника света, и для создания сигнала флуоресценции, описывающего флуоресценцию,
- второе измерительное средство (30) для измерения света, рассеянного частицами (14), и для создания сигнала рассеивания (32), описывающего рассеянный свет,
- по меньшей мере один аналогово-цифровой преобразователь для дискретизации сигнала флуоресценции (24) и сигнала рассеивания (32) в виде дискретных значений на частоте отбора образцов,
- аналитическое средство для обнаружения биологического материала,
- средство классификации (36) и память (22), из которых средство классификации (36) компонуют для того, чтобы регистрировать указанные дискретные значения кумулятивно в виде точек попадания по меньшей мере в двухмерной памяти (22), имеющей выбранные размеры, причем устройство (10)
отличается тем, что
- указанное первое измерительное средство (23) компонуют для создания сигнала флуоресценции (24) по эмиссии, измеряемой по одной или нескольким частицам (14), присутствующим одновременно в камере (18),
- указанное второе измерительное средство (30) компонуют для создания сигнала рассеивания (32) по рассеиванию света, измеряемому по одной или нескольким частицам (14), одновременно находящимся в камере (18),
- аналитическое средство (92) компонуют для того, чтобы вычислять на частоте отбора образцов индекс накопленных точек попадания для каждой предварительно выбранной области индексов (56, 58, 60) памяти (22), по этим указанным индексам аналитическое средство (92) компонуют для того, чтобы определять, используя предварительно выбранный критерий, уровень сигнала тревоги, показывающий присутствие выбранного биологического материала,
- устройство (10) компонуют для того, чтобы дискретизировать сигнал флуоресценции (24) и сигнал рассеивания (32) непрерывно,
- частота отбора образцов составляет 100 кГц - 2 МГц, предпочтительно 300-800 кГц.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что указанные выбранные размеры составляют от 10×10 до 30×30, предпочтительно от 15×15 до 20×20.

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средства тревоги и отображения (74), чтобы подавать сигнал тревоги на основе указанного значения сигнала тревоги.

14. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что устройство (10) включает в себя программное средство, содержащее по меньшей мере два таймера программного обеспечения для определения двух периодов времени различной длительности для проверки индексов.