用于粒子检测的二维光学成像方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了用于粒子检测和分析的方法和系统，其使用二维光学成像以获得相对于传统的基于点和阵列检测的光学粒子计数器增强的检测敏感度和扩展的检测功能。本发明专利技术的方法和系统提供了一种基于二维光学成像的粒子检测平台，其中系统部件和规格被选择以根据提供给系统的粒子的光学散射或发射来生成可再生和易于识别的信号，包括粒子检测识别标志。本发明专利技术的系统和方法能够准确且灵敏地检测、识别和表征（例如，确定其大小）在液相或气相样本中的粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于粒子检测的二维光学成像方法和系统相关申请的交叉参引本申请要求分别于2007年12月4日、2007年12月4日和2008年10月22日提 交的美国临时专利申请No. 60/992，192、No. 61/005，336和No. 61/107，397的权益，所述文 献均以其整体通过参引方式纳入于此。关于联邦资助的研究或开发的声明无。
技术介绍
本专利技术属于光学粒子分析仪领域。本专利技术主要涉及用于检测和表征流体样本中的粒子的基于二维光学成像的方法 和系统。本专利技术还主要涉及这样的方法和系统其用于改进光学粒子分析仪的灵敏度和适 应能力，并且用于扩展这些系统的器件性能，以便准确地检测和表征具有小物理尺寸(例 如小于0.1微米)的粒子。大部分微污染物工业和净化处理工业都依赖于使用粒子计数器，所述粒子 计数器如在许多美国专利中所描述的粒子计数器，所述美国专利包括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。美国专利 No. 4，728，190、No. 6，859，277、No. 7，030，980 和 No. 5，282，151 也描述了粒子计数器，所述 美国专利以其整体通过参引方式纳入于此。光学粒子传感器和计数器可用于包括半导体、制药和微电子工业的多种工业应用 中。在某些工业环境中，光学粒子传感器和计数器提供了 一种用于连续监控在一过程—— 例如在生产制药产品(其要符合微粒污染方面的严格监管要求)的过程——中所使用的材 料的组分和纯度的重要工具。在其他工业环境中，光学粒子传感器和计数器提供了用于提 供质量控制分析的一种重要工具，例如用于对高质量的光致抗蚀剂和半导体材料进行离线 质量控制检查。尤其有利的是，它可以迅速识别流体何时被不期望的粒子所污染，从而使得 该过程可在早期被停止，从而避免制造有缺陷的废物产品。例如，在半导体和其他净化室环 境，或者要求无菌和纯净制造的工业(例如制药)中，用于制造最终产品的料液被持续监 控，以确保足够的纯度且悬浮在该流体中的任何不希望的粒子处于可接受的容限范围内。 气溶胶粒子计数器通常被用来测量在净化室和净化区域中悬浮于空气中的粒子污染。液相 粒子计数器通常被用于测量在制药、水处理和化学加工工业中的微粒污染。为改善粒子监控传感器的可靠性和吞吐量并使其能够检测和表征具有更小尺寸 的粒子，而对粒子监控传感器所进行的持续不断的改进和开发，也反映了粒子监控传感器 的重要性。除了灵敏度和粒子尺寸测量能力有限之外，现有技术的光学粒子计数器目前存 在一些与伪计数相关的问题，所述伪计数发生于，由粒子造成的光散射之外的检测器噪声 和/或由过程中产生的信号也对粒子检测事件有影响时。伪计数的发生不利地影响了系统 的准确度和灵敏度。此外，伪计数的发生也阻碍了光学粒子分析仪准确地 测和表征物理 尺寸小(例如小于0.1微米)的粒子的能力。因此，用于避免或抑制光学粒子计数器和分析仪中的伪计数的设计策略，在下一代这些设备的开发中被视为优先紧要的事项。
技术实现思路
本专利技术提供了用于粒子检测和分析的方法和系统，其使用二维光学成像来获得相 对于传统的基于点的和基于阵列的光学粒子计数器而言被增强的检测灵敏度和被扩展的 传感功能。本专利技术的方法和系统提供了一种基于二维光学成像的粒子传感平台，其中系统 组件和规格被选择以生成可再生的和易于识别的信号，所述信号包括来自被提供给该系统 的粒子的光散射或发射的粒子检测识别标志(Signature)。本专利技术的系统和方法能够准确 且灵敏地检测、识别和表征在液相或气相环境中的粒子(例如，确定其大小)。本专利技术的系 统和方法能够实时有效地生成并且识别粒子检测识别标志，从而能够分析并过滤来自被配 置为对由粒子所散射或发射的电磁辐射成像的二维检测器的输出数据。在一方面，本专利技术的二维光学成像方法和系统能够生成不同的粒子检测识别标 志，其包括来自被设置在一个二维检测器阵列中的多个检测器元件的多个输出信号的明确 限定的一维或二维图案。