用于粒子检测的二维光学成像方法和系统的制作方法
专利名称：用于粒子检测的二维光学成像方法和系统的制作方法
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。
背景技术：
本发明属于光学粒子分析仪领域。本发明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。本发明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。
发明内容
本发明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。本发明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)。本发明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)。本发明的系 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，本发明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发明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。基于本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明的方法和系统不要求收集或检测从粒子所 散射或发射的电磁辐射的全部，甚至也不要求收集或检测其大部分。对由所关注粒子所散 射或发射的电磁辐射的一部分或甚至一小部分的检测，足以实践本发明的方法。例如，检测 从本发明的粒子所散射或发射的足够量的电磁辐射，包括检测一份强度基本大于被导引到 或成像到本发明的二维检测器上的背景电磁辐射水平的电磁辐射。在本说明书的上下文中，“输出信号”指的是二维检测器的检测器阵列的单个检测 器元件的信号，例如来自一个检测器元件的相应于所检测的电磁辐射的强度值的信号。输 出信号包括在时间上被平均的检测器元件输出信号、积分检测器元件输出信号、已减去背 景分量的输出信号，以及受过其他信号处理(例如数据平滑等)的输出信号。在一个实施 方案中，例如，每个输出信号中的背景值均已被减去。在许多情况下，从输出信号中减去的背景值在该二维阵列中的一检测器元件之间 是有变化的。如此处所用，表述“背景值”或仅仅是“背景”，指的是检测器元件在没有来自所 关注粒子所散射和/或发射的电磁辐射的检测环境下的输出信号。相应于背景值的这种检 测环境包括(i)没有所关注粒子和电磁辐射束相互作用的检测环境，和/或(ii)其中，确 有粒子和电磁辐射束相互作用，但检测器元件在阵列中的位置使得检测器元件未检测到来 自该粒子所散射和/或发射的电磁辐射，的检测环境。表述“背景值”和“背景”包括在没有 来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下，相应于一检测元件的多个输出信 号的平均输出信号值、中值输出信号值或算术平均输出信号值，例如在这样的检测环境下 相应于20-1000个输出信号测量值的平均值、中值或算术平均值，而在某些实施方案中相 应于在这样的检测环境下的200-500个输出信号测量值的平均值、中值或算术平均值。例 如，在某些实施方案中的背景值相应于在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的 检测环境下的20-200个强度测量值的平均值，且因此可被视为单个检测器元件的“稳定状 态”强度值。在某些实施方案中，从输出信号中减去的背景值随着检测器元件在阵列中的位置 和/或其它实验条件(例如，光源的强度和光束轮廓、流体的组分等)而变化。在某些实施 方案中，从输出信号中减去的背景值在粒子分析期间不断地更新。例如，在一个实施方案 中，通过测量和处理来自不接收由粒子检测事件所引起的散射或发射的电磁辐射的检测器 元件的输出信号，不断地更新背景值。如本领域技术人员将理解的，即使在粒子检测事件期 间，也只有一小部分检测器元件可接收和检测从粒子所散射或发射的电磁辐射，从而允许 该阵列中的其他检测器元件的背景值在本发明的某些方法和系统中持续地更新。粒子检测识别标志包括，来自下述的多个单独检测器元件(例如二维检测器阵列 的像素元件)的多个输出信号的图案，所述单独检测器元件满足这样的判据，即具有大于 为该阵列中的给定检测器元件预选择的阈值的输出值。因此，来自该阵列的不符合所述的 与阈值有关的判据的检测器元件的输出信号，不是组成粒子检测识别标志的输出信号的图案的分量。为此，本发明的方法和系统的粒子检测识别标志被称为依赖于阈值的，表述“高 于阈值”具体指的是具有超过阈值的输出信号值的检测器元件。在本发明的某些实施方案 中，针对阵列中的单独检测器元件的阈值是相同的。然而本发明包括这样的实施方案其 中针对阵列的单独检测器元件的阈值中至少有一些是不同的。本发明包括这样的方法和系 统，例如，其中，阈值随着给定检测器元件在阵列中的位置而变化。例如，在一个实施方案 中，阈值得自相应于该阵列的单独检测器元件(例如，二维检测器的像素)的实际噪声测量 值。由于光源(例如激光)的空间不均勻强度轮廓、光学池(optical cell)的几何形状、 和该系统中的光学元件(例如，透镜、窗口等)的光学性质，以及其他因素，这种噪声测量值 通常在一个检测器元件和另一个检测器元件之间有所不同。本发明的阈值可随系统参数诸 如电磁辐射束的强度和/或检测器增益而变化。本发明包括这样的方法和系统，其中对于一给定检测器元件的阈值得自阵列中的 给定检测器元件的噪声测量值和/或在没有所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的情况 下，阵列中的给定检测器元件的输出信号值的测量值(例如，所测量的背景值)。通过使用 大于对给定检测器元件所测量的噪声水平的标准差的阈值，或大于对给定检测器元件所测 量的背景值的标准差的阈值，可从来自背景流体的分子散射、检测器噪声或由粒子散射或 发射之外的一些过程所产生的检测器信号区分出粒子检测事件，并且也可检测具有非常小 的物理尺寸(例如，直径小于100纳米)的粒子。例如，在一个实施方案中，阵列中一个给定 检测器元件的阈值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，或者等于或大于在 没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下检测器元件的输出信号(例 如，该检测器元件的背景值)的标准差的2. 5倍。可选地对于某些实施方案，一给定检测器 元件的阈值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的3倍，或者等于或大于在没有来自 所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下该检测器元件的输出信号(例如，该检 测器元件的背景值)的标准差的3倍。可选地对于某些实施方案，一给定检测器元件的阈 值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的5倍，或者等于或大于在没有来自所关注的 粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下该检测器元件的输出信号(例如，该检测器元 件的背景值)的标准差的5倍。例如，在一个实施方案中，一给定检测器元件的阈值等于 该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍至7倍，或者等于在没有来自所关注的粒子所散射 或发射的电磁辐射的检测环境下所述检测器元件的输出信号(例如，该检测器元件的背景 值)的标准差的2. 5倍至7倍，且可选地对于某些实施方案，一给定检测器元件的阈值等于 该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍至5倍，或者等于在没有来自所关注的粒子所散射 或发射的电磁辐射的检测环境下所述检测器元件的输出信号(例如，该检测器元件的背景 值)的标准差的2. 5倍至5倍。在本发明的某些方法和系统中，阈值靠经验确定，例如，通过测量给定检测器元件 在没有来自所关注的粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下作为时间的函数的输出 信号值(例如，背景值)，并且计算该阵列中的单独检测器元件的噪声。如此处所用，表述 “噪声水平”或仅仅“噪声”，指的是在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测 环境下所述检测器元件的输出信号和该检测器元件的平均背景值、中值背景值或算术平均 背景值之间的差。因此，在某些实施方案中，噪声或噪声水平是对所述阵列中的一给定检测 器元件的一系列背景值测量结果的变化的度量。二维检测器的单独检测器元件的噪声可通过测量该检测器元件的作为时间的函数的背景值而确定。如此处所用，标准差指的是所测 量的参数(例如噪声、背景值，或在没有来自粒子的散射或发射的辐射时的输出信号)与其 算术平均值之间的均方根(RMS)偏差，或者指的是所测量的参数的方差的平方根。例如，在 一个实施方案中，标准差(ο )是使用下列表达式确定的
其中N是为一给定检测器元件所测量的噪声测量值、背景值或其他信号值的数 量，Xi指的是为一给定检测器元件所测量的单独噪声测量值、背景值或其他输出信号值，而 〒是为一给定检测器元件所测量的噪声测量值、背景值或输出信号值的算术平均值。或者， 在某些实施方案中阈值是理论上被确定的，例如使用从头计算(abinitio)方法以预测/表 征检测器噪声和其他检测器性质。本发明的粒子检测识别标志是由相应于包含有所述粒子检测识别标志的输出信 号的图案的一个或两个维度的形状、纵向尺寸和/或横向尺寸的几何分量所表征的。如本 文中所用，所述几何形状包括包含有粒子检测识别标志的输出信号的图案的一维或二维空 间分布。几何识别标志的多个输出信号各自均被指派给在检测器阵列中具有明确限定的位 置的多个特定检测器元件。相应地，在本说明书的上下文中，输出信号的空间分布或图案形 状指的是粒子检测识别标志的输出信号各自所分配到的检测器元件的空间分布或形状。在 某些实施方案中，几何形状具有纵向分量，其相应于沿着所述粒子检测识别标志的纵向维 度而设置的一系列邻近的或直接邻近的检测器元件；和/或具有横向分量，其相应于沿着 所述粒子检测识别标志的横向维度而设置的一系列邻近的或直接邻近的检测器元件。在一 个实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有一几何形状，其由来自3个或更多个纵向 相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号值来表征，而在一些实施方案中，所述 粒子检测识别标志具有由来自5个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的输出信号 值来表征的几何形状。在一个实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有由来自2个或 更多个横向相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号值来表征的几何形状，而 在一些实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有由来自4个或更多个横向相邻、直接 邻近的检测器元件的输出信号值来表征的几何形状。检测器像素元件的强度值通常部分地取决于粒子的特定特征诸如光学性质、物理 尺寸和/或样本穿过电磁辐射束的流速，以及粒子检测系统的具体设计和各种操作参数， 其包括物理尺寸、强度分布以及电磁辐射束的形状，以及用于将电磁辐射的至少一部分导 引到检测器阵列上的光学器件的设计。相对地，粒子检测识别标志的几何形状通常很大程 度上和粒子大小或形状无关。因此，所测量的粒子检测识别标志的形状在本发明中被用于 从来自背景流体的分子散射、检测器噪声或在粒子光学散射或发射之外的一些过程中出现 的检测器信号区分出相应于源自粒子检测事件的散射或发射的检测器阵列输出信号。对相 应于粒子检测识别标志的像素的强度值的分析，也可以在本方法和系统中被用于提供穿过 电磁辐射束的粒子的大小、物理尺寸和数量的测量值。本发明包括使用具有如下多种形状 的粒子检测识别标志，所述形状包括矩形、椭圆形、圆形、方形、三角形或这些形状的任意组
I=I O
10
在一个用于抑制发生伪计数以及用于检测具有小物理尺寸(例如小于10微米) 的粒子的实施方案中，本发明的方法和系统生成一种具有细长形状的粒子检测识别标志， 所述细长形状例如为基本矩形的形状。此方面的粒子检测识别标志的细长性质，至少部分 地由粒子被物理地传送(例如，在流体流中传送)通过电磁辐射束时所发生的散射过程引 起。因此，细长的粒子检测识别标志的纵向尺寸至少部分地相应于穿过辐射束的粒子的流 向和轨迹。本发明包括这样的实施方案，其中，被传输通过辐射束的粒子的流率和轨迹是明 确限定的参数，以便生成细长的粒子检测识别标志，例如基本矩形的粒子检测识别标志，其 具有明确限定的、可再生的随粒子大小而变的纵向尺寸，诸如来自纵向相邻的、直接邻近的 检测器元件的至少3个高出阈值的输出信号。本发明的方法包括，为相应于一细长尺寸的 几何识别标志的纵向分量确定多个检测器元件。在某些实施方案中，本发明的方法和系统生成粒子检测识别标志，其包含来自该 阵列的邻近检测器元件——包括直接邻近的检测器元件——的多个输出信号的图案。在本 说明书的上下文中，表述“邻近(neighboring) ”指的是彼此放置在5个检测器元件以内的 检测器元件，而表述“直接邻近(directly neighboring)的检测器元件”指的是在阵列中 被放置为直接彼此相邻的检测器元件。邻近的和直接邻近的检测器元件可以是纵向相邻的 或横向相邻的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志包括来自至少2个邻近的检测 器元件的输出信号，而在某些实施方案中，其包括来自至少2个直接邻近的检测器元件的 输出信号。在一个实施方案中，粒子检测识别标志包括来自2至20个邻近的检测器元件的 输出信号，而在一些实施方案中，其包括来自2至20个直接邻近的检测器元件的输出信号。 在一个实施方案中，粒子检测识别标志包括来自2至7个邻近的检测器元件的输出信号，而 在一些实施方案中，其包括来自2至7个直接邻近的检测器元件的输出信号。可用于某些实施方案的粒子检测识别标志的几何形状，还可从纵向分量和/或横 向分量方面来表征。如此处所用，粒子检测识别标志的“纵向分量”或“横向分量”相应于 多个相邻的、可选地是直接相邻的具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的检 测器元件，所述检测器元件沿着所述粒子检测识别标志的选定轴线或维度——诸如纵向维 度或纵轴或横向维度或横轴——彼此相邻地布置。例如，本发明的有用的粒子检测识别标 志包括检测器元件的图案，所述检测器元件包括沿着粒子检测识别标志的纵向维度或横向 维度延伸的一系列直接邻近的检测器元件。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志的输出信号的图案的形状具有相应于 一系列相邻的或直接相邻的检测器元件的纵向分量，所述一系列相邻的或直接相邻的检测 器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号，所述检测器元件沿着所述粒子 检测识别标志的纵向维度布置。在此方面的某些实施方案中，所述纵向分量相应于所述散 射或发射的电磁辐射沿着流体的流向的强度分布。在为某些应用优选的一个实施方案中， 例如，所述纵向分量包括来自2至20个之间的邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号， 可选地包括来自2至20个之间的直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在一个 实施方案中，粒子检测识别标志的输出信号的图案具有被定向为与所述纵向分量正交的横 向分量。例如，在为某些应用优选的实施方案中，所述横向分量包括来自2至10个之间的 邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号，可选地包括来自2至10个之间的直接邻近的检 测器元件的高于阈值的输出信号。
本发明的某些方法和系统的粒子检测识别标志，是由输出信号值的一维或二维空 间分布所表征的，所述输出信号值如相应于由该阵列中的多个单独检测器元件接收到的符 合粒子检测识别标志的阈值判据的散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号值。粒子检 测识别标志的这种强度分布可以在本方法和系统中被分析以提供对粒子特性的确定或测 量，所述粒子特性例如粒子的形状、外形和/或物理尺寸(直径、半径、厚度、长度、宽度、空 气动力直径等)。所测量的粒子检测识别标志的强度分布也可用在本发明中以从来自背景 流体的分子散射、检测器噪声或在粒子光学散射或发射之外的一些过程中所产生的检测器 信号中区分出相应于来自所关注粒子的散射或发射的检测器阵列输出信号。对强度分布 分量(例如，一维或二维强度分布)的分析，可以通过本发明中的如下多种分析技术来实 现，所述分析技术包括但不限于图案识别分析、图像阈值分析和/或图像形状分析。在一 个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过计算所述检测识别标志或所述识别标志的一 部分——例如涵盖了所述检测识别标志的最大输出信号的一部分——的输出信号的平均 值而被分析的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过计算所述检测识别标志 或所述识别标志的一部分——例如涵盖了所述检测识别标志的输出信号的最大强度值的 一部分——的输出信号的积分强度值而被分析的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别 标志是通过如下过程被分析的，即，确定所述检测识别标志或所述识别标志的一部分的输 出信号的加权强度中心，并且可选地确定相应于所述加权强度中心的检测器元件的输出信 号，或确定相应于围绕并包括相应于所述加权强度中心的检测器元件的输出信号的多个输 出信号的分布的平均强度。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过确定相应于 所述检测识别标志的检测器元件的大小、形状和/或数量而被分析的。在一个实施方案中，通过识别具有至少3个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的 粒子检测识别标志来检测粒子，而在某些实施方案中，从3至100个纵向相邻、直接邻近的 检测器元件来检测粒子。在此方面，对粒子检测识别标志的识别提供了一种有效地识别粒 子检测事件的手段，从而允许例如针对大小对粒子进行计数和分析。在某些实施方案中，所 检测的粒子的特征——例如粒子大小——是接下来通过分析所述粒子检测识别标志而被 确定。例如，在一个实施方案中，所述分析包括确定所述粒子检测识别标志的最大输出信号 值的步骤。例如，在一个实施方案中，所述分析包括确定包含有所述粒子检测识别标志的输 出信号的平均输出信号值的步骤。在一个实施方案中，例如，所述分析包括如下步骤，即，确 定包含有所述粒子检测识别标志的输出信号的至少一部分——在某些实施方案中是其全 部——的积分输出信号值。在一个实施方案中，例如，所述分析包括确定包含有所述粒子检 测识别标志的输出信号的至少一部分——在某些实施方案中是其全部——的输出信号值 的加权中心。可选地，此方面的方法和系统还包括识别与相应于所述加权中心的输出信号 相对应的输出信号值和/或检测器元件。可选地，此方面的方法和系统还包括识别与相应 于包括加权中心的多个相邻的、直接邻近的检测器元件的多个输出信号相对应的平均输出 信号值和/或积分输出信号值，所述多个输出信号例如来自围绕所述加权中心的多个相邻 的、直接邻近的检测器元件的多个输出信号。例如，在一个实施方案中，所述分析步骤包括 确定相应于围绕着所述加权中心的10个或更多个输出信号值——或者可选地相应于围绕 着所述加权中心的20个或更多个输出信号值——的积分输出信号值。