用於檢測顆粒的裝置、系統和方法與流程

2023-09-23 22:07:05

本申請要求申請號為62/039,512的美國臨時專利「用於檢測顆粒的裝置、系統和方法」（申請日2014年8月20日），以及申請號為62/039,519的美國臨時專利「用於流體控制和樣本檢測控制的系統、裝置和方法」（申請日2014年8月20日）的優先權，其內容在本申請中被整體引用。

技術領域

本發明涉及氣溶膠或流體中顆粒的光學檢測，包括光散射和自發螢光的檢測。

背景技術：

通過檢測流體介質的分散顆粒和膠質以測量濃度或其他屬性能有效實現多種用途，例如醫療診斷、科學研究、空氣品質檢測和威脅檢測。示例包括測量流體中的懸浮顆粒濃度，例如血液中的蛋白質、以及建築室內環境和室外環境的空氣顆粒。

一個記載的應用是測量氣溶膠中空氣顆粒（或顆粒物，PM）的濃度和其他屬性。因大氣中氣溶膠濃度的重要性和其對健康的影響，美國環境保護署（US EPA）發布了粗顆粒物質（介於10μιη 至 2.5 μιη之間，可吸入顆粒）和細顆粒物質（粒徑小於2.5 μιη，細顆粒物）的暴露標準。對製造業而言，氣溶膠濃度對工人健康和避免製造過程中汙染具有同樣的重要性。

一類特別引人注意的氣溶膠是生物氣溶膠。生物氣溶膠包括生物顆粒，例如真菌孢子、細菌孢子、細菌、病毒，和生物衍生顆粒（皮膚細胞、皮屑等）。一些生物氣溶膠可引發慢性和/或急性健康問題，例如某些黑黴菌株或炭疽桿菌（炭疽致病菌）。生物氣溶膠濃度對醫院環境安全、食品清潔生產、製藥和醫藥設備製造和空氣品質而言十分重要。空氣傳播疾病是公眾尤為關心的話題。氣霧化生物製劑可被恐怖分子利用以傷害平民和軍隊。

氣溶膠濃度和生物氣溶膠濃度的測量（檢測）通常通過光學技術實現。現已可通過多種光散射測法實現氣溶膠（例如分散於大氣中粒徑小於10 μιη的固體或液體顆粒）的濃度測量。參見海因茲，《氣溶膠科技》，紐約約翰威利國際出版公司（1982）；萊蒂馬基和維勒克，《測量方法》，氣溶膠測量，維勒克和巴龍，紐約範諾斯特蘭萊因霍爾德出版公司，112-129（1993）。最準確的方法是利用單一顆粒計數器，其將一氣溶膠流對準一檢測腔，檢測腔中可測量長波長（大於650nm）散射光。精密光學元件用於收集散射光（同時排出源光）並將散射光聚焦到一光子檢測器。該光子檢測器由可耐光電效應（光子轉化為電子）的矽或光電陰極材料（例如砷化銦鎵）製成。這些材料集成在探測器內，以提供高倍數光子信號，例如光電倍增管（PMTs）和雪崩光電二極體（APDs）。上述探測器的主動探測區域小（小於25mm2）且僅限於幾何平面。另外，上述探測器的成本在100美金以上，高靈敏度的光電倍增管的價格甚至超過1000美金。

紫外光（UV）和藍光激發的自發螢光（或內源螢光）在生物氣溶膠檢測方面成熟應用。參見海爾斯通等，《利用氣動尺寸和內源螢光顆粒的同步測量以實時監測生物氣溶膠的儀器設計》，氣溶膠科學雜誌，28（3）：471-482（1997）；胡，《生物氣溶膠檢測的前景》，分析化學學報，475（1）：125-148（2002）；阿格拉諾夫斯基等，《以UVAPS對細菌氣溶膠實時監測：性能評價》，氣溶膠科學雜誌，34（3）：301-317（2003）；愛慕，《採用內源螢光識別和鑑定細菌方法的研究進展》，螢光雜質，17（5）：455-459（2007）；胡等，《採用實時光學方法檢測清潔室內低濃度細菌氣溶膠的存在的可行性》，空氣微生物，27（2）：163-172（2011）。利用微生物自發螢光的開發被普遍認為是一種最具性價比的檢測潛在生物威脅的途徑。生物氣溶膠檢測器通常聯合利用光散射（測量一般氣溶膠的濃度和屬性）和自發螢光（檢測發射光子）。基於自發螢光的生物氣溶膠檢測器依賴於生物顆粒內螢光分子的螢光性。對於清潔的生物顆粒而言，其螢光性主要歸因於生化因素，例如色氨酸和絡氨酸（胺基酸類）、輔酶（NADH）、和核黃素。NADH和核黃素吸收和釋放的波長大於胺基酸類吸收和釋放的波長。參見傑斯等，《先進的觸發器發展》，林肯試驗室雜誌，17（1）：29-62（2007）；希爾等，《生物氣溶膠的螢光性：包括細菌的原發性螢光和吸收分子的數學模型》，光學快報，21（19）：22285-22313（2013）。利用例如發光二極體（LEDs，激發波長λexc>360 nm）或雷射器（λexc>400 nm）的長波激發源可降低這類儀器的成本。

傳統的生物氣溶膠顆粒檢測器依賴於三個主要組件：（1）適當波長波的激發源，以激發定向螢光團或螢光團集；（2）激發側和發射側上的精密光學元件（透鏡和反射鏡），以將該源對準狹窄的空氣流並增強生物顆粒發射光子的收集；以及（3）一個高增益檢測器，例如一個PMT或APD。可見波長或長波長的自由散射光被用以計算顆粒數量和尺寸。生物分子的自發螢光性被用於檢測微生物。通常生物氣溶膠檢測器利用一螢光性有效容量大約為1×10-4cm3計的小檢測腔，，提供每一個極小生物氣溶膠顆粒的檢測窗口。通常流速下，一生物氣溶膠顆粒存在於平均值為1-10μs的激發容量中。參見海爾斯頓等（1997）。由此，每一個生物氣溶膠顆粒所發射和散射的光實際上被獨立的採集，並且信號微弱。參見格林伍德等，《用於檢測和鑑定生物戰劑的光學技術》，IEEE論文，97（6）：971-989（2009）。由於信號微弱，因而需要精密鏡頭和反光鏡以採集該弱信號並將其對準高增益檢測器（例如PMT或APD）。

利用多種市購儀器可實現氣溶膠和生物氣溶膠濃度及濃度變化的測量，例如用於氣溶膠的雷射氣溶膠分光計（TSI公司，肖維尤，明尼達蘇，美國）、用於生物氣溶膠的紫外線空氣動力學粒徑譜儀（TSI公司）、用於生物氣溶膠的帶寬集成生物傳感器（WIBS-4）（滴液測量技術，班德爾，科羅拉多，美國）、以及瞬時生物分析儀和收集器（FLIR系統有限公司，威爾遜維爾，俄勒岡州，美國）。然而，這些儀器價值超過10,000美金是的大量使用時成本過高。進一步的，氣溶膠/生物氣溶膠傳感器形成的足夠緻密的傳感器網絡（即，中央網絡中互通的多倍儀器）耗資巨大。傳感器網絡的高成本同時意味著響應系統的利用尚存挑戰。例如，在醫院或其他建築中多處布局氣溶膠傳感器，並將傳感器連入建築的控制系統中，以保持環境的安全並對生物氣溶膠濃度的改變響應，如通過改變氣流或根據指示維護過濾器和空氣處理器。

