非正交粒子檢測系統和方法

2023-05-04 17:04:46 2

專利名稱：非正交粒子檢測系統和方法
非正交粒子檢測系統和方法相關申請的交叉參引本申請要求分別於2007年12月4日、2007年12月4日和2008年10月22日提 交的美國臨時專利申請No. 61/005，336、No. 60/992，192和No. 61/107，397的權益，所述文 獻由此均以參引方式整體納入本文。關於聯邦資助的研究或開發的聲明無。
背景技術：
本發明屬於光學粒子計數器領域。本發明主要涉及能夠在空間上解析由粒子散射 或發射的電磁輻射的光學粒子計數器。本發明還涉及用於檢測粒子和確定粒子大小的方 法，以及空間上解析粒子和電磁輻射束的相互作用的方法。大部分微汙染(micro-contamination)工業都依賴於使用粒子計數器，例如在以 下許多美國專利中所描述的粒子計數器，其中包括美國專利No. 3，851，169.No. 4，348，111、 No. 4，957，363、No. 5，085，500、No. 5，121，988、No. 5，467，188、No. 5，642，193、 No. 5，864，399、No. 5，920，388、No. 5，946，092 和 No. 7，053，783。美國專利 No. 4，728，190、 No. 6，859，277,No. 7，030，980和No. 5，282，151也公開了粒子計數器，且由此以參引方式整 體納入本文。氣溶膠粒子計數器通常用於測量在淨化室和淨化區域中浮在空中的粒子汙 染。液相粒子計數器通常用於測量在水處理和化學加工工業中的粒子汙染。能夠空間地解析由粒子散射或發射的電磁輻射的粒子計數器通常採用二維檢測 器，諸如在美國專利No. 5，282，151中描述的粒子檢測器。美國專利No. 7，170，601和美國 專利申請公開文本NO.US2006/0001874 Al也公開了一種粒子計數器，其能夠空間地解析由 粒子散射或發射的電磁輻射。這些光學粒子計數器在平行於流體流向的方向上收集所散射 或發射的電磁輻射，並且能夠沿著垂直於流體流向的方向空間地解析所散射或發射的電磁 輻射。然而，這些粒子計數器，缺乏在平行於流體流向的方向上空間地解析所散射或發射的 電磁輻射的能力。本文所描述的粒子檢測系統利用了這樣一種幾何結構其允許不僅在垂 直於流體流向的方向上、而且在平行於流體流向的方向上空間地解析由粒子散射或發射的 電磁輻射。

發明內容
此處公開的是一種粒子檢測系統，其能夠對粒子和電磁輻射束的相互作用進行空 間解析。使用特定的電磁輻射束橫截面形狀和取向，可提高粒子檢測系統的檢測敏感度。此 處還描述了以一種使背景信號低，並且能對粒子所散射或發射的電磁輻射進行空間解析的 方式來檢測粒子和確定粒子大小的方法。在一個實施方案中，粒子檢測系統包括流體池，用於容納沿一個流向流過所述流 體池的流體；源，用於生成電磁輻射束，其具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，所述源 被放置為導引所述輻射束經過所述流體池，其中所述輻射束的橫截面輪廓的長軸和所述流向之間的角度是非正交的，且其中包含在所述流體中的粒子與所述輻射束相互作用，從而 生成散射的或發射的電磁輻射；以及二維檢測器，其被放置為與所述流體池光通信，用於接 收所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分。此等粒子檢測系統可用在檢測粒子和/或確定粒子大小的方法中。在一個實施方 案中，這方面的方法包括如下步驟在具有一個流向的流體中提供粒子；使電磁輻射束通 過所述流體，所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，其中在所述長軸和所述 流向之間的角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束相互作用，從而產生散射的或 發射的電磁輻射；並且使用二維檢測器檢測所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分，從 而檢測所述粒子。在對於某些應用優選的實施方案中，所述散射或發射的電磁輻射被光學 系統收集或導弓I到所述二維檢測器上。在一些實施方案中，在所述輻射束橫截面長軸和所 述流向之間的角度是非平行的。可用於此處所描述的方法和系統的光學元件包括但不限於透鏡、反射鏡、濾光 器、分束器、光纖、光學波導、窗口、孔、狹縫、稜鏡、光柵、偏光器、波片、晶體、以及這些或其 他光學元件的任何組合。在對於某些應用優選的一個實施方案中，所述散射或發射的電磁 輻射被所述光學系統成像到所述二維檢測器上。對於某些實施方案，粒子計數器可選地包 括光學系統的自動聚焦，以將從粒子散射或發射的輻射正確地成像到二維檢測器之上。在對於某些應用優選的實施方案中，有用的二維檢測器包括一個檢測器元件陣 列，其被放置以使得多個檢測器元件接收所述散射或發射的電磁輻射。在用於檢測粒子或 確定粒子大小的系統和方法中可以使用任何二維檢測器，所述二維檢測器包括但不限於 光電檢測器的二維陣列、電荷耦合器件(CCD)檢測器、互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢測 器、金屬氧化物半導體(MOS)檢測器、有源像素傳感器、微通道板檢測器、光電倍增管的二 維陣列、光電二極體的二維陣列、光電電晶體的二維陣列、光敏電阻的二維陣列，或者光導 薄膜。在對於某些應用優選的一個示例實施方案中，二維檢測器具有如下取向該取向 被布置為允許在二維檢測器的有效區域上具有所散射或發射的電磁輻射的銳聚焦圖像。