例如，在一个实施方 案中，所述分析步骤包括确定相应于围绕如下加权中心的多个输出信号值的积分输出信号值或平均输出信号值，所述加权中心相应于由阵列中的一个3-10行乘7-15列的检测器元 件阵列所表征的一个相邻的、直接邻近的检测器元件阵列。在此方面的方法中，输出信号 值、平均输出信号值、积分输出信号值或这些的任意组合，均被用于确定粒子的大小，例如 使用算法、经验或计算的参考值的表格，或其他将输出信号值、平均输出信号值、积分输出 信号值与粒子大小相关的对象。本发明包括这样的方法和系统其中对粒子检测识别标志 的分析是通过执行如上所述的多个步骤、过程和方法而实现的。在一个实施方案中，本发明的方法还包括下列步骤(i)提供具有预定大小的参 考粒子的流体流；(ii)将具有所述参考粒子的流体流曝露于电磁辐射束，其中在参考粒子 和所述辐射束之间的相互作用产生来自所述参考粒子所散射或发射的电磁辐射；(iii)将 来自所述参考粒子所散射或发射的电磁辐射的至少一部分导引到二维检测器的有效区域 的检测器元件的阵列之上，(iv)检测被导引到多个所述检测器元件上的来自所述参考粒子 所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件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；以及(ν)为该阵列的检测器元件的至少 一部分测量输出信号，从而生成由所述参考粒子所散射的电磁辐射的强度的参考粒子检测 识别标志，所述参考粒子检测识别标志包括检测器元件的输出信号的参考图案。在一个实 施方案中，识别和/或分析粒子检测识别标志的步骤包括将粒子检测识别标志的输出信号 的图案和参考粒子检测识别标志进行比较。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，包括 下列步骤(i)提供具有该粒子的流体流；(ii)将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)检测所散 射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件的至少一部分产生相应于 所散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；(ν)确定该阵列的检测器元件的一个子集， 该子集包括多个检测器元件，其中该子集的每个检测器元件具有一个大于或等于给定检测 器元件的阈值的输出信号；(Vi)仅将该子集的输出信号传输到处理器；以及(Vii)分析被 传输到该处理器的输出信号，从而检测该粒子。在此方面的某些方法中，所述检测器元件被 预过滤使得仅传输和处理那些超过检测器元件的阈值的输出信号，可选地还有来自邻近的 和/或直接邻近的检测器元件的输出信号。在本发明的某些方法中，所述确定步骤包括分 析所述二维检测器的检测器元件的输出信号；并且识别具有大于给定检测器元件的阈值的 输出信号的检测器元件。如此处所用，术语“子集”指的是所述二维检测器(诸如CMOS检 测器)的检测器元件的一部分但不是全部，而在某些实施方案中指的是那些检测从粒子所 散射或发射的电磁辐射的检测器元件。在某些方法中，该子集包括阵列的至少3个邻近的 或直接邻近的检测器元件，或者该子集包括阵列的至少10个邻近的或直接邻近的检测器 元件。在某些方法中，该子集包括阵列的2至7个邻近的或直接邻近的检测器元件，且可选 地，该子集包括阵列的2至20个邻近的或直接邻近的检测器元件。在一个实施方案中，所 述子集还包括0到50个或可选地1到50个邻近的或直接邻近的检测器元件，每个所述检 测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。在此方面的一个实施方案中，所述阵列的检测器元件的输出信号是已处理的信 号，例如，对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出信号均已被减去了背景值。在此方
13面的一些实施方案中，每个被减去的背景值相应于对于该阵列中的给定检测器元件在没有 所关注粒子被提供给辐射束的检测环境下的平均输出信号。在一个实施方案中，所述最小 阈值对于阵列中不同的检测器元件而言是不同的。例如在一个实施方案中，阵列中给定检 测器元件的阈值等于或大于该阵列中给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，且可选地 阵列中给定检测器元件的阈值等于该阵列中给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5至7 倍。在一个实施方案中，此方面的方法还包括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的步骤。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，其包 括下列步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将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)检测所散射 或发射的电磁辐射的至少一部分；(ν)产生多个检测帧，其中每个检测帧包括在给定时间 间隔内的检测器元件的多个输出信号；(Vi)将具有相应于所散射或发射的电磁辐射的检 测强度的输出信号的多个检测帧组合，以生成粒子检测事件的合成图像；(Vii)分析该合 成图像，从而检测所述粒子。如此处所用，合成图像指的是由多个检测巾贞一或者是相应于 单个粒子检测事件的多个检测帧一的输出信号的至少一部分的组合所引起的数据点的 合成。例如，在某些实施方案中，来自粒子的散射或发射是在多个检测帧上被捕获的，且来 自每个帧的输出信号的至少一部分被组合以产生来自该粒子的散射的合成图像。在某些实 施方案中，该合成图像被分析以确定所述粒子的大小或其他物理尺寸。如此处所用，“检测 帧”指的是所述二维检测器的至少一部分的多个输出信号，且可选地来自所述二维检测器 的子阵列或所述二维检测器的检测器元件的子集。以此方式，检测帧相应于由含有粒子的 流体所散射、发射或传输的电磁辐射的多个单独的测量值。此实施方案的方法还包括识别具有相应于由该粒子所散射或发射的电磁辐射的 检测强度的输出信号的检测帧。在某些实施方案中，检测帧以0. 5kHz至20kHz的速率生 成，且可选地对于某些应用是以0. IkHz至2kHz的速率。在某些方法中，每个检测帧相应于 50μ s至2ms的时间间隔。在一个实施方案中，组合1至100个检测帧以生成所述合成图 像，且可选地对于某些应用，组合1至20个检测帧以生成所述合成图像。此实施方案的一 些方法还包括从每个所述检测帧中减去一个参考帧。如此处所用，术语“参考帧”指的是该 阵列(或该阵列的子集或其子阵列)中的多个检测器元件的多个背景输出信号，其中每个 背景输出信号是该阵列中的给定检测器元件在没有所关注粒子被提供给辐射束的检测条 件下的平均输出信号。这样，参考帧相应于当没有所关注的粒子时、由流体和/或光学粒子 计数系统所散射、发射或传输的电磁辐射的多个单独的测量值。在一个实施方案中，所述参 考帧是相应于在没有所关注粒子的检测环境下的50至200个单独帧的平均值，从而代表了 该阵列或其子集或子阵列中的每个检测器元件的稳定状态值。从检测帧减去一个参考帧允 许对如下小粒子进行检测并确定其大小所述小粒子在某些环境下产生的散射或发射的光 信号少于检测器元件的稳定状态值。可选地，在某些方法中不断地更新所述参考帧。此实 施方案的方法还包括，将所散射或发射的电磁辐射的至少一部分成像到该阵列的检测器元 件上。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，其包括下列步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒 子和该辐射束之间的相互作用产生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)使用 二维检测器的子阵列检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述子阵列的检测 器元件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；(V)仅将相 应于该子阵列或其一部分的检测器元件的输出信号传输给处理器；以及(Vi)分析被传输 到该处理器的输出信号，从而检测该粒子。如此处所用，术语“子阵列”指的是二维检测器 阵列的一部分。利用来自子阵列的输出信号的本发明的方法，具有非常迅速地读出二维检 测器的有效区域的缩小区域的能力，从而实现在对粒子进行计数和确定粒子大小方面的高 频和高灵敏度的测量。在一个实施方案中，例如，所述子阵列包括所述二维检测器的检测 器元件的0. 2%至25%，可选地所述子阵列包括所述二维检测器的检测器元件的0. 2%至 10%。在一个实施方案中，例如，所述子阵列包括32x176个检测元件，且可选地对于某些应 用是64x576个检测元件。在一个实施方案中，所述二维检测器具有400000至1300000个 检测器元件，且可选地是CMOS检测器。此实施方案的一个方法还包括，将所散射或发射的 电磁辐射的至少一部分成像到该阵列的检测器元件上。在一个实施方案中，本发明提供了用于检测流体流中的粒子的方法，其包括下列 步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒子和该 辐射束之间的相互作用生成散射或发射的电磁辐射；(ii)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；(iii)使用所述 二维检测器的子阵列检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述子阵列的检测 器元件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；(iv)确定 该子阵列的检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中所述子集的每个 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；(ν)仅将该子集的输出 信号传输到处理器；以及(vi)分析被传输给该处理器的输出信号，从而检测所述粒子。在 一个实施方案中，所述检测步骤包括分析所述子阵列的输出信号；并且识别该子阵列中具 有大于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元件。在一个实施方案中，所述子集还 包括0到50个邻近或直接邻近的检测器元件，它们中的每个都具有大于或等于给定检测器 元件的阈值的输出信号。此实施方案的方法还包括，将所散射或发射的电磁辐射的至少一 部分成像到该阵列的检测器元件上。本发明还提供了基于光学成像的粒子检测系统，包括光学粒子计数器和分析仪， 其能够识别和分析源自来自粒子的光学散射或发射的光学检测识别标志。本发明的此方面 的光学粒子分析仪包括(i) 一个光源，用于生成电磁辐射束；(ii) 一个室，用于使含有粒 子的流体流过电磁辐射束，从而生成散射或发射的电磁辐射，其中所述流体流是通过流向 表征的；(iii)光收集系统，用于收集所散射或发射的电磁辐射的至少一部分并将其导引 到二维检测器阵列的多个检测器元件上，其中该阵列的检测器元件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；以及(iv) —处理器，其可操作连接到所述 二维检测器，能够识别包括检测器元件的多个输出信号的图案的粒子检测识别标志，每个 检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。在一个实施方案中，该处 理器还能够分析粒子检测识别标志的形状和/或粒子检测识别标志的输出信号的强度，以提供对粒子的特征诸如大小、形状和/或物理尺寸的指示。在本发明的此方面的某些系统 中，用于收集并导引所散射或发射的电磁辐射的至少一部分的光收集系统包括收集光学器 件，诸如透镜系统，其用于将所散射或发射的电磁辐射的至少一部分成像到所述二维检测 器的有效区域上。在本发明的一种方法中，流体流是含有粒子的液体流。在本发明的一种方法中， 流体流是含有粒子的气体流。在本发明的多个实施方案中，选择特定系统部件和规格的组 合以便生成来自粒子散射事件的、具有可再生的和易识别的特征的粒子检测识别标志，所 述特征如明确限定的几何形状和/或强度分布。在一个具体实施方案中，例如粒子通过辐 射束的轨迹的长度选自0. 01毫米至0. 150毫米的范围。在一个具体实施方案中，例如，二 维检测器具有从在一侧上的3微米到在一侧上的50微米的像素尺寸(检测器元件大小)。 在一个具体实施方案中，例如，所述二维检测器的阵列具有在0. 1平方毫米至5平方厘米的 范围内的有效区域。在一个具体实施方案中，例如，所述流体流被提供为具有1厘米每秒至 200厘米每秒的范围内的流速。在一个具体实施方案中，例如，所述信号的强度轮廓反映了 所述激光束的强度轮廓。本发明的分析仪包括容积型光学粒子计数器和分析仪，用于检测和/或表征在样 本的整个容积内的粒子。然而，本发明也包括非容积型光学粒子计数器和分析仪，用于检测 和/或表征在样本容积的一部分中的粒子。在另一方面，本发明提供了一种用于抑制在光学粒子分析仪中的伪检测事件的方 法，其包括下列步骤(i)将具有粒子的流体流提供给光学粒子计数器；(ii)将该流体流曝 露于电磁辐射束，其中在具有粒子的流体流和辐射束之间的相互作用生成散射或发射的电 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光学粒子分析仪的被设置 在一个二维检测器阵列中的多个检测器元件上，(i ν)检测来自所述粒子的被导引到所述 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，其中所述阵列的检测器元件 的至少一部分产生相应于所散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；(ν)为所述阵列的 检测器元件的至少一部分测量输出信号；以及(Vi) —旦识别了如下粒子检测识别标志就 感测(sense)粒子检测事件，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，其中每个检测器元件都具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号，从而 抑制在光学粒子分析仪中的伪检测事件。在此方面的一个具体实施方案中，粒子检测识别 标志包括具有细长形状的检测器元件的输出信号的图案，且在某些实施方案中包括来自至 少3个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在此方面的一个具体实 施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号 的至少2个邻近检测器元件的输出信号的图案，而在某些实施方案中，其包括具有大于或 等于给定检测器元件的阈值的输出信号的至少2个直接邻近的检测器元件的输出信号的 图案。在此方面的一些实施方案中，输出信号的图案包括来自沿着粒子检测识别标志的纵 向维度设置的至少2个邻近检测器元件——可选地是直接邻近的检测器元件——的输出信 号。在另一方面，本发明提供了一种在光学粒子分析仪中将粒子检测事件和其他电磁 辐射生成或检测过程区分开来的方法，所述方法包括下列步骤(i)将具有粒子的流体流 提供给光学粒子计数器；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在具有粒子的流体流和辐射束之间的相互作用产生散射或发射的电磁辐射；(iii)将所散射或发射的电磁辐射的 至少一部分导引到所述光学粒子分析仪的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、来自所述粒子所散射或发射的电磁 辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件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；(V)为所述阵列的检测器元件的至少一部分测量输出信号； 以及(Vi) —旦识别了包括如下检测器元件的多个输出信号的图案的粒子检测识别标志， 就感测粒子检测事件所述检测器元件中的每一个均具有大于或等于给定检测器元件的阈 值的输出信号，其中所述粒子检测识别标志包括来自沿纵轴放置的至少3个直接邻近的检 测器元件的输出信号，从而在光学粒子分析仪中将粒子散射事件和其他电磁辐射生成或检 测过程区分开来。在此方面的具体实施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有细长形状 的检测器元件的输出信号图案，而在一些实施方案中包括来自至少3个纵向相邻、直接邻 近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在此方面的一个具体实施方案中，所述粒子检测 识别标志包括具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的、至少2个邻近的检测 器元件的输出信号的图案，而在某些实施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有大于或 等于给定检测器元件的阈值的输出信号的、至少2个直接邻近的检测器元件的输出信号的 图案。在此方面的某些实施方案中，输出信号的图案包括来自沿着所述粒子检测识别标志 的纵向维度设置的至少2个邻近检测器元件——可选地为直接邻近的检测器元件——的输 出信号。不希望被任何具体理论所束缚，此处可以存在和本发明有关的深层原理的信念或 理解的讨论。应承认，无论任何机制上的解释或假说的最终正确程度如何，本发明的实施方 案都仍然可以是可操作的且是有用的。
图IA提供了本发明的一个基于二维成像的可用于检测和/或表征液体样本中的 粒子的粒子计数器的示意图。图IB提供了本发明的一个基于二维成像的提供了对液体样 本中的粒子的体积分析的粒子计数器的示意图。图2A和2B提供了基于二维成像的粒子计数器100的成像检测组件的顶视平面 图。图2A示出了一个光学几何图形的示意图，其中经成形的电磁辐射束110的横截面轮廓 的长轴被定向为平行于流体的流向(由箭头示意性示出)，而图2B示出了一个光学几何图 形的示意图，其中经成形的电磁辐射束110的横截面轮廓的长轴被定向为正交于流体的流 向(由箭头示意性示出)。图3提供了一个流程图，其用于本发明的使用图1和2的基于二维成像的粒子计 数器来检测和可选地表征流体中的粒子的特定方法中。图4A示出了描绘来自被提供给本发明的系统的粒子的所散射的电磁辐射的二维 图像的方框图。在图4A中示出的栅格单元是相应于CCD检测器的单个像素元件的检测器 元件。图4B示出了图4A中所示的粒子检测识别标志530的放大视图。图5A和5B提供了示例实验数据，其示出了与本发明的方法和系统中的确立阈值 有关的二维检测器阵列的检测器元件的噪声分布。图6示出了对于一个图像分析条件范围，伪计数率相对于阈值(以标准差的噪声的倍数表示)的曲线图。图7A和7B示出了用于本发明的利用二维阵列检测器和非正交检测几何图形的基 于成像的检测的光学几何图形。图7A提供了顶视图，图7B提供了侧视图。图8示出了穿过激光的在检测器上形成散射光迹(light streak)的粒子。图9示出了穿过激光的不同空间区域、在检测器的不同空间部分上形成散射光迹 的粒子。图10提供了当没有粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的流体池的散射辐射 强度图案。图11将图10的数据以三维强度图给出。图12提供了当存在单个粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的流体池的散射 辐射强度图像。图13以三维强度图示出了来自图12的数据。图14以三维强度图示出了已减去背景的图像。图15提供了当存在IOOnm和70nm的粒子时由二维检测器阵列所观察到的流体池 的原始的(即，未减去背景的)散射辐射强度图像。图16提供了当存在粒子时由二维检测器阵列所观察到的流体池的一系列已减去 背景的散射辐射强度图像。图17示出了在仅存在IOOnm粒子(左图)、和同时存在70及IOOnm粒子(右图) 时所检测的粒子大小分布。图18提供的数据示出了，对于50、70、80和IOOnm大小的粒子，所散射的辐射信号