現有的氣溶膠暴露檢測器從氣溶膠中採集數據，在規定的採樣周期（整合期）內實時採樣氣溶膠。這種裝置利用慣性衝擊器測量空氣動力學粒徑，利用顆粒採集過濾器收集和分析，以及利用渾度計測量顆粒濃度以得到實時光散射數據。專利「氣溶膠暴露檢測器」（國際公布號WO 2013/063426，申請日2012年10月26日）公開了上述裝置，此處引用其全文。濁度計同樣可用於測量顆粒濃度，如溶液中的細胞。

目前亟需氣溶膠、生物氣溶膠、流體中顆粒的測量裝置和方法以得到相關顆粒濃度和其他屬性的數據。同樣亟需這類裝置，其結構簡單，使用的精密部件少、價格低。同樣亟需這類裝置，其成本低，製造、操作、維護便利。

摘要

為解決全部或部分上述問題、和/或其他本領域普通技術人員可明顯得知的問題，本申請在下述實施例中公開了方法、工藝、系統、器械、儀器和/或裝置。

根據一種實施方式，一顆粒檢測器包括：包括一殼體，其包括一樣本入口和一樣本出口、以及一腔體長度方向沿縱軸設置的檢測腔，其中該殼體中形成自該樣本入口、經該檢測腔、至該樣本出口的一樣本流體的一流體路徑，；一光源，被配置用以使照射光沿縱軸方向直射該檢測腔中樣本流體流的顆粒；以及一光電材料，在該檢測腔的至少一個部分上包圍該檢測腔，其中該光電材料被配置用於接收沿與縱軸有相對角度的一組多條測量光光路傳播的顆粒測量光。

根據另一實施方式，一種測量一樣本流體中顆粒的方法包括：使該樣本流體流經一檢測腔；將一照射光沿縱軸向穿過該檢測腔直射該樣本流體中顆粒，其中該顆粒發射測量光以響應照射；以及通過光電材料接收沿與縱軸有相對角度的一組多條測量光光路傳播的顆粒測量光，該光電材料在該檢測腔長度的至少一個部分上包圍該檢測腔。

在一些實施方式中，該樣本流體是氣溶膠。

在一些實施方式中，該樣本流體是液體流體。

通過下述附圖和說明書的解釋，本領域普通技術人員可以或將顯而易見得到其他裝置、器械、系統、方法、特徵和效果。上述附加系統、方法、特徵和效果均包括在

技術實現要素：
、說明書和權利要求的保護範圍內。

發明內容

本申請所述的「氣溶膠」一般指懸浮於一足以被觀察和測量的氣態介質中的液體或固體顆粒（微粒，或微粒物質）的集合。氣溶膠顆粒的典型尺寸為約0.001μιη至約100μιη。參見庫爾卡尼等，《氣溶膠測量》（第三版），約翰威利國際出版公司（2011），第821頁。所述「氣態流體」普遍指一氣體（或氣態流體，或氣象流體）。一氣體包括或不包括液滴或蒸汽，並且包括或不包括氣溶膠顆粒。一氣體包括但不限於大氣。由此，一氣溶膠可被認為包括顆粒和一產生或攜帶該顆粒的氣體。

本申請所述的「生物氣溶膠」一般指其中懸浮或攜帶一種或多種生物顆粒的氣溶膠。所述的「生物顆粒」普遍指生物質材料，或一生物質材料和一攜帶有該生物質材料的非生物顆粒的集合。即，一生物質材料其本身可以是自由懸浮在一氣溶膠中的顆粒，或是依附於一非生物質顆粒上從而該生物質材料和該非生物質顆粒共同懸浮在該氣溶膠中。該生物質顆粒可通過截留、埋置、粘合、吸附、吸引力、親和力等機理依附於該非生物質顆粒上。該生物質材料包括但不限於孢子（例如真菌孢子、細菌孢子等）、真菌、黴菌、細菌、病毒、生物細胞、細胞內的組成、生物衍生顆粒（皮膚細胞、皮屑等）等。

出於簡潔，除另有說明或上下文另有啟示，本文所述「氣溶膠」一般包括所述「生物氣溶膠」並且所述「顆粒」普遍包括所述「生物顆粒」。

除另有說明或上下文另有啟示，本文所述「流體」包括所述「液體」和所述「氣體」。本申請的裝置和方法可檢測液體中懸浮或斜帶的顆粒以及氣溶膠中懸浮或斜帶的顆粒。

本申請所述的「光」普遍指電磁輻射，光子的量化。如本申請所述，光傳播的波長可以自紫外光（UV）至紅外光（IR）。在本申請中，所述「光」、「光子」和「輻射」可交替使用。

本申請中，如果一材料可有效（產生最小的光傳輸損失）通過所需波長或波長範圍內的光束，則其為「光透明的」。

圖1是一些實施方式的顆粒檢測器100的一種透視示意圖。通常，該顆粒檢測器100用於形成（例如包括或包含）一可流經有帶粒樣本流體（即氣溶膠或液體）的檢測腔104（或樣本容積），形成具有一種或多種選定波長照射光（或源光）的一束或多束光束108，將該光束108對準該檢測腔104以使檢測腔104中的顆粒112與入射在該顆粒112上的照射光產生反應，並收集（接收）顆粒響應該照射而發射的測量光（或發射光）。該顆粒檢測器100用於在一大檢測區域內（即一大光子收集區域）收集測量光，該檢測光沿一組多條光路傳播，如附圖1中的射線所部分描述。由此，該檢測器100可包括一殼體120或其他結構以形成一個流體穿過的檢測腔104、一個或多個用以形成照射光的一道或多道光束108的光源124、以及一個或多個用以接收沿多條不同光路116傳播的檢測光的光檢測器128。當樣本流體流經過該顆粒檢測器100時，該顆粒檢測器可獲得實時顆粒數據。

在本說明書中，「照射」光指由該光源124產生的光、並被用於照射該檢測腔104中的顆粒，以區別於測量光和背景光（即非解析光，其僅形成背景信號幹擾，例如環境光線）。在本說明書中，「測量」光指顆以響應該照射而發射的光。測量光可以是顆粒散射（反射）的光或顆粒發射的螢光性光。該顆粒檢測器100可被用於測量散射光和/或螢光發射的光。該顆粒檢測器100可被用於同步或順序測量散射光和螢光發射光。

關於散射光，該顆粒檢測器100可尤其被用於測量自由散射光。照射光入射到顆粒時可以在與照射光相同的波長從該顆粒被自由的散射，其與顆粒尺寸、形狀、以及不同的顆粒反射率和樣本流體反射率有關。散射的形式可以是瑞利散射、米氏散射、或幾何散射，取決於顆粒尺寸與照射光波長的比例。關於螢光發射光，照射光可被用做一激發光，其誘發一顆粒（尤其是生物顆粒）螢光分子中的自發螢光。即合適波長或波長範圍的照射光可被一含有螢光分子的顆粒吸收，由此誘發顆粒的螢光，即，在一不同（典型的更長的）波長或波長範圍的發射光。

通常，附圖2和附圖3中進一步所示，測量光可以自一照射顆粒並沿任意一個相對縱軸132的方向傳播。為明確表述，該縱軸132以z軸表徵，且該截面平面垂直於該縱軸132以x-y平面表徵。附圖2是顆粒檢測器100的一種剖視示意圖（x-y平面），剖分於縱軸上任意一點（z軸）。一照射顆粒136可以位於該縱軸132上任意一點。如圖2所示，測量光傳播的多數或全部光路116相對縱軸132具有徑向分量。附圖3是顆粒檢測器在x-z平面上的一種示意圖。該平面視圖可以是任意一個x-z平面上的視圖，可以理解，將該顆粒檢測器100沿縱軸132向y-z平面旋轉90°後得到的是相同的視圖。x-y平面由垂直虛線340表示，x-y平面是當顆粒被照射時或被照射後極短時間內瞬時所在平面。如圖3所示，測量光傳播的光路或方向相對x-y平面340包括純徑向光路342、前傾角光路344、和後傾角光路346。在本說明書中，一純徑向路徑342完全位於x-y平面內，一前傾角光路344相對x-y平面340具有正夾角（即，具有均指向下遊方向的一徑向分量和一軸向分量），且一後傾角光路346相對平面x-y具有負夾角β（即，具有均指向上遊方向的一徑向分量和一軸向分量）。進一步的，該光檢測器128能夠捕獲來自照射顆粒136的且沿多個純徑向光路342、前傾角光路344和後傾角光路346傳播的光子。

