專利名稱：用于檢測和識別空氣中的生物氣溶膠顆粒的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測和識別空氣中的生物氣溶膠顆粒的方法和和裝置。
背景技術(shù)：
這種方法及其所使用的測試裝置可以從M.A.Stowers等的論文基質(zhì)輔助的激光解吸/電離對在線氣溶膠微粒飛行時間質(zhì)譜分析的應(yīng)用(Application of matrix-assisted laser desorption/ionization to on-line aerosoltime-of-flight mass spectrometry)，Rapid Commun.Mass Spectrom.14，829-833(2000)中可知。該文指出，對于“準(zhǔn)實(shí)時生物氣溶膠微粒檢測”有兩種選擇，即利用生物分子的固有熒光性的方法、和將質(zhì)譜分析應(yīng)用于激光解吸產(chǎn)生的離子上的方法。因?yàn)樯餁馊苣z顆粒僅形成空氣中的氣溶膠顆?？偭康囊恍〔糠郑钥梢允褂霉摹皢晤w?！睙晒鈾z測器，指示氣溶膠顆粒是否是生物起源或非生物起源；然而，它們不能識別生物氣溶膠顆粒。所以，上述論文描述了一種識別試驗(yàn)，該試驗(yàn)從霧化液體中的生物氣溶膠顆粒開始，然后將噴霧吸入ATOFMS(氣溶膠微粒飛行時間質(zhì)譜分析儀)中。在ATOFMS中，在MALDI(基質(zhì)輔助的激光解吸/電離)(matrix-assisted laser desorption/ionization)的基礎(chǔ)上進(jìn)行氣溶膠顆粒的識別。對于這一試驗(yàn)，即使首先制備了氣溶膠微粒，但該論文中示出的研究目的仍然針對實(shí)時基礎(chǔ)上進(jìn)行的識別。然而，按所述方式，不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭諝庵写蟛糠趾蟹巧餁馊苣z顆粒。因此，所使用的ATOFMS檢測和識別設(shè)備對生物氣溶膠顆粒不很靈敏。考慮到在特定情形例如在生物戰(zhàn)的情形下生物氣溶膠顆粒的快速檢測和識別是絕對需要的事實(shí)，本發(fā)明的目的是針對上述論文中陳述的目標(biāo)，即快速的在線生物氣溶膠顆粒檢測和識別。
快速的在線氣溶膠顆粒檢測和識別，不涉及生物氣溶膠顆粒的檢測和識別，在這方面，已經(jīng)可從國際專利申請WO96/31900中得知。根據(jù)該申請，含有顆粒的氣流經(jīng)過ATOFMS系統(tǒng)。以這種方式，快速檢測和識別特定的生物氣溶膠顆粒是不可能的，因?yàn)?，如前所述，空氣中的生物氣溶膠顆粒較少，且它們一在空氣中散布，就必須精確地檢測和識別。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，在本發(fā)明的方法中，在ATOFMS中通過熒光技術(shù)選擇顆粒流中的生物氣溶膠顆粒，隨后使選擇的生物氣溶膠顆粒電離，檢測所生成的離子，從而識別生物氣溶膠顆粒。對于生物氣溶膠顆粒的選擇，利用本身公知的特性，即，當(dāng)用適當(dāng)?shù)牟ㄩL照射時，特定物質(zhì)比如氨基酸的存在導(dǎo)致產(chǎn)生特有的熒光。因此，通過266nm的UV激光照射色氨酸呈現(xiàn)出在300至400nm的波長范圍的較寬熒光。而且，合格的是比如酪氨酸、NADH或核黃素的物質(zhì)的熒光光譜(參見Fell等濃度、大小和激勵功率作用和含有色氨酸和細(xì)菌的微粒，SPIE，vol.3533，pp.52-62)?？傊?，無機(jī)和大多數(shù)有機(jī)物質(zhì)不表現(xiàn)出這一特性。為了在本發(fā)明的方法中利用這一特性，通過激光輻射進(jìn)行生物氣溶膠顆粒的選擇，所述激光通過第一激光裝置產(chǎn)生，其波長在生物氣溶膠顆粒的特定物質(zhì)中產(chǎn)生熒光，此后，通過用于檢測熒光輻射的檢測器選擇生物氣溶膠顆粒，然后觸發(fā)第二激光裝置發(fā)射光束，其波長使僅由熒光檢測器選擇的生物氣溶膠顆粒電離。對于第一激光裝置，最好采用連續(xù)波激光裝置(cw激光裝置)，而對于第二激光裝置，使用脈沖激光裝置，所述脈沖由熒光檢測器觸發(fā)。