和粒子大小的关系。图19提供了二维的和三维的已减去背景的散射辐射强度轮廓。图20提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图21提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图22提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图23提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。
具体实施例方式总体上，此处使用的术语和词组具有其在本领域公知的含义，这些含义可以通过 参照标准文本、期刊文献和本领域技术人员公知的文本而找到。下列限定被提供以澄清它 们在本发明的上下文中的具体使用。表述“粒子检测识别标志”和“检测识别标志”指的是包括检测器元件的多个输出 信号的图案，每个所述检测器元件具有的输出信号大于或等于二维光学检测器的检测器阵 列的一个给定检测器元件的阈值。本发明的粒子检测识别标志是通过对由粒子所散射或发 射的电磁辐射的二维检测而生成的。粒子检测识别标志具有可用于准确检测和/或表征粒子的几何形状和/或强度分布分量。本发明的粒子检测识别标志可藉由纵向分量和/或横 向分量进行表征。“流向”指的是当流体流动时与大量流体正在移动的方向相平行的轴。对于流经直 的流体池的流体，流向平行于大量流体前进的路径。对于流经弯曲流体池的流体，流向可被 视为和大量流体前进的路径相切。“辐射束传播轴”指的是和电磁辐射束的行进方向平行的轴。“横截面轮廓”指的是由在与传播轴或行进轴成直角地切过一个对象的平面所形 成的轮廓。例如，电磁辐射束的横截面轮廓就是由和辐射束传播轴垂直的平面所形成的辐 射束轮廓。流体池的横截面轮廓是由和流向垂直的平面所形成的流体池的轮廓。“长轴”指的是与一个形状的最长的轴相平行的轴。例如，椭圆的长轴平行于椭圆 最长的直径，而矩形的长轴平行于矩形的长边。“短轴”指的是和一个形状的最短的轴平行的轴。例如，椭圆的短轴平行于椭圆的 最短直径，而矩形的短轴平行于矩形的短边。“光通信”指的是对组件进行定向，使得组件被布置为允许光或电磁辐射在组件之 间传播。“光轴”指的是电磁辐射传播穿过系统所沿的方向。“二维检测器”指的是这样的检测器，其能够在检测器的有效区域中在两个方向 上空间地解析输入信号(例如，电磁辐射)。二维检测器能够生成一个图像，例如相应于 检测器的有效区域上的强度图案的图像。优选的二维检测器包括单独的检测元件或像素 的阵列，例如光电检测器的二维阵列、电荷耦合器件(CCD)检测器、互补金属氧化物半导 体(CMOS)检测器、金属氧化物半导体(MOS)检测器、有源像素检测器、微通道板检测器、光 电倍增管的二维阵列、光电二极管的二维阵列、光电晶体管的二维阵列、光敏电阻的二维阵 列，或者光导薄膜。“光源”指的是能够将电磁辐射发送到样本的设备或设备组件。此术语不限于可 见辐射，例如可见光束，而应在广义上用于包括任意电磁辐射。光源可被实施为激光器或激 光器阵列，举例而言，比如二极管激光器、二极管激光器阵列、二极管激光泵浦固态激光器、 LED、LED阵列、气相激光器和固态激光器。术语“电磁辐射”和“光”在本说明书中被同义使用，且指的是电场和磁场的波。可 用于本发明的方法的电磁辐射，包括但不限于紫外光、可见光、红外光，或波长介于大约100 纳米至大约15微米之间的所述这些辐射的任意组合。表述“检测粒子”宽泛地指感测粒子、识别粒子的存在和/或表征粒子。在某些实 施方案中，检测粒子指的是对粒子计数。在某些实施方案中，检测粒子指的是表征和/或测 量粒子的物理特征，诸如直径、横截面尺寸、形状、尺寸、空气动力学粒径、或这些物理特征 的任意组合。“粒子”指的是通常被视为污染物的小对象。粒子可以是由摩擦行为产生的任何 材料——例如当两个表面机械接触且有机械运动时。粒子可由材料的聚集体组成，所述材 料诸如尘土、灰尘、烟、灰、水、煤烟、金属、矿物质，或这些或其他材料或污染物的任何组合。 “粒子”也可以指生物粒子，例如，病毒、孢子以及微生物，包括细菌、真菌、古生菌、原生生 物、其他单细胞微生物，特别是具有大约1-15 μ m大小的微生物。粒子可指吸收或散射光从而可被光学粒子计数器检测到的任何小的对象。如此处所用，“粒子”意在排除载体流体的 单个原子或分子，例如水分子、氧分子、氦原子、氮分子等等。本发明的一些实施方案能够对 如下粒子进行检测、确定大小和/或计数，所述粒子包括具有大于10nm、20nm、30nm、50nm、 ΙΟΟηπκδΟΟηπκΙμπι或更大，或者10 μ m或更大的尺寸的材料的聚集体。具体的粒子包括具 有如下尺寸的粒子，所述尺寸选自20nm、30nm至50nm、50nm至50μπι，选自IOOnm至10 μ m， 或者选自500nm至5μπι。术语“气溶胶光学粒子计数器”、“光学粒子计数器”和“粒子计数器”在此可互换 地使用，且指的是能够检测悬浮在流体中的粒子的系统、能够确定悬浮在流体中的粒子的 大小的系统、能够对悬浮在流体中的粒子计数的系统、能够对悬浮在流体中的粒子分类的 系统，或上述这些系统的任意组合。一个典型的液态或气溶胶光学粒子计数器包括多个部 件，诸如用于产生电磁辐射束的源、用于将该辐射束导引至流体样品(例如流过流动池的 液体或气体)流动的区域的光学器件。一个典型的光学粒子计数器还包括用于检测由通过 辐射束的粒子所散射或发射的电磁辐射的光电探测器(诸如二维光学检测器)和收集光学 器件，以及其他用于对光电探测器所产生的电子信号进行处理和分析的电子器件，包括电 流-电压转换器、信号过滤和放大电子器件。一个光学粒子计数器还可以包括用于形成流 动以将流体样品引至电磁辐射束存在的检测区域的泵。本发明提供了用于检测并表征流体中的粒子的基于二维成像的方法和系统。本发 明的方法和系统生成、识别和/或分析具有几何形状和强度分布的粒子检测识别标志，可 用于准确检测并表征粒子、以及用于抑制伪计数。图IA提供了本发明的基于二维成像的粒子检测器100的示意图，其可用于检测 和/或表征在液体样本中的粒子。如图IA所示，光源105——诸如激光器或发光二极管光 源——生成电磁辐射束110，该电磁辐射束被导引到辐射束成形光学元件115，例如一个或 多个聚焦透镜上。经成形的电磁辐射束110被导引到具有流体室122的流体池120之上， 该流体室用于限制内部带有粒子的流体流。电磁辐射束110和被置入流体池120的流体室 122中的流体中的粒子的相互作用，生成散射的电磁辐射。所散射的电磁辐射125的一部 分被收集光学器件130和135——例如非球面透镜系统——所收集，并且成像到二维检测 器140阵列的多个检测器元件上。在一个实施方案中，二维检测器140是CCD检测器或摄 像机、CMOS检测器、MOS检测器、有源像素检测器、微通道板检测器或光电二极管的二维阵 列。在优选实施方案中，二维检测器140是图像照相机系统。所述二维阵列的检测器元件中 的至少一部分检测器元件，生成相应于所散射的或发射的电磁辐射的强度的输出信号。来 自二维检测器140的检测器元件的输出信号的至少一部分被测量和分析，可选地是通过处 理电子器件145被测量和分析。二维检测器140和/或处理电子器件145被配置为识别和 分析粒子检测识别标志，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。为了方便表示，图IA示例性地展示了具有如下光学几何图形的本发明的一个实 施方案其中流体室122的横截面轮廓的仅一部分被电磁辐射束110照射。如本领域技术 人员将理解的，本发明可组合一个宽泛范围的各种光学几何图形和辐射束尺寸，以用于将 流体曝露于电磁辐射束。例如，本发明包括如下的光学几何形状和辐射束尺寸其中流体室 122的整个横截面轮廓被电磁辐射束110照射，从而提供体积分析。图IB提供了本发明的基于二维成像的粒子计数器200的示意图，该粒子计数器提供对液体样本中的粒子的体积 分析。如图IB所示，辐射束110完全交叠流体室122，从而能够实现体积测量。图2A和2B提供了基于二维成像的粒子计数器100的基于成像的检测部件的顶视 平面图。绘图部分110示出了沿着传播轴传播(进入并离开纸面)的经成形的电磁辐射束 110的横截面，该电磁辐射束和流体池120相交并且将限定在流体室122中的含有粒子的 流体曝露于电磁辐射。图2A提供了一个光学几何图形的示意图，其中已成形的电磁辐射束 110的横截面轮廓的长轴被定向为平行于流体的流向(由箭头示意性示出)，图2B提供了 一个光学几何图形的示意图，其中已成形的电磁辐射束110的横截面轮廓的长轴被定向为 正交于流体的流向(由箭头示意性示出)。图2A和2B也提供了射线图，其示出了来自正 流过流体池120的流体室122的粒子(在图2A和2B中被示意性地示为实心圆)的所散射 的电磁辐射。如这些图中所示，所散射的光被收集光学元件130和135所收集，并且成像到 二维检测器140的二维阵列150的多个单独的检测器元件上。如图2A和2B中的射线图所 示，与所述粒子所散射的电磁辐射相关的空间信息，通过当前的二维成像技术而被保留。来 自二维阵列150的检测器元件的信号被二维检测器140和/或处理电子器件145实时地处 理和分析，以识别和/或分析粒子检测识别标志。图3提供了用于本发明的一个具体方法的过程流程图，其使用图IA或IB的基于 二维成像的粒子分析仪来检测以及可选地来表征在流体中的粒子的大小。如图中所示，提 供基于成像的粒子分析仪，且使含有粒子的流体(气体或液体)流过该分析仪。由该流体 中的粒子所散射的电磁辐射被成像到二维阵列的二维检测器的检测器元件上。来自该阵列 的检测器元件的输出信号被周期性地测量和分析，以便识别指示了来自该分析仪中的粒子 的散射的粒子检测识别标志。在图3中所示的具体实施方案中，相应于该阵列的检测器元 件的输出信号被分析，以便识别存在具有大于针对该阵列中每个检测器元件所预选的阈值 的输出信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件，其指示一粒子检测识别标 志。在本实施方案中对粒子检测识别标志的识别，使得以确定一个粒子已检测到。在一个 实施方案中，相应于检测器元件的输出信号被分析，以便识别存在具有比该阵列的给定检 测器元件的噪声的标准差大2. 5倍——可选地比该阵列的给定检测器元件的噪声的标准差 大2. 5-5倍——的输出信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件，从而指示一 粒子检测识别标志，且使得以确定一个粒子已检测到。如上所述，本发明的方法和系统可以 可选地采用包括如下输出信号的标准差(例如检测器元件的背景值)的倍数(例如2. 5倍 或2. 5至5倍)的阈值所述输出信号为，在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射 的检测环境下、检测器元件的输出信号。可选地，图3中所示的方法还包括如下步骤，即，分析来自所述检测器阵列的一个 预限定区域的信号，所述预限定区域例如是涵盖了具有高于阈值的信号的3个或更多个纵 向相邻、直接邻近的检测器元件或这些检测器元件的一部分的一个区域。该阵列的预限定 区域在一些实施方案中是一扩展区域(也即，包括除了所述具有高于阈值的信号的3个或 更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件之外的另外的检测器元件)。替代地，在一些实施 方案中，该阵列的预限定区域在一些实施方案中是一缩小区域(也即，包括少于所述具有 高于阈值的信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的检测器元件)。在此实 施方案中，对阵列的预限定区域中的检测器元件的输出信号的分析，可通过多种信号处理技术实现，所述信号处理技术包括但不限于对所述检测器阵列中的检测器元件的选定输 出信号进行积分，对所述检测器阵列中的检测器元件的选定输出信号进行求和，以及对所 述检测器阵列中的检测器元件的选定输出信号求平均。在某些实施方案中，所述分析步骤 是通过将输出信号或得自输出信号的值与在对基于二维成像的粒子分析仪进行校准时所 确立的一个或多个预定值相比较而实现的。对该阵列的预限定区域的检测器元件的输出信 号的分析使得可确定粒子的大小。图4A示出一个描绘了由本发明的基于二维成像的分析仪中的粒子所散射的电磁 辐射的二维图像的方框图。在这些实验中成像的粒子，是具有125nm直径的聚苯乙烯胶乳 球体。在图4A中示出的栅格单元是相应于CCD检测器的单独像素元件的检测器元件。六 个粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530在本图中清晰可见。粒子检测识别标志 的不同位置相应于穿过电磁辐射束的流体室中的粒子的不同位置。在本发明的这个实施方 案中，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530包括具有大于给定检测器元件的噪 声的标准差的3倍的输出信号的、至少3个相邻、直接邻近的检测器元件的多个输出信号的 图案。粒子检测识别标志530包括例如15个输出信号的图案。在图4A中还示出了纵轴570和横轴575。每个粒子检测识别标志505、510、515、 520,525和530还可以通过包括沿着平行于纵轴570的方向延伸的一系列直接邻近的检测 器元件的纵向分量被表征。在一个实施方案中，例如，每个粒子检测识别标志505、510、515、 520,525和530还通过包括在平行于纵轴570的方向延伸的一最大系列的直接邻近的检测 器元件被表征。如图4A所示，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530的形状是细 长的且基本是矩形。具体地，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530通过沿着平 行于纵轴570的方向延伸的较长的纵向分量和沿着平行于横轴575的方向延伸的较短的横 向分量被表征。矩形的较长边(也即，沿着纵轴570方向延伸的边)相应于流经所述电磁 辐射束的粒子的流向。图4B示出了在图4A中示出的粒子检测识别标志530的放大图。输出信号的图案 的强度值被示为X1-X5, Y1-Y5以及Z1-Z515 X1-X5, Y1-Y5和Z1-Z5中的每一个均具有超过给定 检测器元件的阈值的值，例如具有给定检测器元件的噪声的标准差的至少3倍的值。对于 给定集合X1-Xp Y1-Y5或Z1-Z5，使输出信号纵向对齐。在某些实施方案中，输出信号X1-Xp Y1-Y5和Z1-Z5的强度值的分布，提供了关于与电磁辐射束相互作用的粒子的大小和/或形 状的信息。在图4A中还示出了纵轴570和横轴575。如图4B所示，粒子检测识别标志530 具有包括了 5个直接邻近的检测器元件的纵向分量。所述粒子检测识别标志530的纵向分 量可包括检测器元件系列X1-X5A1-Y5和Z1-Z5中的任一系列。如图4B所示，粒子检测识别 标志530具有包括了 3个直接邻近的检测器元件的横向分量。粒子检测识别标志530的横 向分量可包括检测器元件系列X1Y1Zp X2Y2Z2, X3Y3Z3、X4Y4Z4和X5Y5Z5中的任一系列。图5Α和5Β提供了示出与本发明中的建立阈值有关的二维检测器阵列的检测器元 件的噪声分布的示例实验数据。在这些图中，在y轴上绘出频率，在χ轴上绘出12位计数。 所述数据来自被曝光5000次(也即，5000帧)的检测器阵列的单个像素。图5A示出了背 景，其是稳态光照水平加上噪声。图5B示出稳态水平被减去后仅剩下噪声时的同一数据。 噪声分布的标准差等于11. 4。在本发明中，这个值用于确立阈值。在一个实施方案中，例如， 给定检测器元件的阈值被设置为给定检测器元件的噪声分布的标准差的大约3倍，或者对
22于此实施例约为34. 2的值。图6示出对于一个范围的图像分析条件，伪计数率和阈值(以噪声分布的标准差 的倍数表示)的关系的曲线图。相应于(Ivert)的曲线相应于常规粒子检测分析条件， 其中粒子检测是在一个单独的检测器元件等于或超过预定阈值的情况下确定的。相应于 (2vert)的图表相应于这样的分析条件其中粒子检测是在两个纵向直接邻近的检测器元 件等于或超过预定阈值的情况下确定的。因此，此方法利用了包括来自两个直接相邻邻 近的检测器元件的等于或超过给定阈值的输出信号的图案的粒子检测识别标志。相应于 (3vert)的曲线相应于这样的分析条件其中粒子检测是在三个纵向直接邻近的检测器元 件等于或超过预选的阈值的情况下确定的。因此，此方法利用了包括来自三个直接邻近的 检测器元件的等于或超过给定阈值的输出信号的图案的粒子检测识别标志。如本图中所 示，基于对具有多个超过阈值的纵向直接相邻的检测器元件的二维检测器识别标志的识别 的图像分析(即，2vert和3vert曲线)，导致了明显较少的伪计数。图6也展示了对包括 来自多个直接邻近的检测器元件的输出信号的粒子检测识别标志的使用，其允许阈值被设 置得明显较低，从而能够实现对较小粒子(例如，直径小于0.1微米)的检测和大小表征。可通过下列非限制性实施例进一步理解本发明。实施例1 基于二维成像的光学粒子计数器本发明的基于成像的光学粒子计数器的性能通过实验被估计。此实施例的光学粒 子计数器使用非正交光学几何图形以允许对流体流中的粒子所散射的光进行高分辨率得 二维成像(例如，液相粒子计数)。此处提供的结果表明本发明的基于成像的光学粒子计数 器提供了稳健的感测平台，该平台提供了超过传统光学粒子计数器的增强的灵敏度。在超纯净去离子化(DI)的水中进行粒子计数的一个难点在于，在许多环境下这 些样本一例如在半导体制造或药品生产设施中所使用的样本——是非常干净的，且通常 包括小量的非常小的粒子。去离子化水一般是通过如下过程被制备的，即，使水经过一种或 多种离子交换树脂以移除离子杂质，且可在离子交换之前或之后被过滤一次或多次，以移 除额外的粒子和其他杂质。超纯净去离子化水的一般粒子浓度是非常小的，例如，每万亿小 于0. 1份(对于大于50nm的粒子，以体积计数为每升200个计数的粒子)。此外，在某些 商业相关的环境中，非挥发性残渣(NVR)、金属和其他离子超过所述粒子浓度四个数量级以 上。在传统的光学粒子计数器中，来自载体流体(例如水)的分子散射产生噪声，该噪 声会是限制计数器检测和表征少量的小粒子(例如小于100纳米)的大小的能力的重要因 素。例如，对于高纯度环境，由该粒子计数器的光学检测器检测到的载体流体所散射的辐射 水平通常大于从流体中的粒子所散射的光的强度。当背景信号被假设为是DC信号且被阻 挡时，噪声会由背景的变化产生，从而降低灵敏度并且潜在地利于伪计数的发生，这将严重 地削弱粒子计数器的可靠性。检测器上的噪声数量一般和DC噪声水平的平方根成比例，例 如，如果散射水平增加到4倍，则噪声水平将增加到2倍。为了解决此限制，某些光学粒子计数器通过将样本体积分成多个较小的部分来减 少所检测到的分子散射总量。例如，使用阵列检测器能够通过将小样本体积部分映射到单 独的检测器阵列元件上来实现高灵敏度的粒子计数器。然而，这一技术目前限于使用具有5 至20个检测器元件的一维阵列检测器。本发明使用具有数千个或甚至数百万个检测器元件的检测器实现二维阵列检测。本发明还实现了数字信号获取和处理方法。为了解决传统系统的限制，本发明的光学粒子计数器将样本体积分成几千份或几 百万份，将信号数字化并且利用先进的信号处理软件以及电子系统来分析粒子检测事件。 通过将样本体积映射到二维阵列(例如，一百万像素或更多像素的阵列)，即便是来自高功 率激光的背景辐射水平也被保持得足够低，使得能够灵敏地检测非常小的粒子，例如横截 面尺寸为大约IOOnm或更小，大约70nm或更小，甚至大约50nm或更小和/或大约40nm或 更小的粒子。本发明的这一方面允许有效结合超高功率光源实现增强的灵敏度。此外，在 本粒子计数器中纳入高效检测器，也通过增加信噪比增加了检测灵敏度。除了其他之外，使用包括二维阵列检测器的粒子传感器的优点之一在于，从粒子 所散射的辐射信号提供了像素强度的独有图案，允许将来自粒子散射事件的信号与非粒子 信号有效地区分开来，非粒子信号例如包括，分子散射或撞击检测器元件的高能光子(例 如宇宙射线)。此外，由于样本体积被映射在整个二维检测器上，来自所述光学池的壁(和 /或壁上的污染物)的散射可被有效地分出，以免影响样本体积上正发生粒子散射的其他 区域的检测灵敏度。此处描述的粒子传感器的另一个优点是，在工作时记录粒子检测事件的能力，例 如保存由所述二维阵列检测器所检测到的图像。这使得可以对粒子检测事件进行离线分 析，例如用于进一步分析和考虑。