參見附圖1，形成該檢測腔104的該殼體120或其他結構沿縱軸132環繞或包括一腔室或內部。該腔室或內部包括或至少包括該檢測腔104。該殼體120（或一形成檢測腔104的部件）以縱軸132對稱，同時該縱軸132是該殼體120（或形成該檢測腔104的殼體部件）的中心軸。在一些實施方式中，如圖1所示，該殼體120（或形成該檢測腔104的殼體部件）呈圓柱形，在其他實施方式中，可以是球形或多邊形。該殼體120以及檢測腔104的長度方向被設置為沿縱軸132方向。長形幾何結構的一個示例是，該檢測腔104 的沿縱軸132的長度遠大於其在截面平面上的尺寸。在本說明書中，所述的「截面平面尺寸」指最大尺寸，其表徵該檢測腔在縱軸132垂直平面上的截面（流通截面）上的尺寸（即，圓截面的直徑、橢圓截面的長軸、或多邊形截面的一個邊長或兩個對角的距離）。該殼體120包括一樣本入口152和一樣本出口154，其設置以形成自該樣本入口152、流經該檢測腔104、至該樣本出口154的一樣本流體路徑。該樣本入口152和該樣本出口154典型的與該顆粒檢測器100的外部環境貫通。該檢測腔104的軸向長度為接收樣本流體的第一端部與釋放樣本流體的第二端部之間的距離，第一端部與第二端部軸相對稱。根據該殼體120的設置，該檢測腔104的該第一端部大致對應（或設於近端）該樣本入口152，該檢測腔104的第二端部大致對應（或設於近端）該樣本出口154。

該光源124可以是任意一種可形成選擇的波長的照射光的光源。通常選擇波長是一單一波長，在該光源124在選擇波長附近的一窄波帶發射光子時，選擇波長是主要的波長或峰值波長（或中心波長）。選擇不同的照射波長可實現不同形式的測量，例如散射光或螢光光。光源124包括但不僅限於發光二極體（LEDs）、雷射器、雷射二極體（LDs）、和燈，用於發射主要在峰值或中心波長的光。該光源124發射的照射光的功率以瓦特計（例如，0.5-10W），雖然更為通常的是不對該光源124的輸出功率進行限定。該光源124可被配置為連續波（CW）和/或脈衝工作狀態。該光源124可相對該檢測腔104設置，從而照射光的該光束108與縱軸132同軸或接近同軸。該光源124可通過任意一種可是的方式安裝在殼體120或其他結構上。該光源124被安裝在該檢測腔104的第一端部上或第一尾部附近，從而照射光與流經該檢測腔的樣本流體流大致平行且同向。根據採用的光源124的種類，該光束108可以是連續的或非相干（分開）的。相對於由常規聚焦雷射光束形成的線或點，在檢測腔104內的最大截面及最大容量處，該光束108形成一大致圓柱形的顆粒照射區域。該光束108的截面形狀可以是圓形的或橢圓形的。相對較大的光束108容量可提高該顆粒檢測器100的靈敏度並減少檢測局限（LOD）。在一些實施方式中，該光束108的截面尺寸（例如，直徑或長軸長）為0.4mm-4cm（4000mm）。在一些實施方式中，該光束108的截面面積為該檢測腔104截面面積的1%-80%。

該光源124用於發射照射光，其照射波長根據所需的測量類型而選擇。在一些實施方式中，照射波長為250-1500nm。在更多的實施方式中，照射波長可是在紫外範圍、可將光範圍、或紅外範圍。為測量散射光，該光源124的選擇基於低成本、發射的照射波長無自發螢光誘發等因素。為測量螢光發射，該光源124的選擇基於激發特定生物顆粒所需要的照射波長。在一些實施方式中，長照射波長用於檢測散射輻射，短照射波長用於檢測螢光分子的激發。例如，可見光長波長如紫外光（例如，405nm）至紅外光（例如，900nm）用於檢測散射輻射，優選的是紅光（例如，650nm）至接近紅外波長。在其他的實施方式中，紫外光（UV）至藍光波長（例如，365-450nm）用於檢測激發的螢光分子。下表顯示一些生物性螢光分子、輔酶（NADH）和核黃素的基態-激發態屬性，試驗代理為2%的天來寶-Syloid，是採用2%天來寶CBS X螢光分子（BASF，美國新澤西州弗洛勒姆帕克）標記的Syloid二氧化矽粉末（W.R.格雷斯公司，美國馬裡蘭哥倫比亞）。

表格

在一些實施方式中，該顆粒檢測器100包括如圖1所示的一光擋158（光學「束流收集器」）。該光擋158與該光源124光學對準，且相對該光源124設置於改檢測腔104的相對一側。通常，該光擋158可以是任意一種適用的形式，實現有效吸收光且避免光反射回該檢測腔104中。本領域普通技術人員可以想到的其他可行的光擋方案。例如，該光擋158可以包括一不透明（「光黑」）、抗反射的盤體或腔體，或至少盤體或腔體至少面對該檢測腔104的表面（或塗覆表面）是不透明或抗反射的。該光擋158可以是本領域普通技術人員可想到的適用於光的鎖定的形狀或結構。如果需要，該光擋158可以包括一散熱器或其他移除該光擋158熱量的方式。

在一些實施方式中，根據需要或須要，該顆粒檢測器100包括一裝置（一個或多個組件），用於防止漫射光撞擊該光檢測器128。通常，漫射光不具分析價值，因而該光檢測器128不希望測量這種光。一種漫射光是照射光沒有首先照射到顆粒產生散射光或螢光、而直接撞擊該光檢測器128。即使該檢測腔104中沒有顆粒存在，漫射光也會提高該光檢測器128的輸出信號，因而提高了背景（或基礎）信號，且降低了該顆粒檢測器100的信噪比（S/N），並可能卷繞該測量數據。優選的是，將該背景信號控制在該光檢測器128響應曲線敏感部分。試驗表明，通過降低該光檢測器128的響應基電壓在1伏（V）至幾毫伏（mV）可以將氣溶膠的LOD有效地從1,000s#cm3降低至100 s#cm3。

附圖4示意性的展示了一盤體462（或牆體、擋板等）形式的且具有一孔464的一個裝置。通常，該盤體462設置在該光源124的光學「下遊」，即，位於該光源124和該光檢測器128的光學位置之間。該盤體462，或至少該盤體462的表面（或塗覆表面）面向該光檢測器128，是不透明的或不反射的從而吸收照射光或其他漫射光。由此該盤體462作為一光子損失表面，阻止漫射光到達該光檢測器128的可能。同時，該孔464允許光（和樣本流體）沿近縱軸132方向穿過該盤體462，由此可保證該光作用於顆粒並較可能是具有預期波長的照射光。該盤體462相對該光源124和該光檢測器128軸向設置，且該孔464的尺寸根據所需的該盤體462的最優光子阻擋性能選擇。該孔464一般在縱軸132上位於中心。在一些實施方式中，該孔464具有較大孔徑，從而不會成為氣體傳導屏障、形成局部湍流、或明顯改變流經該檢測腔104內樣本流體流的動力學。如果需要可使用多個盤體462。進一步的，該盤體462可包括多個孔464。在其他實施方式中，當照射光的光束108是充分相干和/不相干時，可不包括該盤體462或類似裝置。