在 對於某些應用優選的一個示例實施方案中，二維檢測器具有如下取向該取向被布置為允 許提供所散射或發射的電磁輻射的空間解析圖像，其中所述散射或發射的電磁輻射沿著平 行於輻射束傳播軸的第一方向和平行於流動方向的第二方向而被空間解析。在另一個實施 方案中，二維檢測器的取向允許提供所述散射或發射的電磁輻射沿著平行於所述輻射束的 傳播軸的第一方向和沿著平行於所述輻射束的橫截面輪廓的長軸的第二方向的空間解析 圖像。在另一方面，提供了對粒子和電磁輻射束的相互作用進行空間解析的方法。此方 面的方法包括下列步驟提供懸浮於沿一個流向流動的流體之內的粒子；使電磁輻射束通 過所述流體，其中所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，且其中在所述長軸 和所述流向之間的角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束相互作用，從而生成散 射或發射的電磁輻射；且將所述散射和發射的電磁輻射的至少一部分導引到一個二維檢測 器上，從而沿著平行於所述輻射束的傳播軸的第一方向和平行於所述輻射束的橫截面輪廓 的長軸的第二方向對所述散射的或發射的電磁輻射進行空間解析。對於一些實施方案，當 所散射或發射的電磁輻射到達二維檢測器時，其被該二維檢測器所檢測，從而生成相應於
6所述散射或發射的電磁輻射的強度的多個輸出信號。在某些實施方案中，在所述輻射束橫 截面長軸和所述流向之間的角度是非平行的。在對於某些應用優選的一個實施方案中，從圍繞所述流體的流體池的壁散射或發 射的電磁輻射開始對所述散射或發射的電磁輻射進行空間解析。在另一個實施方案中，由 第一粒子與所述輻射束相互作用而散射或發射的電磁輻射被成像到所述二維檢測器的第 一位置上，而與所述第一粒子具有不同位置的第二粒子和所述輻射束相互作用所產生的散 射或發射的電磁輻射，被成像到所述二維檢測器的第二位置上。在這方面的一些實施方案中，該方法還包括分析由所述檢測器提供的響應於所述 散射的或發射的電磁輻射的信號。在一個實施方案中，所述分析包括如下一種或多種技術， 所述技術包括時延積分(TDI)、圖像閾值分析、圖像形狀分析、脈衝高度分析、脈衝寬度分 析，或可用於檢測粒子的其他技術。在另一方面，提供了用於確定粒子大小的方法。這方面的方法包括下列步驟提供 懸浮於沿一個流向流過所述流體池的流體之內的粒子；使電磁輻射束通過所述流體，其中 所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，且其中在所述長軸和所述流向之間的 角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束相互作用，從而生成散射或發射的電磁輻 射；將所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分成像到二維檢測器上；確定在所述二維檢 測器上的所述散射或發射的電磁輻射的強度；並且將所述散射或發射的電磁輻射的強度和 一個或多個參考閾值進行比較，從而確定所述粒子的尺寸。例如，所述參考閾值可相應於從 已知尺寸的粒子散射或輻射的電磁輻射的強度；如果從一個粒子散射或發射的電磁輻射的 強度落在兩個參考閾值之間，則該粒子的大小就被確定在相應於那些參考閾值的已知粒子 尺寸之間。在此方面的實施方案中，參考閾值依賴於粒子在流體池內的位置。在另一個實施 方案中，參考閾值依賴於流體的流率。在又一個實施方案中，流體的流率可依賴於在流體池 內的位置；例如，在流體池壁附近流動的流體可比在流體池中心附近流動的流體流得慢。在 另一個實施方案中，所述參考閾值依賴於輻射束的強度。在另一個實施方案中，所述參考閾 值既依賴於所述輻射束的強度，也依賴於在所述流體池之內的位置。在對於某些應用優選的實施方案中，該方法還可包括確定粒子在流體池之內的位 置的步驟。在某些實施方案中，此步驟被優選為發生在將所散射或發射的電磁輻射的強度 與一個或多個參考閾值進行比較的步驟之前。在另一個實施方案中，粒子在流體池之內的 位置被用於確定一個或多個用於隨後的比較過程的參考閾值。不希望被任何具體理論所界定，此處可存在對於和本發明有關的深層原理的信念 或理解的討論。應承認，無論關於機制上的任何解釋或假說的最終正確程度如何，本發明的 實施方案無論如何均可以是可操作的且是有用的。


圖1提供了粒子檢測系統的一個實施方案的示意圖。圖2A提供了粒子檢測系統的一個實施方案的透視圖。圖2B提供了粒子檢測系統的一個實施方案的透視圖。圖3A示出了照射著粒子檢測系統中的流體池的電磁輻射束的另一透視圖。
圖3B示出了圖3A的一個區域的放大圖。圖3C示出了圖3A的流體池的俯視圖。圖3D示出了圖3A的流體池沿著流體流向的視圖。圖3E示出了圖3A的流體池的側視圖。圖4A示出了粒子檢測系統的二維檢測器檢測到的圖像，其中在輻射束橫截面輪 廓長軸和流向之間的角度是90°。圖4B示出了粒子檢測系統的二維檢測器檢測到的圖像，其中在輻射束橫截面輪 廓長軸和流向之間的角度是45°。圖4C示出了粒子檢測系統的二維檢測器檢測到的圖像，其中在輻射束橫截面輪 廓長軸和流向之間的角度是21°。圖5示出的數據描繪了在輻射束橫截面輪廓長軸和流向之間的不同角度下，粒子 檢測系統對80nm粒子的計數效率。圖6示出的數據描繪了在輻射束橫截面輪廓長軸和流向之間的不同角度下，粒子 檢測系統對125nm粒子的計數效率。圖7示出的數據總結了在輻射束橫截面輪廓長軸和流向之間的不同角度下，對 80nm和125nm粒子的計數效率。圖8示出了示例毛細管裝配臺(capillary mount)。圖9示出了示例自動聚焦系統。