此外，本光学粒子计数器使用二维阵列检测器提供了对流 体池的直接可视化。这种配置允许实时地优化、诊断、检测流体池上或内的杂质、和/或检 测其他问题。图7A和7B示出了用于本发明的利用二维阵列检测器和非正交检测几何图形的基 于成像的检测的光学几何图形。图7A提供了顶视图，图7B提供了侧视图。激光光源610 提供了具有窄辐射束轮廓(例如，激光束长轴大于激光束短轴)的电磁辐射束615，其被导 引通过具有含有粒子的流体618的流体池620。所述粒子在图7A和7B中被示意性地示为 实心圆。如这些图中所示，流体618被提供给流体池620，以使其沿预定的流向(示意性地 示为虚线619)流动。在图7A和7B所示的实施方案中，所述辐射束从流体池到达辐射束截 捕器(beam stop)630。当穿过流体池的粒子被激光束615照射时，生成散射辐射，其至少 一部分被包括透镜640的光收集系统所收集，且被导引到以倾斜的检测器取向而提供的二 维检测器阵列650。二维检测器阵列650的这种检测器取向受提供给流体池615的辐射束 615相对于流向619的角度的支配，以便将被散射的电磁辐射有效成像到二维检测器阵列 650的有效区域上。穿过该激光的粒子将在检测器上形成一条散射光迹，例如，如图8所示。图9示 出了穿过激光的不同空间部分的粒子在检测器的不同空间部分上产生散射光迹，有效地提 供了由所述激光照明的流体池的二维视图。图10提供了当没有粒子时由二维检测器阵列 所观察到的流体池的散射辐射强度图像，在该图像的末端处示出了从流体池的壁所散射的 光。图11将将图10的数据以三维强度图给出。图12提供了当存在单个粒子时，由二维检测器阵列观察到的该流体池的散射辐 射强度图像。在此图像中，粒子从上至下流经流体池，激光从左到右穿过流体池。图13将 图12中的数据以三维强度图示出，清晰地示出了粒子检测事件。通过从存在粒子的图像中 减去没有粒子时的背景图像，大大增加了该事件的信噪比。图14将这样的已减去背景的图像以三维强度图示出。如上面所讨论，本发明包括这样的系统和方法其中背景参考帧从相应于检测事 件的图像中被减去。在一些实施方案中，所述参考帧是50-200个单独帧的平均，从而代表 了每个像素的稳态背景值。这些背景值被从检测帧(也即，相应于粒子散射事件的检测帧) 减去，以使得仅瞬态信号被分析。减去所述背景参考帧，使得可以检测非常小的粒子并确定 该非常小的粒子的大小，所述非常小的粒子的信号小于稳态背景值。在某些实施方案中，所 述参考帧被不断地更新或以一定时间间隔更新。在一个实施方案中，例如，一个帧中的像素 的一部分在64个帧上求平均，且新的值被用来替换参考背景帧。在一个实施方案中，取决 于帧率，整个参考帧每0. 5-3秒被更新。此方面允许该系统补偿背景散射光范围内的变化， 该变化例如由污染物在光学池的壁上的沉积或流体池的光学特性的变化而引起的。图15提供了当存在IOOnm和70nm粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的该流 体池的原始的(也即，未减去背景的)散射辐射强度图像。图16提供了当存在粒子时由所 述二维检测器阵列所测得的所述流体池的一系列背景被减去后的散射辐射强度图。在本发 明的实施方案中，来自粒子的信号根据相应于粒子在检测体积中的穿过的多个二维图像被 重构。本系统和方法的这一方面可用于生成粒子检测事件的合成图像，该图形可被分析以 生成非常准确的粒子大小信息。在某些实施方案中，每个粒子散射事件的合成图像被存储 和/或实时显示。在某些实施方案中，粒子在所述光学池中的位置被实时显示。此方面的 某些基于成像的光学粒子计数器提供了对所检测到的所有粒子的单幅显示。图17提供了在仅存在IOOnm粒子(左图)和同时存在70nm与IOOnm粒子(右 图)时所检测的粒子的大小分布。随着粒子大小的减少，到达检测器的来自粒子检测事件 的散射辐射量也减少。图18提供的数据示出了，对于50、70、80和IOOnm大小的粒子，所散 射的辐射信号和粒子大小的关系，以及信号与粒子大小的关系的理论预测。如图18所示， 小达40纳米的粒子是可使用本发明的基于成像的光学粒子计数器检测到的。图19提供了 二维和三维的已减去背景的散射辐射强度轮廓。此外，通过利用较高分辨率的检测器阵列，实现了较好的成像性能和灵敏度，例如 通过在每次粒子检测事件中照射更多的检测器元件。此外，通过优化系统几何图形，在粒子 检测事件期间，所述检测器元件可被照射更长一段时间，从而增强成像性能和灵敏度。另 外，通过放大该二维检测器阵列上的流体池的图像来优化光收集系统，可降低背景散射信 号(和噪声)；通过优化二维检测器阵列上的图像的焦点，可实现更小的粒子检测事件点大 小，进一步提高信号水平(signal level)。本发明的粒子检测系统利用二维检测器阵列提供额外的增强，例如使在提供高的 样品流率(例如，每分钟0. 5mL或更多)的同时，对例如30nm或更大些的小粒子大小下具 有高计数效率。在一些使用CMOS检测器进行光学检测的实施方案中，使用传感器的子阵列 进行数据获取，该数据可被非常迅速地读出和处理，以提供对灵敏度的进一步增强。在一些 实施方案中，将检测区域限于传感器的子阵列，允许测量经过具有基本均勻的高强度光的 激光束的中心部分的粒子，同时防止测量从被输运通过激光束的边缘的粒子所散射的光， 从而增加了该测量结果所提供的大小分辨率。本发明的基于成像的粒子计数器可选地包括校准验证，例如使用参考帧比较、粒 子点大小或这些的组合。
棚列2身鮮鮮鄉白·象处細去本发明的基于成像的光学粒子计数器集成了各种先进的图像处理方法，允许对低 浓度的具有低达大约40纳米的横截面尺寸的粒子进行灵敏地检测和对其大小进行表征。 此实施例提供了对本发明的某些成像处理方法的描述，这些方法提供了相对于传统的基于 成像的粒子检测方法的改进。本图像处理方法的特征包括(i)像素忽略，其中像素被过滤 以使得仅那些超过一阈值(所述“阈值”)的像素以及相邻像素被保留并被分析，以提供粒 子大小信息；(ii)从由该成像系统获取的多个帧生成合成图像并对其进行实时分析，其中 来自多个帧的与像素检测事件相关的像素被组合，以生成合成图像，该合成图像被分析以 提供粒子大小信息；以及(iii)使用基于实际噪声测量值的像素阈值，其中每个像素(或可 选地，某些较大的像素组)上的噪声被测量，且用于该像素的检测阈值是基于噪声测量值 的预定倍数(例如，背景的标准差或其倍数)。图20、21、22和23提供了示例性地示出本发明的用于检测流体流中的粒子并确定 其大小的图像处理方法的多个方面的流程图。图20的流程图例示了本发明的用于生成参考帧和阈帧的一过程。如此图所示，收 集两百个参考帧，通过确定每个像素的标准差来对两百个参考帧进行分析，以便计算可用 于检测并分析来自粒子的散射的电磁辐射的阈帧。重要的是应注意，每个像素的阈值均是 通过在没有来自粒子的散射光时、对背景信号的波动的基于逐个像素的统计分析而被确定 的。在一个实施方案中，例如，产生反映每个单独像素的背景噪声的标准差值的可变帧，并 且将其乘以一个可变帧乘数(Y)，以确定阈帧。在一个实施方案中，可变帧乘数(Y)是一个 选自2. 5至7的值。图21示例了本发明的一种用于计数粒子的方法，其中多个单独的像素值被读出 并且将其和阈值比较。如上所述，在图20的情境中，此比较是基于逐个像素执行的。如果 给定像素的值高于阈值，则所述分析算法确定该像素是否与已存在的粒子检测事件处于同 样的4-8乘以10-14(可选地是6乘以12)的像素窗口中，若如此，则将像素添加到检测缓 存。然后检查该缓存以观察是否存在三个具有高于阈值的值的相邻的像素。如果没有三 个具有高于阈值的值的相邻的像素，该缓存就被清零或复位。如果三个或更多个相邻像素 具有高于阈值的值，则识别一粒子检测事件，且随着适当的像素被读出，所述缓存继续被填 充。例如，包括至少三个邻近或直接邻近的像素的粒子检测识别标志，在此方面被用来识别 粒子检测事件并且对粒子计数。图22和23例示了本发明的通过分析粒子检测识别标志确定所检测的粒子的大小 的方法。图22示出了用于为一检测事件生成一合成图像的过程。在一个实施方案中，所述 检测缓存被传送到DSP(例如，处理器)以便分析。如果该缓存中的值处于相应于已存的检 测事件的2列像素之内，该像素就被添加到现存的检测事件，以便产生一个合成图像。如果 该缓存中的值不处于现存的检测事件的2列像素之内，则该缓存被指定为新事件，以便产 生一个新的合成图像。图23示出了使用来自缓存的数据——其例如作为一合成图像被提 供——用于确定粒子大小的过程。首先，计算质心。如此处所用，所述质心指的是来自检测 从所关注粒子所散射的电磁辐射的像素的信号的加权强度中心。接下来，确定相应于围绕 加权强度中心值的像素阵列的积分强度值，例如相应于2至5个像素宽和5至9行长(可 选地是3个像素宽和7行长)的阵列。为了确定粒子尺寸，将积分强度值和参考数据进行
26比较，所述参考数据例如是使用已知物理尺寸的标准粒子根据经验确定的参考数据。接下来的讨论还描述了可用于本发明的一些方面中的图像处理步骤和算法的多 个方面。在一个实施方案中，所述粒子计数器通过将穿过所述流体池的激光束成像到CMOS 二维检测器阵列上而运行。所述CMOS芯片是由读出所述像素并且将该数据传输到数据处 理系统的摄像机系统所控制的。所述摄像机允许限定该芯片的子阵列并且忽略其他区域。 所关注的子阵列或所关注的区域(ROI)被逐行读出，其中读出第一行中的每个像素，然后 读出下一行，依此类推，直到每个像素均被读出且所述数据被传送为止。像素值的阵列组成 一个帧或图像，就像来自数码相机或数字摄像机的图像。一旦读出一行，所述像素就被重 置，且立即开始对下一帧的曝光。在一些实施方案中，可将曝光时间设置得长于读出时间。 这叫做滚动快门(rolling shutter)，且结果是，曝光时间的长度对于每个像素都是相同 的，但顶行被曝光的实际时间与底行偏差了大约所述曝光周期。然而，图像是连续的，在曝 光之间基本没有中断时间(dead time)。此粒子检测系统的一个目的在于在粒子穿过激光束时检测粒子和确定粒子大小。 实现这的过程类似于传统的模拟系统，但检测和确定大小是在两个单独的步骤中执行的。 第一步是检测粒子，其通过查找光脉冲并且忽略或阻挡DC背景而完成。如果该粒子形成足 够大的光脉冲以至于超过最低阈值，则该粒子被检测到。然而，本发明为每个像素确立一个 不同的阈值，而不是像传统系统那样仅有一个“第一阈值”。对于某些实施方案，通过获取200-500个帧并且为每个像素计算平均值来测量DC 水平。每个像素的平均值的阵列被称为jl#^MZ，并且代表所述DC水平。另外，作为此过 程的一部分，每个像素的可变性或噪声被测量，并且由来自200-500个帧的标准差值所表 示。每个像素的标准差倌的该阵列被称为可变帧(variability frame)。也存在“亮像素(bright pixel)”帧。对于利用基于C⑶的摄像机的实施方案， 发现对位于玻璃_水的界面附近的亮区域进行成像的像素具有处于或接近于它们的饱和 水平的值。这些像素比具有小于饱和水平的一半的值的像素一定程度上表现得更为飘忽不 定。因此，位于用户限定的水平以上的像素(例如，400-700个)以及一些数量的邻近像素 (例如，2个相邻像素)被识别为“亮像素”，并且如下所述被区别对待。在可变帧中的相应于亮像素的倌被“预乘以，，一个用户限定的倌，形成“经修改的 可变帧”，其然后被乘以另一个系数，并被添加到所述参考帧以形成所述“阈帧”。例如，预乘 数是3，且乘数低达3。给定这些值，所述亮像素的标准差将被乘以9，并且所有其他“正常” 像素的标准差被乘以3。从而，对于大部分像素，所述值必须比所述平均值超出3倍标准差， 以便超过所述阈值。这种乘数值是用户可配置的。一旦开始粒子测量，所述阈帧就被持续更新，例如通过取64个像素并且将它们在 50个帧上取平均。这些64个像素的平均值接下来被用于更新所述参考帧，以纠正在所述 DC水平中的任何改变。整个参考帧例如大约每两秒被更新。测量当粒子计数开始时，连续的“测量”帧被收集且被分析。此分析由两个不同 的步骤组成。第一步骤是“检测”一个粒子，第二步骤是确定该粒子的大小。每个帧被单独 分析，但是粒子经过激光束所花的时间比单个帧的曝光时间更长。因此，来自粒子的信号可 遍布几个帧，且这些帧可被重新组合以表示来自粒子的整个信号。在本说明书中，重新组合的信号被称为“合成图像”。当帧抓捕系统从所述摄像机接收到第一测量帧时，将每个像素值与那个像素的阈 值相比较。当一个像素第一次超过阈值时，该像素(值和位置)被置于检测缓存中，其例如 是6列宽乘12行高。该像素被“居中”位于该缓存的第一行、该缓存的第三列。随着像素 被读出，位于此6 X 12窗口内的适当的像素被置于该缓存中。在收集了 3行之后，检查该缓 存以确认是否有三个垂直相邻像素。若是，则该缓存被允许继续填充；若否，则该缓存被清 零且可用于接下来的检测。在该帧的末尾，所有具有有效的“三个一组(rim of three)”的 缓存被传递到所述DSP，然后被清零。接下来的帧被以相同方式分析。当所述帧被传递到所述DSP时，检查所述帧以确认它们是否是已存在的粒子检测 事件的一部分。如果是(相同的列或附近)，则所述像素被添加到该事件以形成一合成图 像。如果否，则形成一个新的事件。接下来，检查存储在所述DSP中的检测事件，以确认它们是否在一个新近的帧中 被修改。如果该事件已被修改，则为下一帧维持该事件。如果未被修改，则该事件被视为完 成，且计算该信号的过程开始。计算该信号的第一步骤是计算该图像的信号加权中心。对照“rb”(R0I的子集，以 允许忽略在上边缘或下边缘附近的粒子)设置来检查该位置，以确认其是否处于允许的行 中。接下来，例如，通过在质心的每一侧各增加1列，且在质心上方和下方各增加3行，以形 成3列宽7行高的21个像素的矩形，来识别出适当的像素。这些21个像素的减去背景的 值被求和，且那个值被视为粒子信号。然后将该信号与大小的阈值相比较，且增加适当的大 小窗格(bin)。关于通过参引纳入的内容以及变化的声明在本申请中的所有参考文献，例如包括授权的或颁布的专利或等同物的专利文 本；专利申请公布文本；以及非专利文献文件或其他源材料；均在此通过参引方式以其整 体纳入本文，如同通过参引被单独纳入的，以每个参考文献至少部分和本申请的公开内容 不前后矛盾为限(例如，部分前后矛盾的参考文献除了该参考文献的部分前后矛盾的那部 分之外通过参引方式被纳入)。由发明人John MitchelUJon Sandberg和Dwight A. Sehler 作出的、于 2008 年 12 月 2 日提交的题为 “Non-Orthogonal Particle Detection Systems and Methods”的美国非临时申请，通过参引以其整体纳入本文。所采用的术语和表述被用于描述的目的而非限制，且无意在这些术语和表述的使 用中排除所示的和所描述的特征的任何等同物或其部分，但应认识到，在所要求保护的本 发明的范围内各种不同修改均是可能的。因此应理解，虽然已经通过优选实施方案和可选 特征具体地公开了本发明，本领域技术人员可采用对此处公开的概念的修改和变化，且这 样的修改和变化被视为处于如所附权利要求限定的本发明的范围之内。此处提供的具体实 施方案是本发明的有用实施方案的实施例，且对于本领域技术人员明了的是，可使用在本 说明书中列出的设备、设备组件、方法步骤的各种各样变化来实现本发明。对于本领域技术 人员显然的是，可用于本方法的方法和设备可包括大量可选的组件和处理元件以及步骤。无论何时，当在本说明书中给出一个范围例如温度范围、时间范围、组分范围或浓 度范围时，所有的中间范围和子范围，以及包括在给定范围中的所有单个值，均意为包括在 本公开内容中。应理解，此处的说明书中包括的任何子范围或子范围中的单个值均可从此处的权利要求中被排除。在此说明书中提及的所有专利和公开文本都指示了本发明所属技术领域中的技 术人员的技术水平。此处引用的参考文献通过以其整体被纳入来表明在其
公开日或提交日 的现有技术水平，且意为，如有需要，此信息可被用来排除现有技术中的特定实施方案。例 如，当要求保护化合物时，应理解，在申请人的发明之前的技术中已知和可用的化合物—— 包括已在此处所引用的参考文献中给出了其能够起作用的化合物——均不意于被包括在 此处的物质权利要求的组合物中。如此处所用，“包含”与“包括”、“含有”或者“其特征在于”是同义的，且是包容
性的或开放式的，且不排除另外的、未提及的要素或方法步骤。如此处所用，“由......组
成”排除了在所要求保护的要素中未说明的任何要素、步骤或组分。如此处所用，“基本
由......组成”并不排除那些未实质影响权利要求的基本和新颖特性的材料或步骤。在本
文的各种情况中，术语“包含”、“基本由......组成”和“由......组成”中的任一个均可
以用其他两者中的任一个代替。在此示例性描述的本发明可在缺少未在此处具体公开的任 何一个或多个要素、任何一个或多个限制条件的情况下被适当实施。本领域技术人员将理解，除了那些已具体举例说明之外的其他各种起始材料、生 物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、化验方法以及生物方法均可用在本发明的实 践中而无须借助于过度的实验。所有本领域已知的功能等价物，或者任意这些材料和方法， 均意为被包括在本发明中。此处采用的术语和表述被用作说明而非限制，并不意于，在这些 术语和表述的使用中排除所示和所描述的特征的任何等同物或其部分，而应认识到在所要 求保护的本发明的范围内可作出多种修改。因此，应理解虽然本发明已被优选实施方案和 可选特征具体公开，本领域技术人员仍可采取对此处公开的概念的修改和变化，且这样的 修改和变化被认为处于由所附权利要求限定的本发明的范围之内。
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志包括来自所述阵列的至少 2个邻近或直接邻近的检测器元件的输出信号的图案。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志包括所述阵列的2和7个 之间的邻近的或直接邻近的检测器元件的输出信号的图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其中最小的阈值对于所述阵列中的不同检测器元件是 不同的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中给定检测器元件的所述阈值大于或等于所述阵列 的给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，或者大于或等于当没有来自所述粒子所散射 或发射的电磁辐射时所述阵列的给定检测器元件的输出值的标准差的2. 5倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其中给定检测器元件的所述阈值等于所述阵列的所述 给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5至7倍，或者等于没有来自所述粒子所散射或发射 的电磁辐射时所述阵列的所述给定检测器元件的输出值的标准差的2. 5至7倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出信 号均已被减去了背景值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志的所述输出信号的图案具 有一个纵向分量，其相应于所述散射或发射的电磁辐射沿着所述流体的所述流向的强度分 布。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述纵向分量包括来自2和20个之间的直接邻近 的检测器元件的输出信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志的输出信号的图案具有 一个横向分量，其相应于所述散射或发射的电磁辐射的垂直于所述流体的所述流向的强度 分布。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述横向分量包括来自2和10个之间的直接邻 近的检测器元件的输出信号。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤，将所述散射或发射的电磁辐射成像 到所述阵列的所述检测器元件上。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括识别提供了所述粒子检测识别标志的所述输 出信号的所述检测元件在所述阵列中的位置。