在一些實施方式中，該殼體120、或至少形成該檢測腔104的殼體120部分，由低反射率材料製成，或至少該殼體120的內表面（或一應用於其上的塗層）由低反射率（或不透光、或抗反射）材料製成。以利於阻止漫射光達到該光檢測器128。

在一些實施方式中，根據需要或須要，該顆粒檢測器100可包括光束光學整形元件。該光束光學整形元件可包括一個或多個組件（例如，透鏡）。在本說明書中，所述「光束光學整形元件」指修正光束路徑且無波長過濾的光學組件。圖5示意性的展示了一個光束光學整形元件570。作為一個示例，該光束光學整形元件570可以是或包括一用於準直照射光光束的準直器（準直透鏡）。圖4中所示的該光束光學整形元件570可與該盤體462或其他漫射光阻擋裝置擇一使用，或作為該盤體462或其他漫射光阻擋裝置附加結構。該光束光學整形元件570相對該光源124的軸向設置位置根據所需的最優光束整形性能選擇。在其他實施方式中，光束光學整形元件570可以是集成件或是該光源124的配件。在一些實施方式中，當光源124生成的照射光的光束108是充分相干和/不相干時，可不包括獨立且區別於該光源124的準直器。在其他實施方式中，作為準直器的補充或擇一使用，該光束光學整形元件570可以是或包括一光束擴展器，其用於增加該光源124發射的光束108的直徑。

根據圖1，該光檢測器128用於在一大檢測區域（即，一個大的光子收集區域）內收集沿一組多條光路116傳播的測量光，包括上述相對縱軸132具有角度的測量光路徑。為此，該光檢測器128包括一個大面積的有源光電材料。本領域普通技術人員可知，該光檢測器128還包括一個或多個作用於該有源光電材料的陽極和陰極。該光檢測器128、或至少是光電材料，沿腔長方向至少部分環繞該檢測腔104。如實施例所示，該光檢測器128、或至少是光電材料由柔性材料製成（一層或多層柔性材料），使其或共形包覆該殼體120（或該殼體120形成該檢測腔104的部分）的外表面，或共形形成該殼體120的內表面。優選的，該光電材料相對較薄以使其更為柔軟（即，毫米或更小的計量單位）。該光電材料可以由任意一種材料（或由兩種或多種材料複合）組成，以在該顆粒檢測器100所預期的測量光波長範圍內表現出有效的光電活性和足夠的敏感度。例如，該光電材料可以是薄膜無機、有機、或有機/無機複合半導體，一個非限制性的示例是矽。該光電材料至少具有一種電氣特性（電流、電壓、或電阻），在作用有光後產生相應變化。

在一些實施方式中，該光電材料是一光伏（PV）材料，當其表面作用有光子時同時形成電流反饋和電壓反饋。在弱光條件下，電流反饋和電壓反饋均可被觀察到，且均與撞擊該PV材料表面的光子總量成比例。基於低水平入射光（≤0.1Suns；或顆粒或螢光發射的自由散射一致的入射光子總量）的增加與引起的OCV的增加之間的對數關係，PV材料的開路電壓（OCV）顯示了低水平顆粒濃度變化（即，少於100#/cm3）的可測反饋。在其他情況下，當高顆粒濃度時，PV材料反饋電流的測量更為有效。

在優選實施方式中，該光電材料至少一側由一柔性基底（例如，一聚合物層或膜，如聚醯亞胺）支撐。在一些實施方式中，為使該光電材料與操作環境隔離，該光電材料完全包裹（或嵌入）在該基底內，或夾在該基層和一附加的封裝層或膜之間。任意覆蓋在該光電材料的光子收集邊的層或膜都應是光透明的。在一些實施方式中，該光子收集側上可覆蓋一透明電極。在一些實施方式中，該光子收集邊上可覆蓋如前面所述的光過濾材料層或膜。

該光電材料完全或基本上完全環繞該檢測腔104以形成一繞縱軸132跨度為360°或接近360°的檢測區域。該光電材料可連續環繞該檢測腔104。可選的，該光電材料包括多個相互獨立的光電材料的離散單元或單體，其共同環繞該檢測腔104。

附圖6是應用於該顆粒檢測器100的柔性光檢測器628的一種示意圖。該光檢測器628包括一個設置在一個柔性基層680上的柔性光電材料678。在此實例中，該光電材料678包括一組多個光電材料、或光電單元或單體682。各光電單元682之間相互獨立，但也可以緊密組合在一起以獲得最大化的有效檢測區域面積。在本示例中，該光電單元682排成一列，在其他實施方式中，可以被列成兩列。該光檢測器628最初為平面帶，隨後有控制的環繞該檢測腔104。例如，該光檢測器628可以如前述的共形安裝在該殼體120上。因此，當殼體是圓柱形或球形時，該光檢測器628可以圓柱筒、帶、環的形式環繞該檢測腔104。該光檢測器628很大程度上通過該光電單元682的該活性材料獲得一個顯著的表面積（L×D）。一個非限制性示例，L在一到幾十毫米，D在幾十到幾百毫米。當殼體為圓柱形或球形時，齒輪L和D相應的調整為該光檢測器628的圓柱高和底面直徑。本領域普通技術人員可知，該光檢測器628可包括多個載流組件（連線、導線、觸點、以及未示出的相似組件）。一個非限制性示例，該光檢測器628可基於一個市場可購的PV模塊（例如MP3-37型號，PowerFilm公司，美國愛荷華州埃姆斯市）。

在上述實施方式中，該光電材料678在該檢測腔104周圍形成大量的檢測點，則該檢測腔104中可檢測和測量射入其中的測量光的光子。這些檢測點可相對中心軸（貫穿圖6的尺寸D）位於不同的角度位置上，和/或可相對縱軸（貫穿圖6的尺寸L）位於不同的軸向位置上。如圖2和3所示，該光電材料678向自照射顆粒沿多個不同光路傳播的測量光形成一個傳播目標。通過上述設置，該光檢測器628可輸出一個強度相對較高的測量電檢測器信號，即使單個顆粒產生的光測量信號相對微弱。

參考圖1，在一些實施方式中，該顆粒檢測器100進一步包括一個或多個光學濾波器186，其被按照光學位置關係被設置在該光檢測器128的光電材料的光子收集側和該縱軸132之間。即，設置後任何射向該光電材料的測量光必須首先經過該光學濾波器186。在一些實施方式中，該光學濾波器被設置在該光電材料上，即，直接設置在該光電材料上或通過覆蓋或包覆該光電材料的層或膜以完成安裝。該光學濾波器186用於阻止一個或多個波長範圍，因此，可能是低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器。該光學濾波器186可以是兩個或多個光學濾波器的組合，以獲得所需的通過/阻止特性。該光學濾波器186可以是固態（例如玻璃或聚合物）或凝膠（例如聚合物）材料，且很薄和/或足夠柔軟以共形地覆蓋該光電材料。一個非限制性示例，市場可購的凝膠濾波器（羅斯科試驗有限公司，美國康乃狄克州斯坦福）。