具體實施例方式總體來說，此處所用的術語和詞組具有本領域公認的含義，其可通過參照標準文 本、期刊文獻和本領域技術人員公知的文本獲得。下面的限定被提供用於明確它們在本發 明文本中的具體使用。「流向」指的是當流體流動時與大量流體正在移動的方向相平行的軸。對於流經直 的流體池的流體，流向平行於大量流體前進的路徑。對於流經彎曲流體池的流體，流向可被 視為和大量流體前進的路徑相切。「輻射束傳播軸」指的是和電磁輻射束的行進方向平行的軸。「橫截面輪廓」指的是以與傳播軸或行進軸成直角切過一個對象的平面所形成的 輪廓。例如，電磁輻射束的橫截面輪廓是由垂直於輻射束傳播軸的平面所形成的輻射束輪 廓。流體池的橫截面輪廓是由垂直於流向的平面所形成的流體池的輪廓。「長軸」指的是與一個形狀的最長軸相平行的軸。例如，橢圓的長軸平行於橢圓最 長的直徑，而矩形的長軸平行於矩形的長邊。「短軸」指的是和一個形狀的最短的軸平行的軸。例如，橢圓的短軸平行於橢圓的 最短直徑，而矩形的短軸平行於矩形的短邊。「光通信」指的是對組件進行定向，使得組件被布置為允許光或電磁輻射在組件之 間傳播。「光軸」指的是電磁輻射傳播穿過系統所沿的方向。「點尺寸」指的是一個點或對象的圖像被一個或多個透鏡聚焦成的尺寸。一般，點 尺寸指的是均方根(RMS)點尺寸。RMS點尺寸是包括總能量的66%—例如電磁輻射的聚焦輻射束的總能量的66%——的點的尺寸。「二維檢測器」指的是這樣的檢測器，其能夠在檢測器的有效區域中在兩個方向上 空間地解析輸入信號(例如，電磁輻射)。二維檢測器能夠生成一個圖像，例如相應於檢測 器的有效區域上的強度圖案的圖像。優選的二維檢測器包括檢測器元件或像素的陣列，例 如光電檢測器的二維陣列、電荷耦合器件(CCD)檢測器、互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢 測器、金屬氧化物半導體(MOS)檢測器、有源像素傳感器、微通道板檢測器、光電倍增管的 二維陣列、光電二極體的二維陣列、光電電晶體的二維陣列、光敏電阻的二維陣列，或者光 導薄膜。「粒子」指的是通常被視為汙染物的小對象。粒子可以是由摩擦行為產生的任何 材料——例如當兩個表面機械接觸且有機械運動時。粒子可由材料的聚集體組成，所述材 料諸如塵土、灰塵、煙、灰、水、煤煙、金屬、礦物質，或這些或其他材料或汙染物的任何組合。 「粒子」也可以指生物粒子，例如，病毒、孢子以及微生物，包括細菌、真菌、古生菌、原生生 物、其他單細胞微生物，特別是具有大約1-15 μ m大小的微生物。粒子可指吸收或散射光從 而可被光學粒子計數器檢測到的任何小的對象。如此處所用，「粒子」旨在排除載體流體的 單個原子或分子，例如水分子、氧分子、氦原子、氮分子等等。本發明的一些實施方案能夠對 粒子進行檢測、確定大小和/或計數，所述粒子包括具有大於50nm、lOOnm, 1 μ m或更大，或 者10 μ m或更大尺寸的材料聚集體。具體的粒子包括具有選自50nm至50 μ m的尺寸、選自 IOOnm至10 μ m的尺寸，或者選自500nm至5 μ m的尺寸。一些實施方案的粒子檢測系統包括這樣的流體池其用於容納沿一個流向流經所 述流體池的流體。在對於一些應用優選的一個實施方案中，所述流體池包括壁透明的採樣 單元。可用的流體池包括能夠輸送流體的流體池，所述流體包括液體或氣體。流體的流向 也提供了用於限定此處描述的系統和方法的附加組件的參考軸。在一個實施方案中，該流 體池具有這樣的橫截面輪廓其具有第一較長邊和第二較短邊。在一些實施方案中，第一較 長邊具有選自0.25mm至IOmm範圍的長度，優選為5mm。在一些實施方案中，所述第二較短 邊具有選自80μπι到500μπι的範圍的寬度，優選為100 μ m。在一個實施方案中，所述流體 池橫截面具有的長寬比大於等於20，或大於等於50，所述長寬比等於較長邊的長度除以較 短邊的寬度。在一些實施方案中，該流體池的第一較長邊對齊平行於電磁輻射束傳播軸，而 該流體池的第二較短邊對齊垂直於電磁輻射束傳播軸。一些實施方案的粒子檢測系統也包括一個源，其用於生成電磁輻射束。在一個優 選實施方案中，電磁輻射束的橫截面輪廓具有一個長軸和一個短軸。這樣的橫截面輪廓可 由源自身形成，或者可由該源結合一個或多個輻射束成形元件而形成，所述該成形元件包 括透鏡、反射鏡、孔或其他輻射束成形元件。在一些實施方案中，輻射束橫截面輪廓具有橢 圓形或矩形的形狀。在其他實施方案中，輻射束橫截面輪廓具有基本橢圓形或基本矩形的 形狀。在對於一些應用優選的實施方案中，輻射束橫截面輪廓具有沿著短軸的選自5μπι和 100 μ m之間的寬度，優選為40 μ m。在對於一些應用優選的另一實施方案中，輻射束橫截面 輪廓具有沿著長軸的選自50μπι和1200 μ m之間的寬度，優選為600 μ m。在示例實施方案 中，輻射束橫截面的寬度沿著長軸延伸到或超過流體池的壁。在此實施方案和其他實施方 案中，粒子檢測系統能夠提供流體的體積分析。在另一實施方案中，輻射束橫截面輪廓的寬 度沿著長軸未到達流體池的壁。在此實施方案和其他實施方案中，粒子檢測系統能夠提供流體的非體積分析。在一個優選實施方案中，所述源被布置為導引輻射束穿過一個流體池，使在輻射 束橫截面輪廓的長軸和流向之間的角度是非正交的。對於一些實施方案，在輻射束橫截面 輪廓的長軸和流向之間的角度選自5°至85°的範圍，或者優選地選自16°至26°的範 圍，或者更優選地選自20°至22°的範圍。然而，在一些實施方案中，輻射束橫截面輪廓長 軸可與流向正交或平行。在又一個實施方案中的粒子檢測系統進一步包括被放置為和流體池光通信的二 維檢測器。