14.光学粒子分析仪，包括 一个光源，用于生成电磁辐射束；一个室，用于使含有粒子的流体流过所述电磁辐射束，从而生成散射或发射的电磁辐射；一个光收集系统，用于收集所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分并将其导引到二 维检测器阵列的多个检测器元件上，其中该阵列的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；以及一个处理器，其可操作地连接到所述二维检测器，该处理器能够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，多个检测器元件 均具有一个大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。
15.根据权利要求14所述的光学粒子分析仪，其中所述处理器还能够分析所述粒子检 测识别标志的形状和/或具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元 件的输出信号的强度，以确定粒子的大小。
16.在光学粒子分析仪中将粒子散射事件与其他电磁辐射生成或检测过程区分开的方 法，所述方法包括下列步骤向所述光学粒子分析仪提供具有粒子的流体流；将所述流体流曝露于电磁辐射束，其中，在具有粒子的所述流体流和所述辐射束之间 的相互作用产生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所述光学粒子分析仪的被设置在 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；并且 一旦识别了粒子检测识别标志就感测粒子检测事件，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，其中所述粒子检测识别标志包括来自沿着纵轴放置的至少3个直接 邻近的检测器元件的输出信号；从而在所述光学粒子分析仪中将所述粒子散射事件与其他 电磁辐射生成或检测过程区分开。
17.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；将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒子和该辐射束之间的相互作用生成散射或 发射的电磁辐射；将所述散射的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；确定所述阵列的所述检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中所 述子集的每个检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号； 仅将所述子集的输出信号传输到处理器；以及 分析被传输给所述处理器的输出信号，从而检测所述粒子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述子集还包括0至10个邻近或直接邻近的检 测器元件，所述检测器元件均都具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述子集包括所述阵列的2至10个检测器元件。
20.根据权利要求17所述的方法，其中对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出 信号均已被减去了背景值；其中所述背景值的每一个相应于在没有所述粒子所散射或发射 的电磁辐射的检测环境下在所述阵列中的给定检测器元件的平均输出信号。
21.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；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产生 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；检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分；生成多个检测帧，其中每个检测帧包括所述多个检测器元件在给定时间间隔内的多个 所述输出信号；将具有相应于所述散射或发射的电磁辐射的检测强度的输出信号的多个检测帧组合， 以生成粒子检测事件的合成图像；分析该合成图像，从而检测所述粒子。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括识别具有相应于由所述粒子散射或发射的电 磁辐射的检测强度的输出信号的检测帧。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述检测帧是以0.IkHz至20kHz的频率生成的。
24.根据权利要求21所述的方法，其中每个检测帧相应于50微秒至10毫秒的时间间隔。
25.根据权利要求21所述的方法，其中组合1至100个检测帧以生成所述合成图像。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括从每个所述检测帧中减去一个参考帧的步 骤；其中所述参考帧包括所述阵列中的检测器元件的背景输出信号；其中每个背景输出信 号是在没有来自所述粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下所述阵列中的给定检测 器元件的平均输出信号。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述参考帧被不断更新。
28.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；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产生 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；使用所述二维检测器的一个子阵列检测所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其 中所述子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；仅将相应于所述子阵列或其一部分的所述检测器元件的输出信号传输给处理器；以及 分析被传输到所述处理器的输出信号，从而检测所述粒子。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述子阵列包括所述二维检测器的检测器元件 的 0. 2%M 25%。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述子阵列包括1000至100000个检测元件。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述二维检测器是具有400000至1300000个检 测元件的CMOS检测器。
32.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；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；将所述散射的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；使用所述二维检测器的一个子阵列检测所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其 中所述子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；确定所述子阵列的所述检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中 所述子集的每个检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号； 仅将所述子集的输出信号传输至处理器；以及 分析被传输给该处理器的所述输出信号，从而检测所述粒子。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述确定步骤包括 分析所述子阵列的输出信号；以及识别所述子阵列的具有大于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元件。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述子集还包括0至100个邻近或直接邻近的 检测器元件，所述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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N15/02GK101925809SQ200880125744
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月2日 优先权日2007年12月4日
发明者D·A·塞尔, D·赖斯, J·桑贝格, J·米切尔, M·威廉森 申请人:粒子监测系统有限公司
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。
背景技术：
本发明属于光学粒子分析仪领域。本发明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。本发明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。
发明内容
本发明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。本发明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)。本发明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)。本发明的系 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，本发明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发明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。基于本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明的方法和系统不要求收集或检测从粒子所 散射或发射的电磁辐射的全部，甚至也不要求收集或检测其大部分。对由所关注粒子所散 射或发射的电磁辐射的一部分或甚至一小部分的检测，足以实践本发明的方法。例如，检测 从本发明的粒子所散射或发射的足够量的电磁辐射，包括检测一份强度基本大于被导引到 或成像到本发明的二维检测器上的背景电磁辐射水平的电磁辐射。在本说明书的上下文中，“输出信号”指的是二维检测器的检测器阵列的单个检测 器元件的信号，例如来自一个检测器元件的相应于所检测的电磁辐射的强度值的信号。输 出信号包括在时间上被平均的检测器元件输出信号、积分检测器元件输出信号、已减去背 景分量的输出信号，以及受过其他信号处理(例如数据平滑等)的输出信号。在一个实施 方案中，例如，每个输出信号中的背景值均已被减去。在许多情况下，从输出信号中减去的背景值在该二维阵列中的一检测器元件之间 是有变化的。如此处所用，表述“背景值”或仅仅是“背景”，指的是检测器元件在没有来自所 关注粒子所散射和/或发射的电磁辐射的检测环境下的输出信号。相应于背景值的这种检 测环境包括(i)没有所关注粒子和电磁辐射束相互作用的检测环境，和/或(ii)其中，确 有粒子和电磁辐射束相互作用，但检测器元件在阵列中的位置使得检测器元件未检测到来 自该粒子所散射和/或发射的电磁辐射，的检测环境。表述“背景值”和“背景”包括在没有 来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下，相应于一检测元件的多个输出信 号的平均输出信号值、中值输出信号值或算术平均输出信号值，例如在这样的检测环境下 相应于20-1000个输出信号测量值的平均值、中值或算术平均值，而在某些实施方案中相 应于在这样的检测环境下的200-500个输出信号测量值的平均值、中值或算术平均值。例 如，在某些实施方案中的背景值相应于在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的 检测环境下的20-200个强度测量值的平均值，且因此可被视为单个检测器元件的“稳定状 态”强度值。在某些实施方案中，从输出信号中减去的背景值随着检测器元件在阵列中的位置 和/或其它实验条件(例如，光源的强度和光束轮廓、流体的组分等)而变化。在某些实施 方案中，从输出信号中减去的背景值在粒子分析期间不断地更新。例如，在一个实施方案 中，通过测量和处理来自不接收由粒子检测事件所引起的散射或发射的电磁辐射的检测器 元件的输出信号，不断地更新背景值。如本领域技术人员将理解的，即使在粒子检测事件期 间，也只有一小部分检测器元件可接收和检测从粒子所散射或发射的电磁辐射，从而允许 该阵列中的其他检测器元件的背景值在本发明的某些方法和系统中持续地更新。粒子检测识别标志包括，来自下述的多个单独检测器元件(例如二维检测器阵列 的像素元件)的多个输出信号的图案，所述单独检测器元件满足这样的判据，即具有大于 为该阵列中的给定检测器元件预选择的阈值的输出值。因此，来自该阵列的不符合所述的 与阈值有关的判据的检测器元件的输出信号，不是组成粒子检测识别标志的输出信号的图案的分量。为此，本发明的方法和系统的粒子检测识别标志被称为依赖于阈值的，表述“高 于阈值”具体指的是具有超过阈值的输出信号值的检测器元件。在本发明的某些实施方案 中，针对阵列中的单独检测器元件的阈值是相同的。然而本发明包括这样的实施方案其 中针对阵列的单独检测器元件的阈值中至少有一些是不同的。本发明包括这样的方法和系 统，例如，其中，阈值随着给定检测器元件在阵列中的位置而变化。例如，在一个实施方案 中，阈值得自相应于该阵列的单独检测器元件(例如，二维检测器的像素)的实际噪声测量 值。由于光源(例如激光)的空间不均勻强度轮廓、光学池(optical cell)的几何形状、 和该系统中的光学元件(例如，透镜、窗口等)的光学性质，以及其他因素，这种噪声测量值 通常在一个检测器元件和另一个检测器元件之间有所不同。本发明的阈值可随系统参数诸 如电磁辐射束的强度和/或检测器增益而变化。本发明包括这样的方法和系统，其中对于一给定检测器元件的阈值得自阵列中的 给定检测器元件的噪声测量值和/或在没有所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的情况 下，阵列中的给定检测器元件的输出信号值的测量值(例如，所测量的背景值)。通过使用 大于对给定检测器元件所测量的噪声水平的标准差的阈值，或大于对给定检测器元件所测 量的背景值的标准差的阈值，可从来自背景流体的分子散射、检测器噪声或由粒子散射或 发射之外的一些过程所产生的检测器信号区分出粒子检测事件，并且也可检测具有非常小 的物理尺寸(例如，直径小于100纳米)的粒子。例如，在一个实施方案中，阵列中一个给定 检测器元件的阈值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，或者等于或大于在 没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下检测器元件的输出信号(例 如，该检测器元件的背景值)的标准差的2. 5倍。可选地对于某些实施方案，一给定检测器 元件的阈值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的3倍，或者等于或大于在没有来自 所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下该检测器元件的输出信号(例如，该检 测器元件的背景值)的标准差的3倍。可选地对于某些实施方案，一给定检测器元件的阈 值等于或大于该检测器元件的噪声的标准差的5倍，或者等于或大于在没有来自所关注的 粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下该检测器元件的输出信号(例如，该检测器元 件的背景值)的标准差的5倍。例如，在一个实施方案中，一给定检测器元件的阈值等于 该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍至7倍，或者等于在没有来自所关注的粒子所散射 或发射的电磁辐射的检测环境下所述检测器元件的输出信号(例如，该检测器元件的背景 值)的标准差的2. 5倍至7倍，且可选地对于某些实施方案，一给定检测器元件的阈值等于 该检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍至5倍，或者等于在没有来自所关注的粒子所散射 或发射的电磁辐射的检测环境下所述检测器元件的输出信号(例如，该检测器元件的背景 值)的标准差的2. 5倍至5倍。在本发明的某些方法和系统中，阈值靠经验确定，例如，通过测量给定检测器元件 在没有来自所关注的粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下作为时间的函数的输出 信号值(例如，背景值)，并且计算该阵列中的单独检测器元件的噪声。如此处所用，表述 “噪声水平”或仅仅“噪声”，指的是在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射的检测 环境下所述检测器元件的输出信号和该检测器元件的平均背景值、中值背景值或算术平均 背景值之间的差。因此，在某些实施方案中，噪声或噪声水平是对所述阵列中的一给定检测 器元件的一系列背景值测量结果的变化的度量。二维检测器的单独检测器元件的噪声可通过测量该检测器元件的作为时间的函数的背景值而确定。如此处所用，标准差指的是所测 量的参数(例如噪声、背景值，或在没有来自粒子的散射或发射的辐射时的输出信号)与其 算术平均值之间的均方根(RMS)偏差，或者指的是所测量的参数的方差的平方根。例如，在 一个实施方案中，标准差(ο )是使用下列表达式确定的
其中N是为一给定检测器元件所测量的噪声测量值、背景值或其他信号值的数 量，Xi指的是为一给定检测器元件所测量的单独噪声测量值、背景值或其他输出信号值，而 〒是为一给定检测器元件所测量的噪声测量值、背景值或输出信号值的算术平均值。或者， 在某些实施方案中阈值是理论上被确定的，例如使用从头计算(abinitio)方法以预测/表 征检测器噪声和其他检测器性质。本发明的粒子检测识别标志是由相应于包含有所述粒子检测识别标志的输出信 号的图案的一个或两个维度的形状、纵向尺寸和/或横向尺寸的几何分量所表征的。如本 文中所用，所述几何形状包括包含有粒子检测识别标志的输出信号的图案的一维或二维空 间分布。几何识别标志的多个输出信号各自均被指派给在检测器阵列中具有明确限定的位 置的多个特定检测器元件。相应地，在本说明书的上下文中，输出信号的空间分布或图案形 状指的是粒子检测识别标志的输出信号各自所分配到的检测器元件的空间分布或形状。在 某些实施方案中，几何形状具有纵向分量，其相应于沿着所述粒子检测识别标志的纵向维 度而设置的一系列邻近的或直接邻近的检测器元件；和/或具有横向分量，其相应于沿着 所述粒子检测识别标志的横向维度而设置的一系列邻近的或直接邻近的检测器元件。在一 个实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有一几何形状，其由来自3个或更多个纵向 相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号值来表征，而在一些实施方案中，所述 粒子检测识别标志具有由来自5个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的输出信号 值来表征的几何形状。在一个实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有由来自2个或 更多个横向相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号值来表征的几何形状，而 在一些实施方案中，例如，所述粒子检测识别标志具有由来自4个或更多个横向相邻、直接 邻近的检测器元件的输出信号值来表征的几何形状。检测器像素元件的强度值通常部分地取决于粒子的特定特征诸如光学性质、物理 尺寸和/或样本穿过电磁辐射束的流速，以及粒子检测系统的具体设计和各种操作参数， 其包括物理尺寸、强度分布以及电磁辐射束的形状，以及用于将电磁辐射的至少一部分导 引到检测器阵列上的光学器件的设计。相对地，粒子检测识别标志的几何形状通常很大程 度上和粒子大小或形状无关。因此，所测量的粒子检测识别标志的形状在本发明中被用于 从来自背景流体的分子散射、检测器噪声或在粒子光学散射或发射之外的一些过程中出现 的检测器信号区分出相应于源自粒子检测事件的散射或发射的检测器阵列输出信号。对相 应于粒子检测识别标志的像素的强度值的分析，也可以在本方法和系统中被用于提供穿过 电磁辐射束的粒子的大小、物理尺寸和数量的测量值。本发明包括使用具有如下多种形状 的粒子检测识别标志，所述形状包括矩形、椭圆形、圆形、方形、三角形或这些形状的任意组