圖2的截面圖展示了光電材料和光學濾波器相對於殼體的一些可能的布局方式。在設置有光電材料和光學濾波器的檢測腔104的區域內，該顆粒檢測器100包括至少三個環繞該檢測腔的層：一第一層（內層）202、一環繞該第一層202的第二層（中層）206、以及一環繞該第二層206的第三層（外層）210。在一個實施方式中，該第一層202是該光學濾波器，該第二層206是該殼體（即，該殼體的一個壁），且該第三層210是該光電材料。因此在本實施方式中，該光學濾波器共形地設置在該殼體的內表面，且該光電材料共形地設置在該殼體的外表面。在其他實施方式中，該第一層202是光學濾波器，該第二層206是該光電材料），且該第三層210是該殼體。因此在本實施方式中，該光電材料共形地設置在該殼體的內表面，且該光學濾波器共形地設置在該光電材料上，因而該光電材料夾設在該殼體和該光學濾波器之間。在另一個實施方式中，該第一層202是殼體，該第二層206是光學濾波器，且該第三層210是該光電材料。因此在本實施方式中，該光學濾波器共形地設置在該殼體的外表面，且該光電材料共形地設置在該光學濾波器上，因此該光學濾波器夾設在該光電材料和該殼體之間。如果該光電材料位於該殼體的外部（或至少延伸有該光電材料的部分）是光透明的。如有需要，該層202、206和210可通過任意一種合適的方法實現相互安裝，如粘結、機械緊固等。在沒有光學濾波器的實施方式中，該光電材料可共形地設置在該殼體的內表面或外表面。

該光學濾波器用於根據適用場合阻止選擇的波長或波長範圍（不被需要的光子）。例如，當測量螢光性時，該光學濾波器用於通過螢光性測量光的波長，同時阻止用以激發該螢光分子的照射光的波長。其他示例中，當測量散射性時，該光學濾波器用於通過照射光波長（和由此散射測量光的波長），同時阻止其他波長，例如，漫射環境光。

參考圖1，在一些實施方式中，該顆粒檢測器100進一步包括一數據採集裝置190，其可與該光檢測器128信號通信。該數據採集裝置190用於測量該光電材料的反饋（例如，電壓反饋、電流反饋、和/或電阻反饋），例如該光電材料輸出的電檢測器信號。該數據採集裝置190用於將模擬檢測器信號轉換為數字檢測器信號，並記錄和存儲該檢測信號。該數據採集裝置190用於使在檢測腔104中由照射光檢測出的一個或多個顆粒屬性的反饋測量產生關聯，例如顆粒粒徑、濃度、識別特徵（例如特定類型的生物顆粒）等。該數據採集裝置190可用於執行任意所需或所須的採集後的信號調整或處理，例如放大、校準、反褶積、格式化以傳輸到另一裝置等。該數據採集裝置190用於生成相關檢測顆粒的一個或多個屬性的數據，並將該數據通過有線或無線網絡傳輸至另一裝置（例如一個電腦裝置），或通過合適的工作網絡傳輸至一個或多個裝置。該數據採集裝置190可拆卸的耦合在該光檢測器124上，例如利用該光電材料的電引線可拆卸的連接。該數據採集裝置190進一步可耦合在另一裝置上以下載數據至另一裝置並分析。本領域普通技術人員可知，利用硬體（或固件）、軟體或硬體和軟體，該數據採集裝置190可實現多種功能。該數據採集裝置190包括一個或多個處理器、存儲器、以及其他硬體。一個非限制性示例，該數據採集裝置190包括一個市場可購16比特數據記錄裝置（例如USB-1698FS-Plus型號，測量計算基團，美國麻薩諸塞州諾頓）。

圖7是其他實施方式的顆粒檢測器100的截面示意圖。該光源124包括一組獨立光源（光源單體）124A、124B、124C、和124D。僅如圖所示的光源124A、124B、124C、和124D數量為4個，也可以大於或少於4個。在一些實施方式中，該光源124A、124B、124C、和124D以縱軸132為中心緊密集合排列。在一些實施方式中，一個或多個光源124A、124B、124C、和124D發射相同波長的照射光，這利於促進信號的檢測和/或提高該檢測腔104內顆粒照射區域的整體尺寸。在一些實施方式中，至少一個光源124A、124B、124C、和124D發射與其他光源124A、124B、124C、和124D波長不同的照射光。例如，一個或多個光源124A、124B、124C、和124D發射具有用於測量散射輻射的第一波長的照射波，與此同時一個或多個其他光源124A、124B、124C、和124D發射具有用於測量散射輻射且不同於第一波長的第二波長的照射光。在其他實例中，一個或多個光源124A、124B、124C、和124D發射具有用於測量第一種顆粒的螢光輻射的第一波長的照射光，與此同時，一個或多個其他光源124A、124B、124C、和124D發射用於測量第二種顆粒的螢光輻射的且不同於第一波長的第二波長的照射光。後者的設置方式更有利於檢測樣本流體中的一種或多種顆粒。在另一實施方式中，一個或多個光源124A、124B、124C、和124D發射用於測量散射輻射的第一波長（或一種或多種不同的第一波長）的照射光，與此同時，一個或多個其他光源124A、124B、124C、和124D發射具有用於測量螢光輻射、且不同於第一波長的第二波長（或一種或多種不同的第二波長）的照射光。

在一些實施方式中，須要兩種或多種不同輻射波長時，根據任意需要的脈衝序列，多個光源124A、124B、124C、和124D順序工作。例如，該顆粒檢測器100一次或多次交替運行兩個不同光源124A、124B、124C、和124D，以交替測量散射輻射和螢光輻射。另一種示例，該顆粒檢測器100一次或多次循環運行兩個或多個光源124A、124B、124C、和124D，以在兩種或多種不同波長下測量散射輻射和/或在兩種或多種不同波長下測量螢光輻射。

如圖7所示，在一些實施方式中，該光檢測器128包括一組獨立光檢測器（或光檢測器單元）128A、128B、128C、128D。每一個光檢測器128A、128B、128C、128D包括一光電材料、和其他配件，該光電材料如圖6所示的包括一組光電單元。僅如圖所示的光檢測器128A、128B、128C、128D的數量是4個，也可以大於或小於4個。光檢測器128A、128B、128C、128D的數量可以等於、少於或大於光源124A、124B、124C、124D的數量。一個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D光學對準相應的光學濾波器186A、186B、186C、186D。

採用兩個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D可增加該光檢測器128的主動檢測區域，並增加該主動檢測區域可見範圍內的前傾角光路344和後傾角光路346（圖6）的數量和角度範圍。又或者，採用兩個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D可增加檢測信號強度。在一些實施方式中，兩個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D相互串聯以提高電壓反饋，和/或光檢測器128A、128B、128C、128D相互並聯以提高電流反饋。

又或者，兩個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D可形成兩個或多個不同的波長（或波長範圍）收集能力和/或形成兩個或多個不同的檢測器輸出信號。在本實施方式中，兩個或多個光檢測器128A、128B、128C、128D之間可以是電獨立的，從而相互獨立運行。例如，這樣相同的顆粒檢測器100可以同時用於散射光和螢光的分析，和/或兩個或多個不同輻射波長的散射光分析，和/或兩個或多個不同輻射（激發）波長、或兩個或多個不同測量波長（或波長範圍）的螢光分析。從而在一些實施方式中，至少一個該光檢測器128A、128B、128C、128D可感應區別於其他光檢測器128A、128B、128C、128D的波長（或波長範圍）。或者，至少一個光檢測器128A、128B、128C、128D與一個光學濾波器186A、186B、186C光學對準以將一個波長（或波長範圍）穿過該光檢測器，這個波長（或波長範圍）不同於其他光檢測器128A、128B、128C、128D接收到的波長。一個優選，用於接收散射輻射的光檢測器包括一個用於阻止其他螢光輻射波長的光學濾波器，與此同時，另用於接收螢光輻射光檢測器包括一個用於阻止照射光（以及散射輻射）波長的光學濾波器。如示例所述，光檢測器128A用於收集光源124A照射到的顆粒所散射或發射的測量光，光檢測器128B用於收集光源124B照射到的顆粒所散射或發射的測量光，光檢測器128C用於收集光源124C照射到的顆粒所散射或發射的測量光，以及光檢測器128D用於收集光源124D照射到的顆粒所散射或發射的測量光。