被放置為和流體池光通信的檢測器，用於檢測與輻射束相互作用的粒子所散射 或發射的電磁輻射的至少一部分。在對於一些應用優選的實施方案中，二維檢測器包括檢 測器元件陣列，所述檢測器元件陣列被放置使得多個檢測器元件接收所散射或發射的電磁 輻射的至少一部分。有用的二維檢測器包括但不限於光電檢測器的二維陣列、CXD檢測 器、CMOS檢測器、MOS檢測器、有源像素傳感器、微通道板檢測器、光電倍增管的二維陣列、 光電二極體的二維陣列、光電電晶體的二維陣列、光敏電阻的二維陣列，或者光導薄膜。此方面的一些實施方案還可包括一個光學系統。這種系統的光學元件用於使電磁 輻射束成形，或者用於收集或導引與輻射束相互作用的粒子所散射或發射的電磁輻射到所 述二維檢測器上。光學系統可包括一個或多個光學元件。例如，光學系統可包括兩個非球 面透鏡。有用的光學元件包括透鏡、反射鏡、濾光器、分束器、光纖、光學波導、窗口、孔、狹 縫、稜鏡、光柵、偏光器、波片、晶體、以及這些或其他成形、聚焦或導引元件的任何組合。在 對於某些應用優選的一個實施方案中，所述光學系統將所散射或發射的輻射成像到二維檢 測器上。在另一個實施方案中，所散射或發射的電磁輻射被聚焦成二維檢測器上的一個點， 該點具有選自5 μ m至80 μ m範圍的大小，優選是12 μ m。用於收集或導引所述所散射或發射的電磁輻射的光學系統，被優選地置於流體池 和二維檢測器之間。在一個實施方案中，二維檢測器被定位為與將輻射束收集或導引到該 二維檢測器上的光學系統的光軸非正交。該實施方案中的非正交指的是包括有源元件的二 維檢測器的平面相對於光學系統的光軸的位置關係。另一個實施方案中，該光學系統的光軸被定向為和輻射束橫截面輪廓的長軸非正 交。在一個示例實施方案中，二維檢測器具有如下取向該取向被布置為允許在二維檢測器 的有效區域上具有所散射或發射的電磁輻射的銳聚焦圖像。在另一個示例實施方案中，二 維檢測器具有如下取向該取向被布置為允許提供所散射或發射的電磁輻射的空間解析圖 像，其中所述散射或發射的電磁輻射沿著平行於輻射束傳播軸的第一軸和平行於輻射束橫 截面輪廓的長軸的第二軸而被空間解析。現在參照附圖，圖1示出了粒子檢測系統的一個實施方案的示意圖。如圖中所示， 源100產生被導引通過流體池120的電磁輻射束110，流體池平行於輻射束傳播軸115。在 此實施方案中，輻射束110被透鏡130成形和導引，然後進入流體池120。流經流體池120 的懸浮於該流體中的粒子與輻射束110相互作用時生成散射的或發射的電磁輻射160。光 學系統170沿著光學檢測軸175收集或聚焦所散射的或發射的電磁輻射160到二維檢測器 180上。在此實施方案中，光學系統170包括兩個非球面透鏡。圖2A示出了一個粒子檢測系統實施方案的透視圖。在此實施方案中，源200產生 電磁輻射束210，其被導引通過流體池220。輻射束210被透鏡230成形和導引，然後進入流體池220。在這一實施方案中，輻射束210被透鏡230成形以具有橢圓形狀的橫截面輪 廓235，該橢圓形狀具有和軸205平行的長軸，以及和流向250正交的傳播軸。粒子240流 過平行於流向250的流體池220。橫截面輪廓長軸205和流向250形成一個角度290。粒 子流過被輻射束210照射的流體池220的區域，並且和該輻射束相互作用，生成所散射的或 發射的電磁輻射260。所散射或發射的電磁輻射260沿著光學檢測軸275被光學系統270 收集並且導引到二維檢測器280之上。在這一實施方案中，二維檢測器280和光學檢測軸 275非正交。圖2B示出了另一粒子檢測系統實施方案的透視圖。在這一實施方案中，源200生 成被導引通過流體池220的電磁輻射束210。輻射束210被透鏡230成形和導引，然後進入 流體池220。在此實施方案中，輻射束210被透鏡230成形以具有橢圓形狀的橫截面輪廓 235，該橢圓形狀具有平行於軸205的長軸，以及和流向250非正交的傳播軸。粒子240流 過平行於流向250的流體池220。在此實施方案中，流向250和橫截面輪廓長軸205是正交 的。粒子流過被輻射束210照射的流體池220的區域且和該輻射束相互作用，產生散射的 或發射的電磁照射260。散射或發射的電磁輻射260沿著光學檢測軸275被光學系統270 收集並且被導引到二維檢測器280上。在這一實施方案中，二維檢測器280和光學檢測軸 275非正交。圖3A示出了照射著流體池的電磁輻射束的另一透視圖。在本圖中，輻射束310平 行於輻射束傳播軸315行進。在流體池320中流動的粒子和流體，平行於流向350行進。圖 3B示出了流體池320的一個區域的放大圖。粒子340平行於流向350沿著軌跡355移動， 並且在區域365和輻射束310相互作用，在這裡它們生成散射的或發射的電磁輻射。圖3C、 3D和3E示出了流體池320和輻射束310的各種不同視圖。圖3C示出了沿著輻射束的傳播 軸觀察的流體池320和輻射束的視圖。在此視圖中示出了輻射束的橫截面輪廓335。在這 一實施方案中，橫截面剖面335具有橢圓形狀。圖3C還示出了此視圖的一組軸，顯示了流 向350，光學收集軸375和輻射束橫截面輪廓長軸305。在流向350和輻射束橫截面輪廓長 軸305之間形成了角度390。在各種不同實施方案中，角度390不等於90°，也就是說流向 350和輻射束橫截面輪廓長軸305是非正交的。然而，在某些實施方案中，角度390是90°。 圖3D示出了沿著流向觀察的流體池320的視圖。輻射束310沿著輻射束傳播軸315傳播， 照射著流體池320。由粒子和輻射束310相互作用所產生的散射或發射的輻射沿著光學收 集軸375被收集。圖3E示出了沿著光學收集軸的視圖。粒子和流體沿流向350流經流體 池320。