I=I O
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在一个用于抑制发生伪计数以及用于检测具有小物理尺寸(例如小于10微米) 的粒子的实施方案中，本发明的方法和系统生成一种具有细长形状的粒子检测识别标志， 所述细长形状例如为基本矩形的形状。此方面的粒子检测识别标志的细长性质，至少部分 地由粒子被物理地传送(例如，在流体流中传送)通过电磁辐射束时所发生的散射过程引 起。因此，细长的粒子检测识别标志的纵向尺寸至少部分地相应于穿过辐射束的粒子的流 向和轨迹。本发明包括这样的实施方案，其中，被传输通过辐射束的粒子的流率和轨迹是明 确限定的参数，以便生成细长的粒子检测识别标志，例如基本矩形的粒子检测识别标志，其 具有明确限定的、可再生的随粒子大小而变的纵向尺寸，诸如来自纵向相邻的、直接邻近的 检测器元件的至少3个高出阈值的输出信号。本发明的方法包括，为相应于一细长尺寸的 几何识别标志的纵向分量确定多个检测器元件。在某些实施方案中，本发明的方法和系统生成粒子检测识别标志，其包含来自该 阵列的邻近检测器元件——包括直接邻近的检测器元件——的多个输出信号的图案。在本 说明书的上下文中，表述“邻近(neighboring) ”指的是彼此放置在5个检测器元件以内的 检测器元件，而表述“直接邻近(directly neighboring)的检测器元件”指的是在阵列中 被放置为直接彼此相邻的检测器元件。邻近的和直接邻近的检测器元件可以是纵向相邻的 或横向相邻的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志包括来自至少2个邻近的检测 器元件的输出信号，而在某些实施方案中，其包括来自至少2个直接邻近的检测器元件的 输出信号。在一个实施方案中，粒子检测识别标志包括来自2至20个邻近的检测器元件的 输出信号，而在一些实施方案中，其包括来自2至20个直接邻近的检测器元件的输出信号。 在一个实施方案中，粒子检测识别标志包括来自2至7个邻近的检测器元件的输出信号，而 在一些实施方案中，其包括来自2至7个直接邻近的检测器元件的输出信号。可用于某些实施方案的粒子检测识别标志的几何形状，还可从纵向分量和/或横 向分量方面来表征。如此处所用，粒子检测识别标志的“纵向分量”或“横向分量”相应于 多个相邻的、可选地是直接相邻的具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的检 测器元件，所述检测器元件沿着所述粒子检测识别标志的选定轴线或维度——诸如纵向维 度或纵轴或横向维度或横轴——彼此相邻地布置。例如，本发明的有用的粒子检测识别标 志包括检测器元件的图案，所述检测器元件包括沿着粒子检测识别标志的纵向维度或横向 维度延伸的一系列直接邻近的检测器元件。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志的输出信号的图案的形状具有相应于 一系列相邻的或直接相邻的检测器元件的纵向分量，所述一系列相邻的或直接相邻的检测 器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号，所述检测器元件沿着所述粒子 检测识别标志的纵向维度布置。在此方面的某些实施方案中，所述纵向分量相应于所述散 射或发射的电磁辐射沿着流体的流向的强度分布。在为某些应用优选的一个实施方案中， 例如，所述纵向分量包括来自2至20个之间的邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号， 可选地包括来自2至20个之间的直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在一个 实施方案中，粒子检测识别标志的输出信号的图案具有被定向为与所述纵向分量正交的横 向分量。例如，在为某些应用优选的实施方案中，所述横向分量包括来自2至10个之间的 邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号，可选地包括来自2至10个之间的直接邻近的检 测器元件的高于阈值的输出信号。
本发明的某些方法和系统的粒子检测识别标志，是由输出信号值的一维或二维空 间分布所表征的，所述输出信号值如相应于由该阵列中的多个单独检测器元件接收到的符 合粒子检测识别标志的阈值判据的散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号值。粒子检 测识别标志的这种强度分布可以在本方法和系统中被分析以提供对粒子特性的确定或测 量，所述粒子特性例如粒子的形状、外形和/或物理尺寸(直径、半径、厚度、长度、宽度、空 气动力直径等)。所测量的粒子检测识别标志的强度分布也可用在本发明中以从来自背景 流体的分子散射、检测器噪声或在粒子光学散射或发射之外的一些过程中所产生的检测器 信号中区分出相应于来自所关注粒子的散射或发射的检测器阵列输出信号。对强度分布 分量(例如，一维或二维强度分布)的分析，可以通过本发明中的如下多种分析技术来实 现，所述分析技术包括但不限于图案识别分析、图像阈值分析和/或图像形状分析。在一 个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过计算所述检测识别标志或所述识别标志的一 部分——例如涵盖了所述检测识别标志的最大输出信号的一部分——的输出信号的平均 值而被分析的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过计算所述检测识别标志 或所述识别标志的一部分——例如涵盖了所述检测识别标志的输出信号的最大强度值的 一部分——的输出信号的积分强度值而被分析的。在一个实施方案中，所述粒子检测识别 标志是通过如下过程被分析的，即，确定所述检测识别标志或所述识别标志的一部分的输 出信号的加权强度中心，并且可选地确定相应于所述加权强度中心的检测器元件的输出信 号，或确定相应于围绕并包括相应于所述加权强度中心的检测器元件的输出信号的多个输 出信号的分布的平均强度。在一个实施方案中，所述粒子检测识别标志是通过确定相应于 所述检测识别标志的检测器元件的大小、形状和/或数量而被分析的。在一个实施方案中，通过识别具有至少3个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的 粒子检测识别标志来检测粒子，而在某些实施方案中，从3至100个纵向相邻、直接邻近的 检测器元件来检测粒子。在此方面，对粒子检测识别标志的识别提供了一种有效地识别粒 子检测事件的手段，从而允许例如针对大小对粒子进行计数和分析。在某些实施方案中，所 检测的粒子的特征——例如粒子大小——是接下来通过分析所述粒子检测识别标志而被 确定。例如，在一个实施方案中，所述分析包括确定所述粒子检测识别标志的最大输出信号 值的步骤。例如，在一个实施方案中，所述分析包括确定包含有所述粒子检测识别标志的输 出信号的平均输出信号值的步骤。在一个实施方案中，例如，所述分析包括如下步骤，即，确 定包含有所述粒子检测识别标志的输出信号的至少一部分——在某些实施方案中是其全 部——的积分输出信号值。在一个实施方案中，例如，所述分析包括确定包含有所述粒子检 测识别标志的输出信号的至少一部分——在某些实施方案中是其全部——的输出信号值 的加权中心。可选地，此方面的方法和系统还包括识别与相应于所述加权中心的输出信号 相对应的输出信号值和/或检测器元件。可选地，此方面的方法和系统还包括识别与相应 于包括加权中心的多个相邻的、直接邻近的检测器元件的多个输出信号相对应的平均输出 信号值和/或积分输出信号值，所述多个输出信号例如来自围绕所述加权中心的多个相邻 的、直接邻近的检测器元件的多个输出信号。例如，在一个实施方案中，所述分析步骤包括 确定相应于围绕着所述加权中心的10个或更多个输出信号值——或者可选地相应于围绕 着所述加权中心的20个或更多个输出信号值——的积分输出信号值。例如，在一个实施方 案中，所述分析步骤包括确定相应于围绕如下加权中心的多个输出信号值的积分输出信号值或平均输出信号值，所述加权中心相应于由阵列中的一个3-10行乘7-15列的检测器元 件阵列所表征的一个相邻的、直接邻近的检测器元件阵列。在此方面的方法中，输出信号 值、平均输出信号值、积分输出信号值或这些的任意组合，均被用于确定粒子的大小，例如 使用算法、经验或计算的参考值的表格，或其他将输出信号值、平均输出信号值、积分输出 信号值与粒子大小相关的对象。本发明包括这样的方法和系统其中对粒子检测识别标志 的分析是通过执行如上所述的多个步骤、过程和方法而实现的。在一个实施方案中，本发明的方法还包括下列步骤(i)提供具有预定大小的参 考粒子的流体流；(ii)将具有所述参考粒子的流体流曝露于电磁辐射束，其中在参考粒子 和所述辐射束之间的相互作用产生来自所述参考粒子所散射或发射的电磁辐射；(iii)将 来自所述参考粒子所散射或发射的电磁辐射的至少一部分导引到二维检测器的有效区域 的检测器元件的阵列之上，(iv)检测被导引到多个所述检测器元件上的来自所述参考粒子 所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件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；以及(ν)为该阵列的检测器元件的至少 一部分测量输出信号，从而生成由所述参考粒子所散射的电磁辐射的强度的参考粒子检测 识别标志，所述参考粒子检测识别标志包括检测器元件的输出信号的参考图案。在一个实 施方案中，识别和/或分析粒子检测识别标志的步骤包括将粒子检测识别标志的输出信号 的图案和参考粒子检测识别标志进行比较。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，包括 下列步骤(i)提供具有该粒子的流体流；(ii)将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)检测所散 射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件的至少一部分产生相应于 所散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；(ν)确定该阵列的检测器元件的一个子集， 该子集包括多个检测器元件，其中该子集的每个检测器元件具有一个大于或等于给定检测 器元件的阈值的输出信号；(Vi)仅将该子集的输出信号传输到处理器；以及(Vii)分析被 传输到该处理器的输出信号，从而检测该粒子。在此方面的某些方法中，所述检测器元件被 预过滤使得仅传输和处理那些超过检测器元件的阈值的输出信号，可选地还有来自邻近的 和/或直接邻近的检测器元件的输出信号。在本发明的某些方法中，所述确定步骤包括分 析所述二维检测器的检测器元件的输出信号；并且识别具有大于给定检测器元件的阈值的 输出信号的检测器元件。如此处所用，术语“子集”指的是所述二维检测器(诸如CMOS检 测器)的检测器元件的一部分但不是全部，而在某些实施方案中指的是那些检测从粒子所 散射或发射的电磁辐射的检测器元件。在某些方法中，该子集包括阵列的至少3个邻近的 或直接邻近的检测器元件，或者该子集包括阵列的至少10个邻近的或直接邻近的检测器 元件。在某些方法中，该子集包括阵列的2至7个邻近的或直接邻近的检测器元件，且可选 地，该子集包括阵列的2至20个邻近的或直接邻近的检测器元件。在一个实施方案中，所 述子集还包括0到50个或可选地1到50个邻近的或直接邻近的检测器元件，每个所述检 测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。在此方面的一个实施方案中，所述阵列的检测器元件的输出信号是已处理的信 号，例如，对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出信号均已被减去了背景值。在此方
13面的一些实施方案中，每个被减去的背景值相应于对于该阵列中的给定检测器元件在没有 所关注粒子被提供给辐射束的检测环境下的平均输出信号。在一个实施方案中，所述最小 阈值对于阵列中不同的检测器元件而言是不同的。例如在一个实施方案中，阵列中给定检 测器元件的阈值等于或大于该阵列中给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，且可选地 阵列中给定检测器元件的阈值等于该阵列中给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5至7 倍。在一个实施方案中，此方面的方法还包括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的步骤。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，其包 括下列步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将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)检测所散射 或发射的电磁辐射的至少一部分；(ν)产生多个检测帧，其中每个检测帧包括在给定时间 间隔内的检测器元件的多个输出信号；(Vi)将具有相应于所散射或发射的电磁辐射的检 测强度的输出信号的多个检测帧组合，以生成粒子检测事件的合成图像；(Vii)分析该合 成图像，从而检测所述粒子。如此处所用，合成图像指的是由多个检测巾贞一或者是相应于 单个粒子检测事件的多个检测帧一的输出信号的至少一部分的组合所引起的数据点的 合成。例如，在某些实施方案中，来自粒子的散射或发射是在多个检测帧上被捕获的，且来 自每个帧的输出信号的至少一部分被组合以产生来自该粒子的散射的合成图像。在某些实 施方案中，该合成图像被分析以确定所述粒子的大小或其他物理尺寸。如此处所用，“检测 帧”指的是所述二维检测器的至少一部分的多个输出信号，且可选地来自所述二维检测器 的子阵列或所述二维检测器的检测器元件的子集。以此方式，检测帧相应于由含有粒子的 流体所散射、发射或传输的电磁辐射的多个单独的测量值。此实施方案的方法还包括识别具有相应于由该粒子所散射或发射的电磁辐射的 检测强度的输出信号的检测帧。在某些实施方案中，检测帧以0. 5kHz至20kHz的速率生 成，且可选地对于某些应用是以0. IkHz至2kHz的速率。在某些方法中，每个检测帧相应于 50μ s至2ms的时间间隔。在一个实施方案中，组合1至100个检测帧以生成所述合成图 像，且可选地对于某些应用，组合1至20个检测帧以生成所述合成图像。此实施方案的一 些方法还包括从每个所述检测帧中减去一个参考帧。如此处所用，术语“参考帧”指的是该 阵列(或该阵列的子集或其子阵列)中的多个检测器元件的多个背景输出信号，其中每个 背景输出信号是该阵列中的给定检测器元件在没有所关注粒子被提供给辐射束的检测条 件下的平均输出信号。这样，参考帧相应于当没有所关注的粒子时、由流体和/或光学粒子 计数系统所散射、发射或传输的电磁辐射的多个单独的测量值。在一个实施方案中，所述参 考帧是相应于在没有所关注粒子的检测环境下的50至200个单独帧的平均值，从而代表了 该阵列或其子集或子阵列中的每个检测器元件的稳定状态值。从检测帧减去一个参考帧允 许对如下小粒子进行检测并确定其大小所述小粒子在某些环境下产生的散射或发射的光 信号少于检测器元件的稳定状态值。可选地，在某些方法中不断地更新所述参考帧。此实 施方案的方法还包括，将所散射或发射的电磁辐射的至少一部分成像到该阵列的检测器元 件上。在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于检测流体流中的粒子的方法，其包括下列步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒 子和该辐射束之间的相互作用产生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)使用 二维检测器的子阵列检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述子阵列的检测 器元件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；(V)仅将相 应于该子阵列或其一部分的检测器元件的输出信号传输给处理器；以及(Vi)分析被传输 到该处理器的输出信号，从而检测该粒子。如此处所用，术语“子阵列”指的是二维检测器 阵列的一部分。利用来自子阵列的输出信号的本发明的方法，具有非常迅速地读出二维检 测器的有效区域的缩小区域的能力，从而实现在对粒子进行计数和确定粒子大小方面的高 频和高灵敏度的测量。在一个实施方案中，例如，所述子阵列包括所述二维检测器的检测 器元件的0. 2%至25%，可选地所述子阵列包括所述二维检测器的检测器元件的0. 2%至 10%。在一个实施方案中，例如，所述子阵列包括32x176个检测元件，且可选地对于某些应 用是64x576个检测元件。在一个实施方案中，所述二维检测器具有400000至1300000个 检测器元件，且可选地是CMOS检测器。此实施方案的一个方法还包括，将所散射或发射的 电磁辐射的至少一部分成像到该阵列的检测器元件上。在一个实施方案中，本发明提供了用于检测流体流中的粒子的方法，其包括下列 步骤(i)提供具有粒子的流体流；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒子和该 辐射束之间的相互作用生成散射或发射的电磁辐射；(ii)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；(iii)使用所述 二维检测器的子阵列检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其中所述子阵列的检测 器元件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；(iv)确定 该子阵列的检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中所述子集的每个 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；(ν)仅将该子集的输出 信号传输到处理器；以及(vi)分析被传输给该处理器的输出信号，从而检测所述粒子。在 一个实施方案中，所述检测步骤包括分析所述子阵列的输出信号；并且识别该子阵列中具 有大于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元件。在一个实施方案中，所述子集还 包括0到50个邻近或直接邻近的检测器元件，它们中的每个都具有大于或等于给定检测器 元件的阈值的输出信号。此实施方案的方法还包括，将所散射或发射的电磁辐射的至少一 部分成像到该阵列的检测器元件上。本发明还提供了基于光学成像的粒子检测系统，包括光学粒子计数器和分析仪， 其能够识别和分析源自来自粒子的光学散射或发射的光学检测识别标志。本发明的此方面 的光学粒子分析仪包括(i) 一个光源，用于生成电磁辐射束；(ii) 一个室，用于使含有粒 子的流体流过电磁辐射束，从而生成散射或发射的电磁辐射，其中所述流体流是通过流向 表征的；(iii)光收集系统，用于收集所散射或发射的电磁辐射的至少一部分并将其导引 到二维检测器阵列的多个检测器元件上，其中该阵列的检测器元件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；以及(iv) —处理器，其可操作连接到所述 二维检测器，能够识别包括检测器元件的多个输出信号的图案的粒子检测识别标志，每个 检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。