一般而言，顆粒屬性、照射光屬性、以及相對于波長的光檢測器反饋信號都會影響顆粒檢測器100的LOD和敏感度。檢測的顆粒類型、敏感度、以及LOD的調整（優化）可通過選擇合適的光學過濾器、波長、照射光的強度和準度、以及其他光檢測器的相關屬性實現。

圖8是一些實施例中的顆粒檢測器800的另一種示意圖。該顆粒檢測器800包括一個用於形成流體穿過的檢測腔804的殼體820、一個或多個光源824、以及一個或多個光檢測器828。如示例，該殼體820以及該檢測腔804一般細長並沿縱軸延伸。該顆粒檢測器800還包括一個光擋858以及一個或多個如前述的光學濾波器886，以及一個或多個如圖1-7所述的其他部分。在一些實施方式中，該光檢測器828和光學濾波器886包括如前述的柔性材料。在這一實施方式中，該光源824包括一個散熱器894，其通過散熱片或其他利用環境空氣增加散熱表面的方法。殼體820包括一樣本入口852和一樣本出口854，從而該殼體820確定了一樣本流路徑，其自該樣本入口852、經該檢測腔804、至該樣本出口854。在本實施方式中，通過該殼體820的設置，從而該樣本入口852、該樣本出口854、或該樣本入口852和該樣本出口854（如圖所示）與縱軸呈角度設置（例如圖示中的90°）。這樣的設置可使進入該檢測腔804併到達該光檢測器828的環境光量最小化。

同樣如圖8所示，該顆粒檢測器800包括一流體驅動裝置896（例如，泵、風扇、風機等）用於將驅使流體經過該樣本流路徑。一般而言，該流體驅動裝置896與該檢測腔804連接。為此，該流體驅動裝置896設置於該檢測腔804的下遊。該流體驅動裝置896設置於該樣本出口854的下遊，並設置於該殼體820的外部（如圖所示）、或設置於內部。一般而言，該流體驅動裝置896的設置應確保不在該檢測腔804中形成紊流。該流體驅動裝置896用於驅使該樣本流體以層流且平滑、無脈衝的形式經過該檢測腔804。層流態的保持可將內部顆粒損失最小化，並提高得到的數據的敏感度和準確度。在一些實施方式中，該流體驅動裝置896用於驅使該樣本流經過該檢測腔804，流速以每分鐘流升計算。在一些實施方式中，用戶可調節該流體驅動裝置896的流速。可以理解該流體驅動裝置896不是必須使用的。環境流體流條件可能足以運行該顆粒檢測器800，從而無需使用流體驅動裝置896。

同樣如圖8所示，該顆粒檢測器800具有一個或多個殼體部件和/或該顆粒檢測器800組件的模塊化集成，當需要清潔、維護或更換時，其可移離其他殼體部件或組件（例如，光源824、光擋858、流體驅動裝置）。光源824可根據需要的不同照射波長進行替換。當需要不同的光檢測器828和光學濾波器886或二者結合時，光檢測器828和光學濾波器886、或安裝有該光檢測器828和光學濾波器886的該殼體部件可進行替換。進一步，模塊化從而使用者可以類似於圖7所示的方式添加不同的殼體部件系列以裝配顆粒檢測器800。多個殼體部件可以包括相同或不同的預裝在該殼體部件上的一個或多個光檢測器828和一個或多個光學濾波器886的聯合體。

在一些實施方式中，使用者得到的該顆粒檢測器800可能是一盒被完全或部分拆解的顆粒檢測器800。例如，盒內可能包括一組不同的光源824、光檢測器828、和/或光學濾波器886。又或者，盒內可能包括一組不同的形成檢測腔804的殼體部件。該殼體部件可能包括不同的預裝在該殼體部件上的一個或多個光檢測器828和一個或多個光學濾波器886的聯合體，由此使用者可根據需要配置顆粒檢測器800的分析功能。

圖9是一些實施方式的顆粒檢測器900的另一種示意圖。該顆粒檢測器900可包括用於形成一個流體流經的檢測腔904的殼體920、一個或多個光源924、以及一個或多個光檢測器928。該顆粒檢測器900還可包括一個光擋958和一個或多個如前所述的光學濾波器（圖中未示出），以及一個或多個如圖1-8所述的其他部分。在一些實施方式中，該光檢測器928和光學濾波器可包括如前述的柔性材料。殼體920包括一樣本入口952和一樣本出口954，從而該殼體920確定了一樣本流路徑，其自該樣本入口952、經該檢測腔904、至該樣本出口954。該光源924、樣本入口952、樣本出口954、和光擋958可被設置用於使照射光和樣本流沿一縱軸932線性傳輸。該顆粒檢測器900可與如前述圖8所示的該顆粒檢測器800相似配置。然而，該顆粒檢測器900包括一個或多個部分，其中檢測腔904截面（界面區域）尺寸沿縱軸932變化。在本實施方式中，上述是通過將該殼體920以及檢測腔904設置為球形或包括一球形部分922實現的。在這種情況下，該縱軸932可成為該球形部分922的對稱軸。

同樣在這個實施方式中所示，在圓形或多邊形截面上，該殼體920可包括沿縱軸132方向延伸自該球形部分922的一軸向入口部分914和一軸向出口部分918。如圖所示，該光源924和該樣本入口952可設置在該入口部分914上，以及該樣本出口954和該光擋958可設置在該出口部分918上。該光檢測器928以與縱軸932具有9度或其他值的水平角包圍該檢測腔904。附加的光檢測器（圖中未示出）可完全或部分包圍該檢測腔904以形成附加主動檢測區域。

圖10是一些實施方式的顆粒檢測器1000的另一種示意圖。該顆粒檢測器1000可包括用於形成一個流體流經的檢測腔1004的殼體1020、一個或多個光源1024、以及一個或多個光檢測器1028A、1028B、和1028C。該顆粒檢測器900還可包括一個光擋958和一個或多個如前所述的光學濾波器（圖中未示出），以及一個或多個如圖1-9所述的其他部分。在一些實施方式中，該光檢測器1028A、1028B、1028C和光學濾波器可包括如前述的柔性材料。該殼體1020和該檢測腔1004的截面可以是圓形或多邊形的。殼體1020包括一樣本入口1052和一樣本出口1054，從而該殼體1020確定了一樣本流路徑，其自該樣本入口1052、經該檢測腔1004、至該樣本出口1054。該光源1024、樣本入口1052、樣本出口1054、和光擋1058可被設置用於使照射光和樣本流沿一縱軸1032線性傳輸，縱軸1032是該檢測腔1004和一個或多個顆粒檢測器1000的其他部件的對稱軸。該顆粒檢測器1000可與如前述圖8或9所示的該顆粒檢測器800相似配置。然而，該顆粒檢測器1000包括一個或多個部分，其中檢測腔1004截面（界面區域）的一個或多個部分的尺寸沿縱軸1032變化。例如，上述可通過使殼體1020包括一個或多個過渡或錐形部件實現，其截面形狀遞增或遞減。這些過渡或錐形部件具有，例如，截頭圓錐形或稜錐形結構。在本實施方式中，該殼體1020包括一遞增過渡段1022（即，沿流體流動和照射光傳播方向截面變大），其與一具有恆定截面的部分1026相鄰設置，且該部分1026與一遞減過渡段1030相鄰設置。

在另一實施方式中，該過渡段1022可用一遞減過渡段以替代遞增過渡段，因而在流體流動方向上其截面變小，由此該流體流向指向該部分1026上一較小的截面一側。更通常的，決定是否包括截面過渡段，以及該過渡段在流體流動方向上是擴張的還是收攏的，可基於流體顆粒的眾多相關因素、顆粒距離和顆粒檢測器等。