輻射束310沿著輻射束傳播軸315傳播，照射著流體池320。在此實施方案中，僅 流體池320的一小部分被輻射束310照射。被照射的區域在圖3E中由虛線示出。然而，所 有流體流經該輻射束。通過下列非限制性實施例，可以進一步理解本發明實施例1 粒子檢測器圖像和計數效率圖4A、4B和4C示出了在輻射束橫截面輪廓長軸和流向之間的不同角度下，由一個 粒子檢測系統實施方案的二維檢測器所檢測到的圖像。這些灰度圖像表示了由二維檢測器 觀察到的強度，其中黑色是低強度，白色是高強度。這些圖像展示了和圖3E的流體池的視 圖相似的視圖。在這些圖像中，在圖像頂部的亮白點表示了，在所述輻射束進入所述流體池 之處，由所述輻射束與流體池的壁相互作用所產生的散射的或發射的電磁輻射。在圖像底部的亮白點表示了在所述輻射束離開所述流體池之處，由所述輻射束與流體池的壁相互作 用所產生的散射的或發射的電磁輻射。在這些圖像中，具有125nm尺寸的粒子在流體中沿 著流向350行進，輻射束沿著軸315傳播。在這些圖像中的插圖示出了流體池沿著輻射束 傳播軸的視圖，示出了輻射束橫截面輪廓長軸305相對於流體池和流向350的取向。在圖4A中，輻射束橫截面輪廓長軸305垂直於流向350，也即，角度390是90°。 在圖像中心的亮白點是在流體池的壁上的汙染物所導致的。從圖像頂部傳播到圖像底部的 微弱線(faint line)，表示了由流體池內的流體與沿著軸315傳播的輻射束相互作用所散 射的電磁輻射。在圖4A的圖像中，比其周圍更亮的一個微弱點可指示檢測到了單個粒子 (由圖像中的箭頭所示)。亮白點可能是在與該輻射束相互作用的流體池的壁上的汙染物 所導致的。在此方向，被諸如此類的汙染物所散射或發射的電磁輻射落在粒子可能行進的 流動區域處，從而使模糊了對這些區域中的粒子的檢測。當角度390不等於90°時，流體池 的壁上的汙染物將顯示為偏向該圖像的左側或右側，並且不模糊如此大的區域。在圖4B中，輻射束橫截面輪廓長軸305和流向350形成大約45°的角度390。沿 著圖像左側的兩個亮白點是流體池的壁上的汙染物導致的。如前所述，由於該輻射束的橫 截面輪廓現在處於45°的角度390，故來自該汙染物的被散射或發射的電磁輻射不再模糊 流動區域的大部分，而是出現在圖像的側面。從圖像頂部行進至圖像底部的微弱閃光，表示 流體池中的流體與沿著軸315傳播的輻射束相互作用而被散射的電磁輻射。在圖4B中的 圖像裡，比周圍明亮的多個微弱點可指示檢測到了多個粒子(圖像中的箭頭所示的3個示 例)。利用圖4A的幾何結構——其中角度390是90°，將有可能由於位於圖像左側的最上 面的明亮汙染物點而模糊了對長箭頭所指示的粒子的檢測。這示出了非正交幾何形狀在減 少噪聲和增加檢測效率及敏感度方面的有用優點。此外，當輻射束橫截面輪廓長軸305和 流向350非正交時，例如在圖4B中，在二維檢測器上檢測到散射的或發射的輻射的位置就 和流體池中散射或發射的輻射的起原點的位置有關。例如，圖像左側的明亮汙染物點顯示 為是來自該流體池的一側上的汙染物，如插圖中的部分395所示，而長箭頭所指示的粒子 顯示為是來自該流體池的相對一側附近行進的粒子，如插圖中的部分340所示。在圖4C中，輻射束橫截面輪廓長軸305被對準為和流向350成大約21°的角度 390。從圖像頂部行進到圖像底部的微弱閃光表示了流體池中的流體與沿著軸315行進的 輻射束相互作用而散射的電磁輻射。在圖4C的圖像中，比周圍亮的多個微弱點指示了檢測 到多個粒子(圖中箭頭所示的5個示例)。除了將散射或發射的電磁輻射與流體池的壁分 開之外，當輻射束橫截面輪廓長軸305非正交於流向350時，所述粒子穿過輻射束的距離更 長，導致更多的光被散射且能夠檢測到更小的粒子。具有SOnm和125nm尺寸的聚苯乙烯膠乳粒子被允許流過粒子檢測系統，以確定所 述粒子的計數效率。在流向和輻射束橫截面輪廓長軸之間的角度在3個方向上變化在流 向和輻射束橫截面輪廓長軸之間的角度為21° ；在流向和輻射束橫截面輪廓長軸之間的角 度為45° ；以及在流向和輻射束橫截面輪廓長軸之間的角度為90°。圖5示出的數據描 繪了對SOnm粒子的計數效率，其與流向和輻射束橫截面輪廓長軸之間的角度有關。如圖5 中所見，隨著該角度從21°增加至45°再增加到90°，SOnm粒子的計數效率下降。圖6示 出了類似的數據，其描繪了 125nm粒子的計數效率。如圖6中所示，125nm粒子的計數效率 在21°和45°時接近於100%，但在90°角時顯著下降到小於80%計數效率。圖7總結了SOnm和125nm聚苯乙烯膠乳粒子的計數效率。實施例2 用於粒子計數的具有一體密封件的毛細管裝配臺困擾液體粒子計數器的一個問題在於，缺乏用於將樣本毛細管密封至一個流體池 的耐化學作用的密封件。解決此問題的一個途徑是使用如下的固定器或裝配臺，其包括不 起反應的和實質剛性的聚合物，例如80肖氏硬度D的Kel-f，用以形成毛細管入口的密封 件。該固定器或裝配臺包括在毛細管孔周圍與該固定器或裝配臺一體的一個或多個同軸密 封件。這減少了潛在的洩漏通路的數目，排除了會被錯誤安裝的組件，並且降低了公差的數 量以保證更為均勻的密封壓力。在實施方案中，粒子計數器或粒子檢測系統包括這樣一個 毛細管裝配臺。本發明的基於成像的粒子計數器可選地包括用於粒子計數的具有一體密封件的 毛細管裝配臺，例如，使用通過加工或模製被形成的剛性聚合物(例如，80肖氏硬度D的 Kel-f)來形成與該固定器一體的圍繞毛細管孔周圍的多個同軸密封件。使用具有一體密封 件的毛細管裝配臺對於某些應用是有益的，因為它削減了潛在的洩漏路徑的數量，排除了 會被不正確安裝的組件，並且降低了公差數量以保證更為均勻的密封壓力。