生成的不同的粒子检测识别标志在本专利技术中被用于从来自背景流 体的分子散射、检测器噪声和/或在电磁辐射与所关注粒子相互作用过程外的一些过程中 出现的检测器信号中区分出来自粒子的光学散射或发射。基于本专利技术的此方面的不同的粒 子检测识别标志的识别和表征的粒子检测，提供了多个有益于粒子计数和确定粒子大小等 应用的性能。首先，通过对不同的粒子检测识别标志作出识别和表征而进行的粒子检测， 大大抑制了来自由所关注事件的粒子散射或发射以外的源——诸如高能光子(例如宇宙射 线)、检测器噪声和来自非粒子源的散射或发射等——所引起的检测器信号的伪计数。与传 统粒子分析仪相比，降低伪计数改进了当前的粒子检测、计数和大小测量的结果和系统的 准确度。其次，使用依赖于阈值的粒子检测识别标志，能够实现对具有较小物理尺寸的粒子 的检测和表征，且同时避免了由非粒子噪声源导致的伪计数。在一个实施方案中，本专利技术提供了通过使用二维光学检测或成像生成并且识别一 个粒子检测识别标志来检测和/或表征在一个样本中的粒子的方法。在一个具体实施方案 中，本专利技术提供了用于检测在流体流中的粒子的方法，包括下列步骤(i)提供具有粒子的 流体流，其可选地由一选定的流向表征；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在粒子 和辐射束之间的相互作用产生所散射或发射的电磁辐射；(iii)将所散射或发射的电磁辐 射的至少一部分导引到被设置在一个二维检测器阵列中的多个检测器元件上，(iv)检测被 导引到所述多个检测器元件上的所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述检测器 元件阵列的至少一部分生成相应于所散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；(ν)为该 阵列的检测器元件的至少一部分测量输出信号；以及(ν i)识别粒子检测识别标志，所述 粒子检测识别标志包括多个检测器元件的多个输出信号的图案，所述多个检测器元件均具 有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号；从而检测流体流中的粒子。在一个实施 方案中，此方面的方法还包括如下步骤，即，将所散射或发射的电磁辐射的至少一部分成像 到所述阵列的检测器元件上，而在一些实施方案中，该阵列的检测器元件的至少一部分生 成与所散射和/或发射的电磁辐射以及背景散射的电磁辐射的强度相应的输出信号。此方 面的粒子检测识别标志具有不同且可再生的特征，诸如形状、检测元件数量——包括直接 邻近(directly adjacent)的检测器元件数量——和/或输出信号(例如强度值)的分布，这些特征易于识别并且易于与来自背景流体的分子散射、检测器噪声以及在粒子散射或发 射以外的一些过程(例如，和宇宙射线的相互作用)中所产生的检测器信号区分开来。在 一个实施方案中，本专利技术的方法还包括如下步骤，即，分析粒子检测识别标志以提供对粒子 的一个特征诸如粒子的尺寸、形状和/或物理尺寸(例如，直径、半径、厚度、长度、宽度、空 气动力直径等)的指示或测量。如本领域技术人员将能理解的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于检测在流体流中的粒子的方法，所述方法包括下列步骤：提供具有所述粒子的所述流体流，所述流具有一流向；将所述流体流曝露于电磁辐射束，其中，在所述粒子和所述辐射束之间的相互作用生成散射或发射的电磁辐射；将所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分导引到被设置在一个二维检测器阵列中的多个检测器元件上；检测被导引到所述多个检测器元件上的所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述阵列的所述检测器元件的至少一部分生成相应于所述散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；为所述阵列的所述检测器元件的至少一部分测量输出信号；且识别粒子检测识别标志，其包括多个检测器元件的多个输出信号的图案，其中所述多个检测器元件均具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号；从而检测在所述流体流中的所述粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J米切尔，J桑贝格，DA塞尔，M威廉森，D赖斯，
申请(专利权)人：粒子监测系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]