在一个实施方案中，该处 理器还能够分析粒子检测识别标志的形状和/或粒子检测识别标志的输出信号的强度，以提供对粒子的特征诸如大小、形状和/或物理尺寸的指示。在本发明的此方面的某些系统 中，用于收集并导引所散射或发射的电磁辐射的至少一部分的光收集系统包括收集光学器 件，诸如透镜系统，其用于将所散射或发射的电磁辐射的至少一部分成像到所述二维检测 器的有效区域上。在本发明的一种方法中，流体流是含有粒子的液体流。在本发明的一种方法中， 流体流是含有粒子的气体流。在本发明的多个实施方案中，选择特定系统部件和规格的组 合以便生成来自粒子散射事件的、具有可再生的和易识别的特征的粒子检测识别标志，所 述特征如明确限定的几何形状和/或强度分布。在一个具体实施方案中，例如粒子通过辐 射束的轨迹的长度选自0. 01毫米至0. 150毫米的范围。在一个具体实施方案中，例如，二 维检测器具有从在一侧上的3微米到在一侧上的50微米的像素尺寸(检测器元件大小)。 在一个具体实施方案中，例如，所述二维检测器的阵列具有在0. 1平方毫米至5平方厘米的 范围内的有效区域。在一个具体实施方案中，例如，所述流体流被提供为具有1厘米每秒至 200厘米每秒的范围内的流速。在一个具体实施方案中，例如，所述信号的强度轮廓反映了 所述激光束的强度轮廓。本发明的分析仪包括容积型光学粒子计数器和分析仪，用于检测和/或表征在样 本的整个容积内的粒子。然而，本发明也包括非容积型光学粒子计数器和分析仪，用于检测 和/或表征在样本容积的一部分中的粒子。在另一方面，本发明提供了一种用于抑制在光学粒子分析仪中的伪检测事件的方 法，其包括下列步骤(i)将具有粒子的流体流提供给光学粒子计数器；(ii)将该流体流曝 露于电磁辐射束，其中在具有粒子的流体流和辐射束之间的相互作用生成散射或发射的电 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光学粒子分析仪的被设置 在一个二维检测器阵列中的多个检测器元件上，(i ν)检测来自所述粒子的被导引到所述 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，其中所述阵列的检测器元件 的至少一部分产生相应于所散射或发射的电磁辐射的强度的输出信号；(ν)为所述阵列的 检测器元件的至少一部分测量输出信号；以及(Vi) —旦识别了如下粒子检测识别标志就 感测(sense)粒子检测事件，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，其中每个检测器元件都具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号，从而 抑制在光学粒子分析仪中的伪检测事件。在此方面的一个具体实施方案中，粒子检测识别 标志包括具有细长形状的检测器元件的输出信号的图案，且在某些实施方案中包括来自至 少3个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在此方面的一个具体实 施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号 的至少2个邻近检测器元件的输出信号的图案，而在某些实施方案中，其包括具有大于或 等于给定检测器元件的阈值的输出信号的至少2个直接邻近的检测器元件的输出信号的 图案。在此方面的一些实施方案中，输出信号的图案包括来自沿着粒子检测识别标志的纵 向维度设置的至少2个邻近检测器元件——可选地是直接邻近的检测器元件——的输出信 号。在另一方面，本发明提供了一种在光学粒子分析仪中将粒子检测事件和其他电磁 辐射生成或检测过程区分开来的方法，所述方法包括下列步骤(i)将具有粒子的流体流 提供给光学粒子计数器；(ii)将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在具有粒子的流体流和辐射束之间的相互作用产生散射或发射的电磁辐射；(iii)将所散射或发射的电磁辐射的 至少一部分导引到所述光学粒子分析仪的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、来自所述粒子所散射或发射的电磁 辐射的至少一部分，其中所述阵列的检测器元件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；(V)为所述阵列的检测器元件的至少一部分测量输出信号； 以及(Vi) —旦识别了包括如下检测器元件的多个输出信号的图案的粒子检测识别标志， 就感测粒子检测事件所述检测器元件中的每一个均具有大于或等于给定检测器元件的阈 值的输出信号，其中所述粒子检测识别标志包括来自沿纵轴放置的至少3个直接邻近的检 测器元件的输出信号，从而在光学粒子分析仪中将粒子散射事件和其他电磁辐射生成或检 测过程区分开来。在此方面的具体实施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有细长形状 的检测器元件的输出信号图案，而在一些实施方案中包括来自至少3个纵向相邻、直接邻 近的检测器元件的高于阈值的输出信号。在此方面的一个具体实施方案中，所述粒子检测 识别标志包括具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的、至少2个邻近的检测 器元件的输出信号的图案，而在某些实施方案中，所述粒子检测识别标志包括具有大于或 等于给定检测器元件的阈值的输出信号的、至少2个直接邻近的检测器元件的输出信号的 图案。在此方面的某些实施方案中，输出信号的图案包括来自沿着所述粒子检测识别标志 的纵向维度设置的至少2个邻近检测器元件——可选地为直接邻近的检测器元件——的输 出信号。不希望被任何具体理论所束缚，此处可以存在和本发明有关的深层原理的信念或 理解的讨论。应承认，无论任何机制上的解释或假说的最终正确程度如何，本发明的实施方 案都仍然可以是可操作的且是有用的。
图IA提供了本发明的一个基于二维成像的可用于检测和/或表征液体样本中的 粒子的粒子计数器的示意图。图IB提供了本发明的一个基于二维成像的提供了对液体样 本中的粒子的体积分析的粒子计数器的示意图。图2A和2B提供了基于二维成像的粒子计数器100的成像检测组件的顶视平面 图。图2A示出了一个光学几何图形的示意图，其中经成形的电磁辐射束110的横截面轮廓 的长轴被定向为平行于流体的流向(由箭头示意性示出)，而图2B示出了一个光学几何图 形的示意图，其中经成形的电磁辐射束110的横截面轮廓的长轴被定向为正交于流体的流 向(由箭头示意性示出)。图3提供了一个流程图，其用于本发明的使用图1和2的基于二维成像的粒子计 数器来检测和可选地表征流体中的粒子的特定方法中。图4A示出了描绘来自被提供给本发明的系统的粒子的所散射的电磁辐射的二维 图像的方框图。在图4A中示出的栅格单元是相应于CCD检测器的单个像素元件的检测器 元件。图4B示出了图4A中所示的粒子检测识别标志530的放大视图。图5A和5B提供了示例实验数据，其示出了与本发明的方法和系统中的确立阈值 有关的二维检测器阵列的检测器元件的噪声分布。图6示出了对于一个图像分析条件范围，伪计数率相对于阈值(以标准差的噪声的倍数表示)的曲线图。图7A和7B示出了用于本发明的利用二维阵列检测器和非正交检测几何图形的基 于成像的检测的光学几何图形。图7A提供了顶视图，图7B提供了侧视图。图8示出了穿过激光的在检测器上形成散射光迹(light streak)的粒子。图9示出了穿过激光的不同空间区域、在检测器的不同空间部分上形成散射光迹 的粒子。图10提供了当没有粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的流体池的散射辐射 强度图案。图11将图10的数据以三维强度图给出。图12提供了当存在单个粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的流体池的散射 辐射强度图像。图13以三维强度图示出了来自图12的数据。图14以三维强度图示出了已减去背景的图像。图15提供了当存在IOOnm和70nm的粒子时由二维检测器阵列所观察到的流体池 的原始的(即，未减去背景的)散射辐射强度图像。图16提供了当存在粒子时由二维检测器阵列所观察到的流体池的一系列已减去 背景的散射辐射强度图像。图17示出了在仅存在IOOnm粒子(左图)、和同时存在70及IOOnm粒子(右图) 时所检测的粒子大小分布。图18提供的数据示出了，对于50、70、80和IOOnm大小的粒子，所散射的辐射信号
和粒子大小的关系。图19提供了二维的和三维的已减去背景的散射辐射强度轮廓。图20提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图21提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图22提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。图23提供了一个流程图，其说明了用于检测并确定粒子大小的本发明的图像处 理方法的多个方面。
具体实施例方式总体上，此处使用的术语和词组具有其在本领域公知的含义，这些含义可以通过 参照标准文本、期刊文献和本领域技术人员公知的文本而找到。下列限定被提供以澄清它 们在本发明的上下文中的具体使用。表述“粒子检测识别标志”和“检测识别标志”指的是包括检测器元件的多个输出 信号的图案，每个所述检测器元件具有的输出信号大于或等于二维光学检测器的检测器阵 列的一个给定检测器元件的阈值。本发明的粒子检测识别标志是通过对由粒子所散射或发 射的电磁辐射的二维检测而生成的。粒子检测识别标志具有可用于准确检测和/或表征粒子的几何形状和/或强度分布分量。本发明的粒子检测识别标志可藉由纵向分量和/或横 向分量进行表征。“流向”指的是当流体流动时与大量流体正在移动的方向相平行的轴。对于流经直 的流体池的流体，流向平行于大量流体前进的路径。对于流经弯曲流体池的流体，流向可被 视为和大量流体前进的路径相切。“辐射束传播轴”指的是和电磁辐射束的行进方向平行的轴。“横截面轮廓”指的是由在与传播轴或行进轴成直角地切过一个对象的平面所形 成的轮廓。例如，电磁辐射束的横截面轮廓就是由和辐射束传播轴垂直的平面所形成的辐 射束轮廓。流体池的横截面轮廓是由和流向垂直的平面所形成的流体池的轮廓。“长轴”指的是与一个形状的最长的轴相平行的轴。例如，椭圆的长轴平行于椭圆 最长的直径，而矩形的长轴平行于矩形的长边。“短轴”指的是和一个形状的最短的轴平行的轴。例如，椭圆的短轴平行于椭圆的 最短直径，而矩形的短轴平行于矩形的短边。“光通信”指的是对组件进行定向，使得组件被布置为允许光或电磁辐射在组件之 间传播。“光轴”指的是电磁辐射传播穿过系统所沿的方向。“二维检测器”指的是这样的检测器，其能够在检测器的有效区域中在两个方向 上空间地解析输入信号(例如，电磁辐射)。二维检测器能够生成一个图像，例如相应于 检测器的有效区域上的强度图案的图像。优选的二维检测器包括单独的检测元件或像素 的阵列，例如光电检测器的二维阵列、电荷耦合器件(CCD)检测器、互补金属氧化物半导 体(CMOS)检测器、金属氧化物半导体(MOS)检测器、有源像素检测器、微通道板检测器、光 电倍增管的二维阵列、光电二极管的二维阵列、光电晶体管的二维阵列、光敏电阻的二维阵 列，或者光导薄膜。“光源”指的是能够将电磁辐射发送到样本的设备或设备组件。此术语不限于可 见辐射，例如可见光束，而应在广义上用于包括任意电磁辐射。光源可被实施为激光器或激 光器阵列，举例而言，比如二极管激光器、二极管激光器阵列、二极管激光泵浦固态激光器、 LED、LED阵列、气相激光器和固态激光器。术语“电磁辐射”和“光”在本说明书中被同义使用，且指的是电场和磁场的波。可 用于本发明的方法的电磁辐射，包括但不限于紫外光、可见光、红外光，或波长介于大约100 纳米至大约15微米之间的所述这些辐射的任意组合。表述“检测粒子”宽泛地指感测粒子、识别粒子的存在和/或表征粒子。在某些实 施方案中，检测粒子指的是对粒子计数。在某些实施方案中，检测粒子指的是表征和/或测 量粒子的物理特征，诸如直径、横截面尺寸、形状、尺寸、空气动力学粒径、或这些物理特征 的任意组合。“粒子”指的是通常被视为污染物的小对象。粒子可以是由摩擦行为产生的任何 材料——例如当两个表面机械接触且有机械运动时。粒子可由材料的聚集体组成，所述材 料诸如尘土、灰尘、烟、灰、水、煤烟、金属、矿物质，或这些或其他材料或污染物的任何组合。 “粒子”也可以指生物粒子，例如，病毒、孢子以及微生物，包括细菌、真菌、古生菌、原生生 物、其他单细胞微生物，特别是具有大约1-15 μ m大小的微生物。粒子可指吸收或散射光从而可被光学粒子计数器检测到的任何小的对象。如此处所用，“粒子”意在排除载体流体的 单个原子或分子，例如水分子、氧分子、氦原子、氮分子等等。本发明的一些实施方案能够对 如下粒子进行检测、确定大小和/或计数，所述粒子包括具有大于10nm、20nm、30nm、50nm、 ΙΟΟηπκδΟΟηπκΙμπι或更大，或者10 μ m或更大的尺寸的材料的聚集体。具体的粒子包括具 有如下尺寸的粒子，所述尺寸选自20nm、30nm至50nm、50nm至50μπι，选自IOOnm至10 μ m， 或者选自500nm至5μπι。术语“气溶胶光学粒子计数器”、“光学粒子计数器”和“粒子计数器”在此可互换 地使用，且指的是能够检测悬浮在流体中的粒子的系统、能够确定悬浮在流体中的粒子的 大小的系统、能够对悬浮在流体中的粒子计数的系统、能够对悬浮在流体中的粒子分类的 系统，或上述这些系统的任意组合。一个典型的液态或气溶胶光学粒子计数器包括多个部 件，诸如用于产生电磁辐射束的源、用于将该辐射束导引至流体样品(例如流过流动池的 液体或气体)流动的区域的光学器件。一个典型的光学粒子计数器还包括用于检测由通过 辐射束的粒子所散射或发射的电磁辐射的光电探测器(诸如二维光学检测器)和收集光学 器件，以及其他用于对光电探测器所产生的电子信号进行处理和分析的电子器件，包括电 流-电压转换器、信号过滤和放大电子器件。一个光学粒子计数器还可以包括用于形成流 动以将流体样品引至电磁辐射束存在的检测区域的泵。本发明提供了用于检测并表征流体中的粒子的基于二维成像的方法和系统。本发 明的方法和系统生成、识别和/或分析具有几何形状和强度分布的粒子检测识别标志，可 用于准确检测并表征粒子、以及用于抑制伪计数。图IA提供了本发明的基于二维成像的粒子检测器100的示意图，其可用于检测 和/或表征在液体样本中的粒子。如图IA所示，光源105——诸如激光器或发光二极管光 源——生成电磁辐射束110，该电磁辐射束被导引到辐射束成形光学元件115，例如一个或 多个聚焦透镜上。经成形的电磁辐射束110被导引到具有流体室122的流体池120之上， 该流体室用于限制内部带有粒子的流体流。电磁辐射束110和被置入流体池120的流体室 122中的流体中的粒子的相互作用，生成散射的电磁辐射。所散射的电磁辐射125的一部 分被收集光学器件130和135——例如非球面透镜系统——所收集，并且成像到二维检测 器140阵列的多个检测器元件上。在一个实施方案中，二维检测器140是CCD检测器或摄 像机、CMOS检测器、MOS检测器、有源像素检测器、微通道板检测器或光电二极管的二维阵 列。在优选实施方案中，二维检测器140是图像照相机系统。所述二维阵列的检测器元件中 的至少一部分检测器元件，生成相应于所散射的或发射的电磁辐射的强度的输出信号。来 自二维检测器140的检测器元件的输出信号的至少一部分被测量和分析，可选地是通过处 理电子器件145被测量和分析。二维检测器140和/或处理电子器件145被配置为识别和 分析粒子检测识别标志，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。为了方便表示，图IA示例性地展示了具有如下光学几何图形的本发明的一个实 施方案其中流体室122的横截面轮廓的仅一部分被电磁辐射束110照射。如本领域技术 人员将理解的，本发明可组合一个宽泛范围的各种光学几何图形和辐射束尺寸，以用于将 流体曝露于电磁辐射束。例如，本发明包括如下的光学几何形状和辐射束尺寸其中流体室 122的整个横截面轮廓被电磁辐射束110照射，从而提供体积分析。图IB提供了本发明的基于二维成像的粒子计数器200的示意图，该粒子计数器提供对液体样本中的粒子的体积 分析。如图IB所示，辐射束110完全交叠流体室122，从而能够实现体积测量。图2A和2B提供了基于二维成像的粒子计数器100的基于成像的检测部件的顶视 平面图。绘图部分110示出了沿着传播轴传播(进入并离开纸面)的经成形的电磁辐射束 110的横截面，该电磁辐射束和流体池120相交并且将限定在流体室122中的含有粒子的 流体曝露于电磁辐射。图2A提供了一个光学几何图形的示意图，其中已成形的电磁辐射束 110的横截面轮廓的长轴被定向为平行于流体的流向(由箭头示意性示出)，图2B提供了 一个光学几何图形的示意图，其中已成形的电磁辐射束110的横截面轮廓的长轴被定向为 正交于流体的流向(由箭头示意性示出)。图2A和2B也提供了射线图，其示出了来自正 流过流体池120的流体室122的粒子(在图2A和2B中被示意性地示为实心圆)的所散射 的电磁辐射。如这些图中所示，所散射的光被收集光学元件130和135所收集，并且成像到 二维检测器140的二维阵列150的多个单独的检测器元件上。如图2A和2B中的射线图所 示，与所述粒子所散射的电磁辐射相关的空间信息，通过当前的二维成像技术而被保留。来 自二维阵列150的检测器元件的信号被二维检测器140和/或处理电子器件145实时地处 理和分析，以识别和/或分析粒子检测识别标志。图3提供了用于本发明的一个具体方法的过程流程图，其使用图IA或IB的基于 二维成像的粒子分析仪来检测以及可选地来表征在流体中的粒子的大小。如图中所示，提 供基于成像的粒子分析仪，且使含有粒子的流体(气体或液体)流过该分析仪。由该流体 中的粒子所散射的电磁辐射被成像到二维阵列的二维检测器的检测器元件上。来自该阵列 的检测器元件的输出信号被周期性地测量和分析，以便识别指示了来自该分析仪中的粒子 的散射的粒子检测识别标志。在图3中所示的具体实施方案中，相应于该阵列的检测器元 件的输出信号被分析，以便识别存在具有大于针对该阵列中每个检测器元件所预选的阈值 的输出信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件，其指示一粒子检测识别标 志。在本实施方案中对粒子检测识别标志的识别，使得以确定一个粒子已检测到。在一个 实施方案中，相应于检测器元件的输出信号被分析，以便识别存在具有比该阵列的给定检 测器元件的噪声的标准差大2. 5倍——可选地比该阵列的给定检测器元件的噪声的标准差 大2. 5-5倍——的输出信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件，从而指示一 粒子检测识别标志，且使得以确定一个粒子已检测到。如上所述，本发明的方法和系统可以 可选地采用包括如下输出信号的标准差(例如检测器元件的背景值)的倍数(例如2. 5倍 或2. 5至5倍)的阈值所述输出信号为，在没有来自所关注粒子所散射或发射的电磁辐射 的检测环境下、检测器元件的输出信号。可选地，图3中所示的方法还包括如下步骤，即，分析来自所述检测器阵列的一个 预限定区域的信号，所述预限定区域例如是涵盖了具有高于阈值的信号的3个或更多个纵 向相邻、直接邻近的检测器元件或这些检测器元件的一部分的一个区域。该阵列的预限定 区域在一些实施方案中是一扩展区域(也即，包括除了所述具有高于阈值的信号的3个或 更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件之外的另外的检测器元件)。替代地，在一些实施 方案中，该阵列的预限定区域在一些实施方案中是一缩小区域(也即，包括少于所述具有 高于阈值的信号的3个或更多个纵向相邻、直接邻近的检测器元件的检测器元件)。在此实 施方案中，对阵列的预限定区域中的检测器元件的输出信号的分析，可通过多种信号处理技术实现，所述信号处理技术包括但不限于对所述检测器阵列中的检测器元件的选定输 出信号进行积分，对所述检测器阵列中的检测器元件的选定输出信号进行求和，以及对所 述检测器阵列中的检测器元件的选定输出信号求平均。在某些实施方案中，所述分析步骤 是通过将输出信号或得自输出信号的值与在对基于二维成像的粒子分析仪进行校准时所 确立的一个或多个预定值相比较而实现的。