圖8示出了示例毛細管裝配臺800的立體圖。毛細管裝配臺800包括多個密封區 域801，用於形成毛細管的密封件。毛細管裝配臺800還包括一個流體池以 及多個窗口區域 802，用於允許雷射束進入和離開流體池。還包括了附加的窗口區域803，以將散射的光傳輸 到檢測器。對於某些實施方案，毛細管裝配臺800是一個整體結構，即它包括單塊材料，用 於形成一個或多個毛細管的密封件。實施例3 非正交粒子檢測器的自動聚焦為了最大化粒子傳輸時間、覆蓋面積，並最小化景深，粒子檢測器中的雷射路徑相 對於毛細管單元傾斜。在一個實施方案中，輻射束橫截面輪廓長軸被定向為非正交於該毛 細管單元內的流向。在又一個實施方案中，輻射束傳播軸被定向為非正交於該毛細管單元 之內的流向。例如，這些軸可被定向在69°或21°的相對角。為了收集從該流體中的粒子 散射或由其發射的輻射並保證適當的聚焦，檢測器和毛細管均相對於任一傳感器成像光學 器件——例如如上所述的光學系統——傾斜。本發明的基於成像的粒子計數器，可選地包 括使用粒子點尺寸或雷射束結構或兩者組合的自動聚焦。沿著成像光學器件的光軸的檢測器的位置可以通過平移來調節，以達到對散射或 發射的輻射的最佳聚焦，但在平移的整個範圍內也必須將該圖像保持在檢測器上的同一位 置。用於實現這一點的方法包括，將該檢測器安裝為與成像光學器件的光軸成固定角度， 並且沿著成像軸平移該檢測器以聚焦。在一個實施方案中，該檢測器被安裝在與光軸對齊 的線性軌道系統上，用於沿著該光軸平移該檢測器。在一個具體實施方案中，安裝了一個 彈簧來將成像光學器件預加載使靠在一個成一角度的平面的一側，以增加平移步進電機 (translation steppermotor)的精度(例如5倍或更多)，以允許對於步進電機的每一步 存在更小的線性移動(例如2μπι或更少)。在一個實施方案中，粒子計數器或粒子檢測系 統包括自動聚焦系統。圖9示出了一個具體的自動聚焦系統實施方案900。一個毛細管單元被安裝在毛 細管裝配臺901中，檢測器902被安裝為相對於位於塊903之內的成像光學器件成一定角 度。線性軌道系統904被附接至檢測器902和步進馬達905，其用於沿著位於塊903之內的成像光學器件的光軸將檢測器902平移。實施例3 檢測器陣列處理在實施方案中，由粒子與粒子檢測系統的電磁輻射束相互作用而散射或發射電磁 輻射；檢測到達該二維檢測器的所散射的或發射的電磁輻射，從而生成多個相應於散射的 或發射的電磁輻射的強度的輸出信號。這些輸出信號可被進一步處理和/或分析，以確定 該粒子的特性。對於某些實施方案，來自二維檢測器的每個元件的輸出信號被記錄或傳輸至處理 器以便進一步分析。然而，對於其他實施方案，來自該二維檢測器的元件的子陣列(也即， 僅一部分)的輸出信號被記錄或傳輸到處理器以便進一步分析。以此方式，可以選擇二維 檢測器的一個子集用於檢測或探測粒子的特性。在一個具體實施方案中，在確定粒子的特 性過程中，僅利用了子陣列的輸出信號的一部分。這樣的感興趣區域例如可用於對所檢測 的粒子產生更好的尺寸解析度和/或防止正在進行檢測的樣本體積的增長。例如，整個二維檢測器可對粒子檢測系統的整個流體池成像。特定的子陣列可相 應於流體池的成像區域的輸出信號，所述成像區域如被電磁輻射束照射的流體池區域。作 為另一個實施例，子陣列可相應於除該流體池的壁之外的由電磁輻射束照射的流體池的成 像區域的輸出信號。感興趣區域例如可包括相應於被電磁輻射束的中心所照射的流體池的 成像區域和/或相應於電磁輻射束的強度基本均勻之處的輸出信號。關於通過參引和變化而納入的聲明在本申請中的所有參引，例如包括公布的或授權的專利或等同物的專利文本；專 利申請公布文本；以及非專利文獻文件或其他源材料；均在此通過參引方式以其整體納入 本文，如同通過參引被單獨納入，以每個參引至少部分不與本申請的公開內容前後矛盾為 限(例如，部分前後矛盾的參考文獻除了該參考文獻的部分前後矛盾的那部分之外通過參 引方式被納入)。分別於2007年12月4日、2007年12月4日和2008年10月22日提交的美 國臨時申請61/005，336,60/992, 192和61/107，397，通過參引方式以其整體納入於此。由 發明人 Mitchell、Sandberg、Sehler、Williamson 和 Rice 作出的、代理人卷號為 171-07、於 2008^12^ 2 Hil^^J.||^j"Two-Dimensional Optical ImagingMethods and Systems for Particle Detection」的美國非臨時申請，通過參引以其整體納入於此。在此說明書中提及的所有專利和公開文本都指示了本發明所屬技術領域中的技 術人員的技術水平。此處引用的參考文獻通過整體納入的方式來指示現有技術，在某些 情況下指示了這些文獻的提交日的現有技術，如果需要，可以考慮，將此信息用於排除(例 如，不要求保護)現有技術中的特定實施方案。例如，當要求保護化合物時，應理解，現有技 術中已知的化合物——包括此處參考文獻中(尤其是在所引用的專利文件中)公開的某些 化合物——將不被包括在本權利要求中。當此處公開一組代替物時，應理解那些組和所有子組中的所有單個成員，包括組 成員的任何異構體和對映體，以及可使用代替物形成的化合物的類，均被分別地公開。當要 求保護化合物時，應理解本領域中公知的化合物，包括在參考文獻中公開的化合物，均不被 包括在內。當此處使用馬庫什組或其他組時，該組的所有個體成員以及該組的所有可能的 組合或子組合都將被單獨地包括在本公開內容中。除非另有說明，此處所描述或列舉的組件的每種組成或組合都可被用來實施本發明。