同樣在該實施方式中，沿縱軸1032方向，該殼體1020可包括一延伸自該遞增過渡段1022的軸向入口部分1014、一延伸自該遞減過渡段1030的軸向出口部分1018。如圖所示，該光源1024和該樣本入口1052可設置在該入口部分1014，以及該樣本出口1054和該光擋1058可設置在該出口部分1018。一個或多個光檢測器1028A可在恆定截面部分1026上以與縱軸1032呈90°的取向包圍該檢測腔1004。又或者，一個或多個光檢測器1028B和/或1028C相應的，包圍該遞增過渡段1022和/或遞減過渡段1030。

圖11是一些實施方式的顆粒檢測器1100的另一種示意圖。此示圖是由該顆粒檢測器1100的一殼體1120形成的一檢測腔1104的示意圖。在本實施方式中，該殼體1120包括一組平璧部分，且該部分的檢測腔1104的截面是多邊形的。圖11示例的僅是一個線性截面，其他可能的截面還有幾何多邊形（例如，六邊形、多邊形等）。一個或多個光檢測器1128A、1128B、1128C、和1128D設置在相應的平璧部分。在其他實施方式中，可利用少量的對光探測器形成幾何多邊形。如11中，例如，僅利用了一對對光探測器（1128A、1128B、1128C、和1128D）。

本申請進一步包括其他實施方式，提供了大量的一個或多個如前述且如圖1-11所示的示例特徵的組合。進一步的，其他實施方式可包括一個或多個公開在美國臨時專利「用於流體控制和抽樣檢測控制的裝置、系統和方法」（申請號為62/039,519、申請日為2014年8月20）中的特徵結構，上述被全文援引至本申請。

本申請所述的顆粒檢測器可實現一個或多個技術效果。該顆粒檢測器，尤其包括如前所述的該光檢測器，可提供一個簡單、低成本的解決方案以測量顆粒濃度，並經試驗證明是十分敏感的，無需利用精密光束光學整形元件（例如，透鏡和反射鏡）就可實現在測量光光路上大的光子收集量。即，該光檢測器可使該檢測腔中的縱軸和光電材料之間的測量光光路上無需設置光束光學整形元件。這部分是由於該光檢測器具有一個大的有效光電材料，且其共形地圍繞該檢測腔，由此該光檢測器可接收幾乎全部方向的測量光。進一步的，由於該光檢測器的有效檢測區域較大且共形地圍繞該檢測腔，因而相較於現有裝置，該檢測腔具有一個極大的容量，可在樣本流體經過該光檢測器的通過時間段或更長的時間段（例如，以升每分鐘流速的幾秒或十幾秒計，如5L/min）內收集極大部分和數量的散射輻射或螢光輻射光子。使得本技術方案的光檢測器區別於現有技術的顆粒檢測器，現有技術的顆粒檢測器僅可在1-10微秒（µ8）的通過時間段裡捕獲僅僅很小部分的光子。值得注意的是，雖然流速x通過時間=常數；照射源、光電材料、和測量電子的特性可得到一個該顆粒檢測器的敏感度最佳的流速。相較於現有的信號顆粒計數器具有小的檢測腔和多個光束光學整形元件，本技術方案的配置和檢測方法同樣極大的放寬了對該光源相對該檢測腔和該顆粒檢測器的其他組件對齊的準度和精度的要求。相較於現有的信號顆粒計數器技術，本技術方案的光檢測器還可檢測具有一定容積的樣本流體（#/cm3）中全部的顆粒濃度和濃度變化。本技術方案可簡化光學元件的要求且無需將樣本流體對準一單獨的顆粒流路徑。以及，檢測腔的簡單結構（例如，圓柱形）簡化了顆粒檢測器的裝配和維護，減少顆粒在內表面的沉積，利於清潔。

實施例1-一般氣溶膠檢測

在本示例中，一顆粒檢測器近似按照如圖8所示的結構製造。該殼體是一直徑為1.62英寸（41.1mm）的光透明管。該光檢測器選用1.5英寸×4.5英寸的柔性光伏檢測器（太陽能膜的MP3-37）。柔性光伏檢測器包覆該光透明管。光源選用650nm波長的紅色雷射二極體，其向下照射該管的中心，管中有以5升每分鐘流速且與該光同軸的空氣流。一光擋設於該管相對的一端。一檢測系統設置用於評價該顆粒檢測器。該系統主要由直徑為11/2英寸的黑色聚氯乙烯（PVC）管道組成。該光伏檢測器的輸出電壓通過一個16比特數據存儲器（USB-1698FS-Plus測量計算）1樣本每秒實時測量。

該顆粒檢測器與混合有濃度可控且充分混合的氣溶膠的腔室連接。一空氣動力學粒徑譜儀（APS；TSI股份有限公司）設置在該顆粒檢測器之後（下遊）。該APS向該顆粒檢測器提供經過其中的空氣流（5L/min）以及流經該儀器的氣溶膠的尺寸和數量信息。在兩個儀器中的流經相同的樣本空氣流。來自該APS的氣溶膠濃度信息作為標準或參考。作為APS的補充，凝聚顆粒計數器模型3022a（CPC；TSI股份有限公司）與該氣溶膠混合腔室連接，但其流體路徑與該顆粒檢測器和APS中的不同。然而，當氣溶膠腔室的混合環境較好時，所有儀器中可測量到非常接近的濃度。聯合使用兩種顆粒計數器，可更好地觀察該顆粒檢測器的表現。該APS可測量的顆粒尺寸和濃度範圍自接近0.5μιη至超過5 μιη。該CPC模型3022a的尺寸範圍低值為7nm，高值為接近1 μιη。單獨使用時，該CPC僅提供總數信息。附加一掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS；TSI股份有限公司）可提供尺寸信息。APS和CPC均是精密的顆粒計數器。

試驗基於ISO 12103-1，A1超細粉塵試驗（又稱亞利桑道路塵）。如圖12中所示，SMPS所測量到的測試粉塵的中值尺寸範圍大致為250nm。標準超細亞利桑道路塵的粒徑分布由TSI SMPS測得。一個典型的試驗利用一TSI型號3433的少量粉塵分散裝置將少量亞利桑道路塵分散於該氣溶膠混合腔室。隨後在該腔室中的充分混合的氣溶膠被該顆粒檢測器和其他兩個市購的顆粒計數器（APS和CPC）採樣。該氣溶膠濃度在腔室中隨時間緩慢衰減直至一清潔泵被啟用後，該氣溶膠被抽離該腔室同時過濾後的空氣進入該測試腔室。圖13A顯示的是清潔後的濃度衰減。該顆粒檢測器顯示與其他兩個市購顆粒計數器接近的濃度變化。圖13B和13C顯示了該顆粒檢測器和其他兩個市購顆粒計數器的對比。值得注意的是，根據本試驗中的顆粒檢測器所採用的配置，該顆粒檢測器提供更多的是濃度測量，且不計算顆粒粒徑。所顯示的差異為該顆粒檢測器的反饋與其他兩個市購顆粒計數器的反饋之間缺少真正的1：1關係。可以的改進是，採用不同波長光和測量精度的校準算法。當該顆粒檢測器利用650nm紅色雷射器時，該顆粒檢測器可檢測低於0.9顆粒/cm3的濃度和至少小至0.25μιη（25nm）的粒徑。

實施例2-生物氣溶膠檢測

在本實施例中，一顆粒檢測器按照與上述實施例1中相似的配置被製造。然而，該雷射源採用具有準直透鏡的365nm紫外LED，以及一用於支撐該LED並保持其穩定溫度的鋁散熱片。該激發波長通過一羅斯科400nm紫外凝膠膜濾波器得到阻止。該紫外濾波器包覆該光透明管。該柔性光伏檢測器隨後包覆該凝膠濾波器，從而形成的檢測腔中不包括來自該光伏檢測器的激發輻射。