在選擇生物氣溶膠顆粒過程中利用氣溶膠顆粒的大小也是有效的，即空氣動力學(xué)尺寸。細(xì)菌和病毒的大小基本上在20μm以下的范圍內(nèi)。因?yàn)闅馊苣z顆粒以給定的速度進(jìn)入ATOFMS的中央空間中，從氣溶膠顆粒經(jīng)過已知距離的持續(xù)時間可以確定連續(xù)的氣溶膠顆粒的大小。通過使第一激光裝置的激光束照射在兩個具有已知相互距離的連續(xù)點(diǎn)上，上述持續(xù)時間因而也就是氣溶膠顆粒的大小可以從氣溶膠顆粒散射和檢測的光確定。然而，所述點(diǎn)之間的距離必須小于連續(xù)顆粒的相互距離。例如，在所述點(diǎn)之間的距離為2.5mm，氣溶膠顆粒的速度約為400m/s時，兩測量值之間的持續(xù)時間約為6.25μs。為了在上述點(diǎn)的測量值之間獲得所需的無歧義性，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，第一激光裝置是一種雙色連續(xù)波激光裝置，以266至532nm的波長工作。照射到第一點(diǎn)的光的波長為532nm，而照射到第二點(diǎn)的光的波長為266nm。后一種波長也是使生物氣溶膠顆粒顯示熒光。
例如，第二激光裝置是準(zhǔn)分子激光裝置，工作在308nm的波長下，且在正確觸發(fā)之后，確保僅生物氣溶膠顆粒電離。為此，如前所述，該激光裝置的脈沖由熒光檢測器觸發(fā)。UV準(zhǔn)分子激光的使用意味著為了使MALDI基礎(chǔ)上的所述方法的性能成為可能，氣溶膠顆粒必須具有基質(zhì)(matrix)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在吸入ATOFMS過程中或就在此之前，氣溶膠顆粒通過蒸發(fā)/冷凝或升華/冷凝而具有這種基質(zhì)。如果使用IR(紅外)激光裝置，這不是必需的。


現(xiàn)在將在參照附圖的示例性實(shí)施例基礎(chǔ)上更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的方法和裝置，其中圖1示出了本發(fā)明的可以使用用于檢測和識別生物氣溶膠顆粒的方法的裝置；圖2示意性地示出了ATOFMS中顆粒流穿過的一部分距離，其中示出了顆粒受到相應(yīng)激光輻射的位置。
具體實(shí)施例方式
圖1中所示的ATOFMS以剖面形式示出，即垂直于所述氣溶膠顆粒流。所述氣溶膠顆粒流基本上沿線2而行。氣溶膠顆粒從空氣中抽入到ATOFMS中，且在該裝置的入口部分在高溫下設(shè)有源于容易升華的物質(zhì)的涂層。為此，眾所周知例如使用吡啶羧酸或芥子酸。然后通過氣動透鏡系統(tǒng)、收縮噴嘴和撇離器使氣溶膠顆粒成束。圖2圖示出氣溶膠顆粒流是如何從上述入口部分的噴嘴3經(jīng)300μm的出口4以及分別為400μm和300μm的撇離器開口5和6進(jìn)入ATOFMS的中央空間7。這一空間被氣溶膠顆粒一個接一個地以特定的相互距離連續(xù)穿過。在本示例中，氣溶膠顆粒進(jìn)入ATOFMS的中央空間的速度約為400m/s。需穿過的相應(yīng)空間中的壓力分別為1、10-3和10-6毫巴。在所述中央空間7中，氣溶膠顆粒流首先受到第一激光裝置8的照射。在圖1中，這是DPSS(二極管泵激式固態(tài))激光器，它是雙色連續(xù)波激光器這一特定類型。這種激光裝置8將波長為532nm的光束發(fā)送到空間7，即在點(diǎn)9處，以及將波長為266nm的光束發(fā)送到點(diǎn)10的位置處(見圖2)。