化合物的具體名稱意為示例性的，因為眾所周知，本領域技術人員可以對相同的化合 物進行不同命名。當此處例如以配方或化學命名來描述化合物，導致該化合物的特定的異 構體或對映體不明確時，本說明書意為單獨地或任何組合地包括所描述的化合物的每個異 構體或對映體。本領域技術人員將理解，可在本發明的實踐中無需藉助過多試驗來採用除 了具體列舉的那些之外的方法、器件元件、原材料以及合成方法。任何這種方法、器件元件、 原材料以及合成方法的本領域公知的功能等同物，均意為包括在本發明中。無論何時當在 本說明書中給出一個範圍時，例如溫度範圍、時間範圍或成分範圍，所有的中間範圍和子範 圍，以及在範圍中包括的個別值，均意為包括在本公開內容中。如此處所用，「包含」與「包括」、「含有」或者「其特徵在於」是同義的，且是包容性 的或開放式的，且不排除另外的、未提及的要素或方法步驟。如此處所用，「由……組成」排 除了在所要求保護的要素中未說明的任何要素、步驟或組分。如此處所用，「基本由……組 成」並不排除未實質影響權利要求的基本和新穎特性的材料或步驟。此處提到的術語「包 含」，尤其在對合成物的組件的描述中，或在對裝置的元件的描述中，被理解為涵蓋了主要 由所述組件或元件組成的、以及由所述組件或元件組成的那些合成物和方法。在此示例性 描述的本發明可在缺少未在此處具體公開的任何一個或多個元件、任何一個或多個限制條 件的情況下被適當實施。所採用的術語和表述被用於描述的目的而非限制，且無意在這些術語和表述的使 用中排除所示的和所描述的特徵的任何等同物或其部分，但應認識到，在所要求保護的本 發明的範圍內各種不同修改均是可能的。因此應理解，雖然已經通過優選實施方案和可選 特徵具體地公開了本發明，本領域技術人員可採用對此處公開的概念的修改和變化，且這 樣的修改和變化被視為處於如所附權利要求限定的本發明的範圍之內。
權利要求
粒子檢測系統，包括流體池，用於容納沿一個流向流過所述流體池的流體；源，用於生成電磁輻射束，其具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，所述源被放置為導引所述輻射束經過所述流體池，其中在所述流體中包含的粒子與所述輻射束相互作用，從而生成散射的或發射的電磁輻射；以及二維檢測器，其被放置為與所述流體池光通信，用於接收所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分，其中所述二維檢測器被放置為非正交於所述光軸。
2.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，還包括一個光學系統，用於收集或導引所述 散射或發射的電磁輻射到所述二維檢測器，其中所述光學系統具有被放置為與所述長軸非 正交的光軸；且
3.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中在所述長軸和所述流向之間的角度是非 正交的。
4.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述二維檢測器包括檢測器元件陣列， 其被放置為使得多個所述檢測器元件接收所述散射或發射的電磁輻射。
5.根據權利要求3所述的粒子檢測系統，其中所述角度選自5°至85°的範圍。
6.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述橫截面輪廓具有橢圓或矩形的外形。
7.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述橫截面輪廓具有沿著所述短軸的選 自5μπι禾口 100 μ m之間的寬度。
8.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述橫截面輪廓具有沿著所述長軸的選 自50μπι和1200 μ m之間的寬度。
9.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述橫截面輪廓的寬度沿著所述長軸延 伸到或超過所述流體池的邊緣。
10.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述流體池的橫截面輪廓具有平行於 所述輻射束的傳播軸的第一較長邊以及垂直於所述輻射束的所述傳播軸的第二較短邊。
11.根據權利要求10所述的粒子檢測系統，其中所述第一較長邊具有選自0.25mm至 IOmm的寬度。
12.根據權利要求10所述的粒子檢測系統，其中所述第二較短邊具有選自80μ m至 500 μ m的寬度。
13.根據權利要求10所述的粒子檢測系統，其中所述流體池的長寬比大於或等於20。
14.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述輻射束的傳播軸正交於所述流向。
15.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述輻射束的傳播軸非正交於所述流向。
16.根據權利要求2所述的粒子檢測系統，其中所述光學系統將所述散射或發射的輻 射成像到所述二維檢測器上。
17.根據權利要求2所述的粒子檢測系統，其中所述二維檢測器非正交於所述光學系 統的光軸。
18.根據權利要求2所述的粒子檢測系統，其中所述散射或發射的電磁輻射被所述光 學系統聚焦成所述二維檢測器上的一個點，該點具有選自5 μ m至80 μ m之間的尺寸。
19.根據權利要求2所述的粒子檢測系統，其中所述二維檢測器具有如下取向該取向 被布置為允許在二維檢測器的有效區域上具有所散射或發射的電磁輻射的銳聚焦圖像。