採用如實施例1中的試驗步驟，利用一螢光性氣溶膠作為模擬氣溶膠。利用2%天來寶CBS X標記WR格雷斯Syloid粉末。該天來寶標記的最大吸收值接近385nm。該發射波長的最大值接近430nm。對照組試驗使用無標記Syloid氣溶膠以證明該光伏檢測器的檢測信號更多的是螢光性發射光子而不是散射激發能。圖14是顆粒檢測器對標記和無標記Syloid氣溶膠的反饋。在這組試驗中，雜散源輻射達到該光伏檢測器，從而限制了檢測水平。

第二組試驗中，增加了孔並提高了LED的對準度，結果為形成如圖15所示的一個低限制的檢測和更高的敏感度。利用附加改進的進一步的改進可減少雜散源輻射並優化該傳感腔的幾何形狀和該樣本流速。

實施例3-生物氣溶膠檢測

在本實施例中，一顆粒檢測器按照與上述實施例2中相似的配置被製造。然而，該顆粒檢測器被重新配置，利用一405nm紫外雷射器。試驗採用與實施例2中相同的試驗步驟，區別是該腔室中引入具有控制濃度的芽孢桿菌孢子生物氣溶膠，且被兩個市購顆粒計數器和該顆粒檢測器採樣。405nm波長是生物氣溶膠激發的上線。然而，一雷射器用於向該檢測腔室中的生物氣溶膠有效傳遞高強度、連續的光。405nm的紫外雷射器先前已被證明用於生物氣溶膠的檢測。參見賽安利等，《兩種螢光基實時生物氣溶膠檢測器的表現：生物檢測 vs UVAPS》，氣溶膠科學與技術，48（4）：371-378（2014）。405nm雷射器即可發射自由散射（全氣溶膠檢測）又可激發螢光（生物氣溶膠檢測）。然而，本試驗中，將凝膠濾波器設置在該光伏檢測器之間，僅能阻止低於400nm的激發光，因而散射光和螢光發射光均被檢測。第二種設置使採用650nm紅色雷射器從而僅測量全氣溶膠濃度（無螢光激發）。這種405nm和650nm的信號區別提供螢光信號的粗略評價。優選的是，採用過濾405激發光的濾波器。或者，採用波長小於400nm但該光精確對準的紫外LED。

利用模擬炭疽桿菌、萎縮芽孢桿菌（Bg）檢測該顆粒檢測器。利用3射流碰撞噴霧器將已知濃度的Bg孢子注射入檢測腔室中。該顆粒檢測器和APS獲得注射Bg孢子前的數據直至其中達到未測濃度。通過一個全玻璃撞擊器獲得可得抽樣，4mm（AGT4）利用撞擊液體以收集孢子。利用菌落計數和電鍍測量活菌計數。

結合APS的顆粒粒徑信息，AGI的結果用以評價隨時間溶解的存活生物氣溶膠的濃度。當Bg孢子注射後，在1μιη附近形成明顯波峰。其他存在於本次試驗中的顆粒可能是生長介質或細胞外物質。通過質量濃度展示的顆粒分布同樣顯示出該信號孢子的緊密分布。基於上述信息，可合理提取出顆粒數據中需要的粒徑陣元。由此，紀錄分布顯示值為0.965μιη、1.037μιη、和1.114μιη的平均陣元尺寸，其用於補償陣元的不一致。上述三個陣元值相加以提供時間－溶解顆粒數量濃度信息。然而，陣元集合中包括一些非孢子材料，因而總孢子濃度被高估。

圖16顯示採用405nm和650nm來測試該顆粒檢測器對Bg孢子的測量結果，參照組為APS和估算的存活生物氣溶膠濃度。該顆粒檢測器與APS濃度十分符合，檢測了自注射至注射後衰減直至結束的Bg濃度。該顆粒檢測器的測量下限為0.085＃/cm3。

一般，所述的「連接」和「與……連接」（例如，一個第一部件「連接」一個第二部件或「與一個第二部連接」）表明了兩個或多個部件或元件之間的結構、功能、機械、電學、信號、光學、引力、電磁引力、離子或流體關係。由此，一個部件與另一個部件並非一定指包括、和／或實時連接或採用其他的連接部件，在二者之間。

可知在不脫離本發明的基本觀念下可有大量替換的部分或細節。進一步，上述描述僅作為解釋說明，而非限定範圍，其範圍以權利要求書為準。

附圖說明

下列附圖用於輔助理解本發明。附圖不用做圖中部件的規格比例，重點在於其所展示的本發明的發明內容。附圖中，相似的附圖標記在不同視圖中表徵相關部件。

圖1是本發明一些實施例的顆粒檢測器的一種透視示意圖。

圖2是圖1所示的顆粒檢測器的一種剖視示意圖（x-y平面），剖分於縱軸上任意一點（z軸）。

圖3是圖1所示的顆粒檢測器在x-z平面上的一種示意圖。

圖4是圖1所示的顆粒檢測器的一種示意圖，其演示一種可能用於該顆粒檢測器的漫射光阻裝置。

圖5是圖1所示的顆粒檢測器的一種示意圖，其演示一種可能用於該顆粒檢測器的光束整形光學元件。

圖6是可能用於圖1所示的顆粒檢測器的一種柔性光檢測器的一種示意圖。

圖7是其他實施方式的顆粒檢測器的一種剖視示意圖。

圖8是其他實施方式的另一種顆粒檢測器的一種示意圖。

圖9是其他實施方式的另一種顆粒檢測器的一種示意圖。

圖10是其他實施方式的另一種顆粒檢測器的一種示意圖。

圖11是其他實施方式的另一種顆粒檢測器的一種剖視示意圖。

圖12是一組利用掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）測得並利用示例1中所述的一種顆粒檢測器採樣的標準超細亞利桑道路塵尺寸分布圖。

圖13A是一組分別利用示例1中的顆粒檢測器、空氣動力學粒徑譜儀（APS）、和上述附圖12提及的CPC所採集的氣溶膠混合腔室中的一些超細亞利桑道路塵的氣溶膠濃度；三種儀器均捕捉到該腔室中氣溶膠濃度的衰減；該顆粒檢測器的反饋值等於測量電壓減去基值（雷射器開啟但經過傳感器的空氣流中無顆粒）。

圖13B是一組示例1的顆粒檢測器的反饋與APS的顆粒計算的對比；該顆粒檢測器的反饋值等於測量電壓減去基值（雷射器開啟但經過傳感器的空氣流中無顆粒）。

圖13C是一組示例1的顆粒檢測器的反饋與CPC的顆粒計算的對比；該顆粒檢測器的反饋值等於測量電壓減去基值（雷射器開啟但經過傳感器的空氣流中無顆粒）。

圖14是一組示例2中的顆粒檢測器對模擬惰性氣溶膠和生物氣溶膠的標記和未標記天來寶螢光劑的Syloid氣溶膠的反饋；在紫外凝膠過濾器保護下的該顆粒檢測器的光伏探測器的反饋源自發射螢光、而非散射的激發光子。

圖15是一組示例2的顆粒檢測器對螢光標記Syloid的氣溶膠（2%天來寶螢光劑）的反饋；利用APS和CPC得到總顆粒數（不計螢光性）；該顆粒檢測器的反饋值等於測量電壓減去基值（雷射器開啟但經過傳感器的空氣流中無顆粒）。

圖16是示例3的具有405nm紫外雷射和650nm紅光雷射器的顆粒檢測器對Bg孢子氣溶膠的反饋。