兩種波長的光被分色鏡11和12偏轉(zhuǎn)。點(diǎn)9沿線2的方向的寬度約為50μm，且在與線2垂直的平面內(nèi)該點(diǎn)的直徑約為150μm。氣溶膠顆粒暴露的時間約為125ns。點(diǎn)10沿線2的方向的寬度約為500μm，在與線2相垂直的平面內(nèi)該點(diǎn)的直徑約為150μm。在點(diǎn)9上暴露的氣溶膠顆粒使所述光散射，而在點(diǎn)10上氣溶膠顆粒使所述光散射并發(fā)射熒光輻射，只要?dú)馊苣z顆粒是生物起源。氣溶膠顆粒散射的光線由檢測器13和14檢測。為此，這些檢測器設(shè)有光電倍增管。檢測器13直接檢測從點(diǎn)9散射的光線。經(jīng)半透反射鏡15，檢測器14檢測從點(diǎn)10散射的光線，而熒光輻射由該反射鏡傳遞到熒光檢測器16。因?yàn)榉瓷溏R15總是傳遞一小部分266nm的散射輻射，所以熒光檢測器16包含在入口的通帶濾光器17，該濾光器將這一波長進(jìn)一步過濾掉，但傳遞在300至500nm范圍內(nèi)的熒光輻射。點(diǎn)10沿線2的方向的寬度較大。在第一個125ns內(nèi)，相當(dāng)于點(diǎn)9的寬度，在檢測器14中檢測氣溶膠顆粒的散射光，所以在連續(xù)觀測點(diǎn)9和10的散射光的基礎(chǔ)上，可以確定相應(yīng)的氣溶膠顆粒的尺寸。在下一125ns內(nèi)，所述熒光檢測器16被檢查相應(yīng)的氣溶膠顆粒實(shí)際上是否是生物起源的檢測器所釋放。氣溶膠顆粒在點(diǎn)10上被輻射的過程中的剩余時間提供了提高熒光測量的可靠性的時機(jī)。除了各反射鏡18、19和20之外，熒光檢測器16還包含衍射光柵21和CCD錄像機(jī)22。當(dāng)記錄熒光輻射時，控制信號通過攝像控制單元23送往觸發(fā)電路24。而且來自兩檢測器13和14的輸出信號也送往該觸發(fā)電路24。在觸發(fā)電路24中，確定氣溶膠顆粒是否是具有特定大小的生物起源，此后，觸發(fā)信號送往受激準(zhǔn)分子激光器25。換言之，特定尺寸的氣溶膠顆粒一被認(rèn)為是生物起源，就觸發(fā)受激準(zhǔn)分子激光器裝置。即，受激準(zhǔn)分子激光器裝置提供激光脈沖，該脈沖影響點(diǎn)26上的相應(yīng)生物氣溶膠顆粒的電離。為了確保所述生物氣溶膠顆粒實(shí)際上電離，該點(diǎn)相對較大在線2的方向上約300μm，在與線2相垂直的平面內(nèi)約500μm。點(diǎn)10和26之間的距離調(diào)節(jié)為所述氣溶膠顆粒的速度和產(chǎn)生觸發(fā)信號所需的時間。經(jīng)上述分色鏡11、12，所述準(zhǔn)分子激光脈沖傳遞到ATOFMS中的中央空間7中。這樣，電離的生物氣溶膠顆粒通過電極27以普通的方式加速并且偏轉(zhuǎn)，且經(jīng)透鏡28和偏轉(zhuǎn)裝置29到達(dá)離子檢測器30。在顯示器31上示出產(chǎn)生的質(zhì)譜結(jié)果。
本發(fā)明不限于參照附圖所示的示例性實(shí)施例，而包含其所有的改進(jìn)，當(dāng)然，只要它們落在所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，可以使用其他類型的激光裝置，且當(dāng)作為用于識別生物起源的氣溶膠顆粒的輔助手段的尺寸確定不再認(rèn)為必須時，則不必使用雙色激光裝置。而且，代替具有衍射光柵和CCD錄像機(jī)的熒光檢測器16，可以使用任何其他公知的類型；衍射光柵和CCD錄像機(jī)可以例如由具有通帶濾光器的“選通PMT”(gated PMT)代替。所述點(diǎn)的尺寸僅通過示例給出；它們當(dāng)然可以不同地選擇，正如說明書中提及的其他參數(shù)。因?yàn)楣饩€被氣溶膠散射或發(fā)射到各方，所以可以設(shè)置數(shù)個檢測器。嚴(yán)格而言，不是絕對必須使用檢測器13和14。