20.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述二維檢測器具有如下取向該取向 被布置為允許提供所散射或發射的電磁輻射的空間解析圖像，其中所述散射或發射的電磁 輻射沿著平行於輻射束傳播軸的第一軸和平行於輻射束橫截面輪廓的長軸的第二軸而被 空間解析。
21.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述二維檢測器能夠執行時延積分。
22.根據權利要求1所述的粒子檢測系統，其中所述流向垂直於所述輻射束的傳播軸。
23.檢測粒子的方法，所述方法包括下列步驟在具有一個流向的流體中提供粒子；使電磁輻射束通過所述流體，所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪廓，其 中在所述長軸和所述流向之間的角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束相互作 用，從而產生散射的或發射的電磁輻射；並且使用二維檢測器檢測所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分，從而檢測所述粒子。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述散射或發射的電磁輻射被光學系統收集或 導引到所述二維檢測器上。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述光學系統將所述散射的或發射的輻射成像 到所述二維檢測器上。
26.根據權利要求23所述的方法，其中所述二維檢測器包括檢測器元件陣列，其被放 置使得多個檢測器元件接收所述散射的或發射的電磁輻射。
27.根據權利要求23所述的方法，其中所述角度選自5°至85°的範圍。
28.根據權利要求23所述的方法，其中所述二維檢測器具有如下取向該取向被布置 為允許在二維檢測器的有效區域上具有所散射或發射的電磁輻射的銳聚焦圖像。
29.根據權利要求23所述的方法，其中所述二維檢測器具有如下取向該取向被布置 為允許提供所散射或發射的電磁輻射的空間解析圖像，其中所述散射或發射的電磁輻射沿 著平行於輻射束傳播軸的第一方向和平行於輻射束橫截面輪廓的長軸的第二方向而被空 間解析。
30.對粒子和電磁輻射束的相互作用進行空間解析的方法，所述方法包括下列步驟提供懸浮於沿一個流向流動的流體之內的粒子；使電磁輻射束通過所述流體，其中所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪 廓，且其中在所述長軸和所述流向之間的角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束 相互作用，從而生成散射或發射的電磁輻射；且將所述散射和發射的電磁輻射的至少一部分導引到一個二維檢測器上，從而沿著平行 於所述輻射束的傳播軸的第一方向和平行於所述輻射束的橫截面輪廓的長軸的第二方向 對所述散射的或發射的電磁輻射進行空間解析。
31.根據權利要求30所述的方法，其中，從圍繞所述流體的流體池的壁散射或發射的 電磁輻射開始對所述散射或發射的電磁輻射進行空間解析。
32.根據權利要求30所述的方法，其中由第一粒子和所述輻射束相互作用所產生的散 射或發射的電磁輻射被成像到所述二維檢測器的第一位置上，而與所述第一粒子具有不同位置的第二粒子和所述輻射束相互作用所產生的散射或發射的電磁輻射，被成像到所述二 維檢測器的第二位置上。
33.根據權利要求30所述的方法，還包括如下步驟分析由所述檢測器提供的響應於 所述散射的或發射的電磁輻射的信號。
34.根據權利要求33所述的方法，其中所述分析包括選自以下組中的一種或多種技 術，該組包括時延積分、圖像閾值分析、圖像形狀分析、脈衝高度分析和脈衝寬度分析。
35.一種確定粒子大小的方法，該方法包括下列步驟提供懸浮於沿一個流向流過所述流體池的流體之內的粒子；使電磁輻射束通過所述流體，其中所述輻射束具有包括一長軸和一短軸的橫截面輪 廓，且其中在所述長軸和所述流向之間的角度是非正交的，且其中所述粒子和所述輻射束 相互作用，從而生成散射或發射的電磁輻射；將所述散射或發射的電磁輻射的至少一部分成像到二維檢測器上；確定在所述二維檢測器上的所述散射或發射的電磁輻射的強度；並且將所述散射或發射的電磁輻射的強度和一個或多個參考閾值進行比較，從而確定所述 粒子的尺寸。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述參考閾值依賴於所述粒子在所述流體池之 內的位置。
37.根據權利要求35所述的方法，還包括在比較步驟之前，確定所述粒子在所述流體 池之內的位置的步驟。
38.根據權利要求37所述的方法，還包括在比較步驟之前，使用所述粒子在所述流體 池內的所述位置來確定一個或多個參考閾值的步驟。
全文摘要
此處描述的是一種粒子檢測系統，其能夠對粒子和電磁輻射束的相互作用進行空間解析。利用特定的電磁輻射束橫截面形狀和取向，可改進粒子檢測系統的檢測靈敏度。還提供了以一種使背景信號低，並且能對粒子所散射或發射的電磁輻射進行空間解析的方式來檢測粒子和確定粒子大小的方法。
文檔編號G01N21/00GK101910821SQ200880123951
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月2日 優先權日2007年12月4日
發明者D·A·塞爾, J·桑貝格, J·米切爾 申請人:粒子監測系統有限公司