熒光檢測器足以用于識別生物起源的氣溶膠顆粒，并觸發(fā)受激準(zhǔn)分子激光器。然而，在實(shí)踐中，這種實(shí)施例的可靠性是不夠的。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測和識別空氣中的生物氣溶膠顆粒的方法，其中在ATOFMS(氣溶膠微粒飛行時間質(zhì)譜分析儀)中，通過熒光技術(shù)選擇顆粒流中的生物氣溶膠顆粒，且僅使所選的生物氣溶膠顆粒被電離，此后接著檢測生成的離子，并識別出生物氣溶膠顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，生物氣溶膠顆粒的選擇是通過激光輻射進(jìn)行的，所述激光輻射由第一激光裝置產(chǎn)生，其波長在生物氣溶膠顆粒的特定物質(zhì)中產(chǎn)生熒光，此后，通過熒光檢測器選擇生物氣溶膠顆粒，然后觸發(fā)第二激光裝置發(fā)射光束，該光束的波長使僅由熒光檢測器選擇的生物氣溶膠顆粒電離。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在吸入ATOFMS過程中或就在此之前，氣溶膠顆粒通過蒸發(fā)/冷凝或升華/冷凝而具有基質(zhì)，此后，所選擇的生物氣溶膠顆粒在MALDI(基質(zhì)輔助的激光解吸/電離)基礎(chǔ)上電離，此后接著檢測離子并識別出生物氣溶膠顆粒。
4.一種用于前述任一權(quán)利要求所述方法的裝置，該裝置利用ATOFMS，其特征在于，設(shè)置有用于發(fā)射光束的第一激光裝置，該光束的波長在生物氣溶膠顆粒的特定物質(zhì)中產(chǎn)生熒光，該裝置還具有用于檢測熒光輻射的相應(yīng)熒光檢測器，以及由所述檢測器觸發(fā)、用于發(fā)射光束的第二激光裝置，該光束的波長使由熒光檢測器選擇的生物氣溶膠顆粒電離。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述第一激光裝置是一種連續(xù)波激光裝置，所述第二激光裝置是一種脈沖激光裝置。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述第一激光裝置是一種雙色連續(xù)波激光裝置，在266和532nm的波長下運(yùn)行。
7.如權(quán)利要求4-6任一所述的裝置，其特征在于，所述第二激光裝置是一種準(zhǔn)分子激光裝置，在308nm的波長下運(yùn)行。
全文摘要
在用于檢測和識別空氣中的生物氣溶膠顆粒的方法中，通過熒光技術(shù)在ATOFMS(氣溶膠微粒飛行時間質(zhì)譜分析儀)中選擇顆粒流中的生物氣溶膠顆粒，且僅使所選的生物氣溶膠顆粒電離，例如在MALDI(基質(zhì)輔助的激光解吸/電離)基礎(chǔ)上，此后檢測生成的離子，并識別出生物氣溶膠顆粒。生物氣溶膠顆粒的選擇是通過激光輻射進(jìn)行的，所述激光由第一激光裝置產(chǎn)生，其波長在生物氣溶膠顆粒的特定物質(zhì)中產(chǎn)生熒光，此后，通過熒光檢測器選擇生物氣溶膠顆粒，然后觸發(fā)第二激光裝置發(fā)射光束，其波長使僅由熒光檢測器選擇的生物氣溶膠顆粒電離。
文檔編號H01J49/16GK1481575SQ01820678
公開日2004年3月10日 申請日期2001年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者邁克爾·安東尼·斯托爾斯, 阿爾然·勞倫斯·威克黑茲, 約翰尼斯·科內(nèi)利斯·馬里亞·瑪麗吉尼森, 查爾斯·伊麗莎·金茨, 伊麗莎 金茨, 勞倫斯 威克黑茲, 斯 科內(nèi)利斯 馬里亞 瑪麗吉尼森, 邁克爾 安東尼 斯托爾斯 申請人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(Tno), 代爾夫特技術(shù)大學(xué)