对该阵列的预限定区域的检测器元件的输出信 号的分析使得可确定粒子的大小。图4A示出一个描绘了由本发明的基于二维成像的分析仪中的粒子所散射的电磁 辐射的二维图像的方框图。在这些实验中成像的粒子，是具有125nm直径的聚苯乙烯胶乳 球体。在图4A中示出的栅格单元是相应于CCD检测器的单独像素元件的检测器元件。六 个粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530在本图中清晰可见。粒子检测识别标志 的不同位置相应于穿过电磁辐射束的流体室中的粒子的不同位置。在本发明的这个实施方 案中，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530包括具有大于给定检测器元件的噪 声的标准差的3倍的输出信号的、至少3个相邻、直接邻近的检测器元件的多个输出信号的 图案。粒子检测识别标志530包括例如15个输出信号的图案。在图4A中还示出了纵轴570和横轴575。每个粒子检测识别标志505、510、515、 520,525和530还可以通过包括沿着平行于纵轴570的方向延伸的一系列直接邻近的检测 器元件的纵向分量被表征。在一个实施方案中，例如，每个粒子检测识别标志505、510、515、 520,525和530还通过包括在平行于纵轴570的方向延伸的一最大系列的直接邻近的检测 器元件被表征。如图4A所示，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530的形状是细 长的且基本是矩形。具体地，粒子检测识别标志505、510、515、520、525和530通过沿着平 行于纵轴570的方向延伸的较长的纵向分量和沿着平行于横轴575的方向延伸的较短的横 向分量被表征。矩形的较长边(也即，沿着纵轴570方向延伸的边)相应于流经所述电磁 辐射束的粒子的流向。图4B示出了在图4A中示出的粒子检测识别标志530的放大图。输出信号的图案 的强度值被示为X1-X5, Y1-Y5以及Z1-Z515 X1-X5, Y1-Y5和Z1-Z5中的每一个均具有超过给定 检测器元件的阈值的值，例如具有给定检测器元件的噪声的标准差的至少3倍的值。对于 给定集合X1-Xp Y1-Y5或Z1-Z5，使输出信号纵向对齐。在某些实施方案中，输出信号X1-Xp Y1-Y5和Z1-Z5的强度值的分布，提供了关于与电磁辐射束相互作用的粒子的大小和/或形 状的信息。在图4A中还示出了纵轴570和横轴575。如图4B所示，粒子检测识别标志530 具有包括了 5个直接邻近的检测器元件的纵向分量。所述粒子检测识别标志530的纵向分 量可包括检测器元件系列X1-X5A1-Y5和Z1-Z5中的任一系列。如图4B所示，粒子检测识别 标志530具有包括了 3个直接邻近的检测器元件的横向分量。粒子检测识别标志530的横 向分量可包括检测器元件系列X1Y1Zp X2Y2Z2, X3Y3Z3、X4Y4Z4和X5Y5Z5中的任一系列。图5Α和5Β提供了示出与本发明中的建立阈值有关的二维检测器阵列的检测器元 件的噪声分布的示例实验数据。在这些图中，在y轴上绘出频率，在χ轴上绘出12位计数。 所述数据来自被曝光5000次(也即，5000帧)的检测器阵列的单个像素。图5A示出了背 景，其是稳态光照水平加上噪声。图5B示出稳态水平被减去后仅剩下噪声时的同一数据。 噪声分布的标准差等于11. 4。在本发明中，这个值用于确立阈值。在一个实施方案中，例如， 给定检测器元件的阈值被设置为给定检测器元件的噪声分布的标准差的大约3倍，或者对
22于此实施例约为34. 2的值。图6示出对于一个范围的图像分析条件，伪计数率和阈值(以噪声分布的标准差 的倍数表示)的关系的曲线图。相应于(Ivert)的曲线相应于常规粒子检测分析条件， 其中粒子检测是在一个单独的检测器元件等于或超过预定阈值的情况下确定的。相应于 (2vert)的图表相应于这样的分析条件其中粒子检测是在两个纵向直接邻近的检测器元 件等于或超过预定阈值的情况下确定的。因此，此方法利用了包括来自两个直接相邻邻 近的检测器元件的等于或超过给定阈值的输出信号的图案的粒子检测识别标志。相应于 (3vert)的曲线相应于这样的分析条件其中粒子检测是在三个纵向直接邻近的检测器元 件等于或超过预选的阈值的情况下确定的。因此，此方法利用了包括来自三个直接邻近的 检测器元件的等于或超过给定阈值的输出信号的图案的粒子检测识别标志。如本图中所 示，基于对具有多个超过阈值的纵向直接相邻的检测器元件的二维检测器识别标志的识别 的图像分析(即，2vert和3vert曲线)，导致了明显较少的伪计数。图6也展示了对包括 来自多个直接邻近的检测器元件的输出信号的粒子检测识别标志的使用，其允许阈值被设 置得明显较低，从而能够实现对较小粒子(例如，直径小于0.1微米)的检测和大小表征。可通过下列非限制性实施例进一步理解本发明。实施例1 基于二维成像的光学粒子计数器本发明的基于成像的光学粒子计数器的性能通过实验被估计。此实施例的光学粒 子计数器使用非正交光学几何图形以允许对流体流中的粒子所散射的光进行高分辨率得 二维成像(例如，液相粒子计数)。此处提供的结果表明本发明的基于成像的光学粒子计数 器提供了稳健的感测平台，该平台提供了超过传统光学粒子计数器的增强的灵敏度。在超纯净去离子化(DI)的水中进行粒子计数的一个难点在于，在许多环境下这 些样本一例如在半导体制造或药品生产设施中所使用的样本——是非常干净的，且通常 包括小量的非常小的粒子。去离子化水一般是通过如下过程被制备的，即，使水经过一种或 多种离子交换树脂以移除离子杂质，且可在离子交换之前或之后被过滤一次或多次，以移 除额外的粒子和其他杂质。超纯净去离子化水的一般粒子浓度是非常小的，例如，每万亿小 于0. 1份(对于大于50nm的粒子，以体积计数为每升200个计数的粒子)。此外，在某些 商业相关的环境中，非挥发性残渣(NVR)、金属和其他离子超过所述粒子浓度四个数量级以 上。在传统的光学粒子计数器中，来自载体流体(例如水)的分子散射产生噪声，该噪 声会是限制计数器检测和表征少量的小粒子(例如小于100纳米)的大小的能力的重要因 素。例如，对于高纯度环境，由该粒子计数器的光学检测器检测到的载体流体所散射的辐射 水平通常大于从流体中的粒子所散射的光的强度。当背景信号被假设为是DC信号且被阻 挡时，噪声会由背景的变化产生，从而降低灵敏度并且潜在地利于伪计数的发生，这将严重 地削弱粒子计数器的可靠性。检测器上的噪声数量一般和DC噪声水平的平方根成比例，例 如，如果散射水平增加到4倍，则噪声水平将增加到2倍。为了解决此限制，某些光学粒子计数器通过将样本体积分成多个较小的部分来减 少所检测到的分子散射总量。例如，使用阵列检测器能够通过将小样本体积部分映射到单 独的检测器阵列元件上来实现高灵敏度的粒子计数器。然而，这一技术目前限于使用具有5 至20个检测器元件的一维阵列检测器。本发明使用具有数千个或甚至数百万个检测器元件的检测器实现二维阵列检测。本发明还实现了数字信号获取和处理方法。为了解决传统系统的限制，本发明的光学粒子计数器将样本体积分成几千份或几 百万份，将信号数字化并且利用先进的信号处理软件以及电子系统来分析粒子检测事件。 通过将样本体积映射到二维阵列(例如，一百万像素或更多像素的阵列)，即便是来自高功 率激光的背景辐射水平也被保持得足够低，使得能够灵敏地检测非常小的粒子，例如横截 面尺寸为大约IOOnm或更小，大约70nm或更小，甚至大约50nm或更小和/或大约40nm或 更小的粒子。本发明的这一方面允许有效结合超高功率光源实现增强的灵敏度。此外，在 本粒子计数器中纳入高效检测器，也通过增加信噪比增加了检测灵敏度。除了其他之外，使用包括二维阵列检测器的粒子传感器的优点之一在于，从粒子 所散射的辐射信号提供了像素强度的独有图案，允许将来自粒子散射事件的信号与非粒子 信号有效地区分开来，非粒子信号例如包括，分子散射或撞击检测器元件的高能光子(例 如宇宙射线)。此外，由于样本体积被映射在整个二维检测器上，来自所述光学池的壁(和 /或壁上的污染物)的散射可被有效地分出，以免影响样本体积上正发生粒子散射的其他 区域的检测灵敏度。此处描述的粒子传感器的另一个优点是，在工作时记录粒子检测事件的能力，例 如保存由所述二维阵列检测器所检测到的图像。这使得可以对粒子检测事件进行离线分 析，例如用于进一步分析和考虑。此外，本光学粒子计数器使用二维阵列检测器提供了对流 体池的直接可视化。这种配置允许实时地优化、诊断、检测流体池上或内的杂质、和/或检 测其他问题。图7A和7B示出了用于本发明的利用二维阵列检测器和非正交检测几何图形的基 于成像的检测的光学几何图形。图7A提供了顶视图，图7B提供了侧视图。激光光源610 提供了具有窄辐射束轮廓(例如，激光束长轴大于激光束短轴)的电磁辐射束615，其被导 引通过具有含有粒子的流体618的流体池620。所述粒子在图7A和7B中被示意性地示为 实心圆。如这些图中所示，流体618被提供给流体池620，以使其沿预定的流向(示意性地 示为虚线619)流动。在图7A和7B所示的实施方案中，所述辐射束从流体池到达辐射束截 捕器(beam stop)630。当穿过流体池的粒子被激光束615照射时，生成散射辐射，其至少 一部分被包括透镜640的光收集系统所收集，且被导引到以倾斜的检测器取向而提供的二 维检测器阵列650。二维检测器阵列650的这种检测器取向受提供给流体池615的辐射束 615相对于流向619的角度的支配，以便将被散射的电磁辐射有效成像到二维检测器阵列 650的有效区域上。穿过该激光的粒子将在检测器上形成一条散射光迹，例如，如图8所示。图9示 出了穿过激光的不同空间部分的粒子在检测器的不同空间部分上产生散射光迹，有效地提 供了由所述激光照明的流体池的二维视图。图10提供了当没有粒子时由二维检测器阵列 所观察到的流体池的散射辐射强度图像，在该图像的末端处示出了从流体池的壁所散射的 光。图11将将图10的数据以三维强度图给出。图12提供了当存在单个粒子时，由二维检测器阵列观察到的该流体池的散射辐 射强度图像。在此图像中，粒子从上至下流经流体池，激光从左到右穿过流体池。图13将 图12中的数据以三维强度图示出，清晰地示出了粒子检测事件。通过从存在粒子的图像中 减去没有粒子时的背景图像，大大增加了该事件的信噪比。图14将这样的已减去背景的图像以三维强度图示出。如上面所讨论，本发明包括这样的系统和方法其中背景参考帧从相应于检测事 件的图像中被减去。在一些实施方案中，所述参考帧是50-200个单独帧的平均，从而代表 了每个像素的稳态背景值。这些背景值被从检测帧(也即，相应于粒子散射事件的检测帧) 减去，以使得仅瞬态信号被分析。减去所述背景参考帧，使得可以检测非常小的粒子并确定 该非常小的粒子的大小，所述非常小的粒子的信号小于稳态背景值。在某些实施方案中，所 述参考帧被不断地更新或以一定时间间隔更新。在一个实施方案中，例如，一个帧中的像素 的一部分在64个帧上求平均，且新的值被用来替换参考背景帧。在一个实施方案中，取决 于帧率，整个参考帧每0. 5-3秒被更新。此方面允许该系统补偿背景散射光范围内的变化， 该变化例如由污染物在光学池的壁上的沉积或流体池的光学特性的变化而引起的。图15提供了当存在IOOnm和70nm粒子时由所述二维检测器阵列所观察到的该流 体池的原始的(也即，未减去背景的)散射辐射强度图像。图16提供了当存在粒子时由所 述二维检测器阵列所测得的所述流体池的一系列背景被减去后的散射辐射强度图。在本发 明的实施方案中，来自粒子的信号根据相应于粒子在检测体积中的穿过的多个二维图像被 重构。本系统和方法的这一方面可用于生成粒子检测事件的合成图像，该图形可被分析以 生成非常准确的粒子大小信息。在某些实施方案中，每个粒子散射事件的合成图像被存储 和/或实时显示。在某些实施方案中，粒子在所述光学池中的位置被实时显示。此方面的 某些基于成像的光学粒子计数器提供了对所检测到的所有粒子的单幅显示。图17提供了在仅存在IOOnm粒子(左图)和同时存在70nm与IOOnm粒子(右 图)时所检测的粒子的大小分布。随着粒子大小的减少，到达检测器的来自粒子检测事件 的散射辐射量也减少。图18提供的数据示出了，对于50、70、80和IOOnm大小的粒子，所散 射的辐射信号和粒子大小的关系，以及信号与粒子大小的关系的理论预测。如图18所示， 小达40纳米的粒子是可使用本发明的基于成像的光学粒子计数器检测到的。图19提供了 二维和三维的已减去背景的散射辐射强度轮廓。此外，通过利用较高分辨率的检测器阵列，实现了较好的成像性能和灵敏度，例如 通过在每次粒子检测事件中照射更多的检测器元件。此外，通过优化系统几何图形，在粒子 检测事件期间，所述检测器元件可被照射更长一段时间，从而增强成像性能和灵敏度。另 外，通过放大该二维检测器阵列上的流体池的图像来优化光收集系统，可降低背景散射信 号(和噪声)；通过优化二维检测器阵列上的图像的焦点，可实现更小的粒子检测事件点大 小，进一步提高信号水平(signal level)。本发明的粒子检测系统利用二维检测器阵列提供额外的增强，例如使在提供高的 样品流率(例如，每分钟0. 5mL或更多)的同时，对例如30nm或更大些的小粒子大小下具 有高计数效率。在一些使用CMOS检测器进行光学检测的实施方案中，使用传感器的子阵列 进行数据获取，该数据可被非常迅速地读出和处理，以提供对灵敏度的进一步增强。在一些 实施方案中，将检测区域限于传感器的子阵列，允许测量经过具有基本均勻的高强度光的 激光束的中心部分的粒子，同时防止测量从被输运通过激光束的边缘的粒子所散射的光， 从而增加了该测量结果所提供的大小分辨率。本发明的基于成像的粒子计数器可选地包括校准验证，例如使用参考帧比较、粒 子点大小或这些的组合。
棚列2身鮮鮮鄉白·象处細去本发明的基于成像的光学粒子计数器集成了各种先进的图像处理方法，允许对低 浓度的具有低达大约40纳米的横截面尺寸的粒子进行灵敏地检测和对其大小进行表征。 此实施例提供了对本发明的某些成像处理方法的描述，这些方法提供了相对于传统的基于 成像的粒子检测方法的改进。本图像处理方法的特征包括(i)像素忽略，其中像素被过滤 以使得仅那些超过一阈值(所述“阈值”)的像素以及相邻像素被保留并被分析，以提供粒 子大小信息；(ii)从由该成像系统获取的多个帧生成合成图像并对其进行实时分析，其中 来自多个帧的与像素检测事件相关的像素被组合，以生成合成图像，该合成图像被分析以 提供粒子大小信息；以及(iii)使用基于实际噪声测量值的像素阈值，其中每个像素(或可 选地，某些较大的像素组)上的噪声被测量，且用于该像素的检测阈值是基于噪声测量值 的预定倍数(例如，背景的标准差或其倍数)。图20、21、22和23提供了示例性地示出本发明的用于检测流体流中的粒子并确定 其大小的图像处理方法的多个方面的流程图。图20的流程图例示了本发明的用于生成参考帧和阈帧的一过程。如此图所示，收 集两百个参考帧，通过确定每个像素的标准差来对两百个参考帧进行分析，以便计算可用 于检测并分析来自粒子的散射的电磁辐射的阈帧。重要的是应注意，每个像素的阈值均是 通过在没有来自粒子的散射光时、对背景信号的波动的基于逐个像素的统计分析而被确定 的。在一个实施方案中，例如，产生反映每个单独像素的背景噪声的标准差值的可变帧，并 且将其乘以一个可变帧乘数(Y)，以确定阈帧。在一个实施方案中，可变帧乘数(Y)是一个 选自2. 5至7的值。图21示例了本发明的一种用于计数粒子的方法，其中多个单独的像素值被读出 并且将其和阈值比较。如上所述，在图20的情境中，此比较是基于逐个像素执行的。如果 给定像素的值高于阈值，则所述分析算法确定该像素是否与已存在的粒子检测事件处于同 样的4-8乘以10-14(可选地是6乘以12)的像素窗口中，若如此，则将像素添加到检测缓 存。然后检查该缓存以观察是否存在三个具有高于阈值的值的相邻的像素。如果没有三 个具有高于阈值的值的相邻的像素，该缓存就被清零或复位。如果三个或更多个相邻像素 具有高于阈值的值，则识别一粒子检测事件，且随着适当的像素被读出，所述缓存继续被填 充。例如，包括至少三个邻近或直接邻近的像素的粒子检测识别标志，在此方面被用来识别 粒子检测事件并且对粒子计数。图22和23例示了本发明的通过分析粒子检测识别标志确定所检测的粒子的大小 的方法。图22示出了用于为一检测事件生成一合成图像的过程。在一个实施方案中，所述 检测缓存被传送到DSP(例如，处理器)以便分析。如果该缓存中的值处于相应于已存的检 测事件的2列像素之内，该像素就被添加到现存的检测事件，以便产生一个合成图像。如果 该缓存中的值不处于现存的检测事件的2列像素之内，则该缓存被指定为新事件，以便产 生一个新的合成图像。图23示出了使用来自缓存的数据——其例如作为一合成图像被提 供——用于确定粒子大小的过程。首先，计算质心。如此处所用，所述质心指的是来自检测 从所关注粒子所散射的电磁辐射的像素的信号的加权强度中心。接下来，确定相应于围绕 加权强度中心值的像素阵列的积分强度值，例如相应于2至5个像素宽和5至9行长(可 选地是3个像素宽和7行长)的阵列。为了确定粒子尺寸，将积分强度值和参考数据进行
26比较，所述参考数据例如是使用已知物理尺寸的标准粒子根据经验确定的参考数据。接下来的讨论还描述了可用于本发明的一些方面中的图像处理步骤和算法的多 个方面。在一个实施方案中，所述粒子计数器通过将穿过所述流体池的激光束成像到CMOS 二维检测器阵列上而运行。所述CMOS芯片是由读出所述像素并且将该数据传输到数据处 理系统的摄像机系统所控制的。所述摄像机允许限定该芯片的子阵列并且忽略其他区域。 所关注的子阵列或所关注的区域(ROI)被逐行读出，其中读出第一行中的每个像素，然后 读出下一行，依此类推，直到每个像素均被读出且所述数据被传送为止。像素值的阵列组成 一个帧或图像，就像来自数码相机或数字摄像机的图像。一旦读出一行，所述像素就被重 置，且立即开始对下一帧的曝光。在一些实施方案中，可将曝光时间设置得长于读出时间。 这叫做滚动快门(rolling shutter)，且结果是，曝光时间的长度对于每个像素都是相同 的，但顶行被曝光的实际时间与底行偏差了大约所述曝光周期。然而，图像是连续的，在曝 光之间基本没有中断时间(dead time)。此粒子检测系统的一个目的在于在粒子穿过激光束时检测粒子和确定粒子大小。 实现这的过程类似于传统的模拟系统，但检测和确定大小是在两个单独的步骤中执行的。 第一步是检测粒子，其通过查找光脉冲并且忽略或阻挡DC背景而完成。如果该粒子形成足 够大的光脉冲以至于超过最低阈值，则该粒子被检测到。然而，本发明为每个像素确立一个 不同的阈值，而不是像传统系统那样仅有一个“第一阈值”。对于某些实施方案，通过获取200-500个帧并且为每个像素计算平均值来测量DC 水平。每个像素的平均值的阵列被称为jl#^MZ，并且代表所述DC水平。另外，作为此过 程的一部分，每个像素的可变性或噪声被测量，并且由来自200-500个帧的标准差值所表 示。每个像素的标准差倌的该阵列被称为可变帧(variability frame)。也存在“亮像素(bright pixel)”帧。对于利用基于C⑶的摄像机的实施方案， 发现对位于玻璃_水的界面附近的亮区域进行成像的像素具有处于或接近于它们的饱和 水平的值。这些像素比具有小于饱和水平的一半的值的像素一定程度上表现得更为飘忽不 定。因此，位于用户限定的水平以上的像素(例如，400-700个)以及一些数量的邻近像素 (例如，2个相邻像素)被识别为“亮像素”，并且如下所述被区别对待。在可变帧中的相应于亮像素的倌被“预乘以，，一个用户限定的倌，形成“经修改的 可变帧”，其然后被乘以另一个系数，并被添加到所述参考帧以形成所述“阈帧”。例如，预乘 数是3，且乘数低达3。给定这些值，所述亮像素的标准差将被乘以9，并且所有其他“正常” 像素的标准差被乘以3。从而，对于大部分像素，所述值必须比所述平均值超出3倍标准差， 以便超过所述阈值。这种乘数值是用户可配置的。一旦开始粒子测量，所述阈帧就被持续更新，例如通过取64个像素并且将它们在 50个帧上取平均。这些64个像素的平均值接下来被用于更新所述参考帧，以纠正在所述 DC水平中的任何改变。整个参考帧例如大约每两秒被更新。测量当粒子计数开始时，连续的“测量”帧被收集且被分析。此分析由两个不同 的步骤组成。第一步骤是“检测”一个粒子，第二步骤是确定该粒子的大小。每个帧被单独 分析，但是粒子经过激光束所花的时间比单个帧的曝光时间更长。因此，来自粒子的信号可 遍布几个帧，且这些帧可被重新组合以表示来自粒子的整个信号。在本说明书中，重新组合的信号被称为“合成图像”。当帧抓捕系统从所述摄像机接收到第一测量帧时，将每个像素值与那个像素的阈 值相比较。当一个像素第一次超过阈值时，该像素(值和位置)被置于检测缓存中，其例如 是6列宽乘12行高。该像素被“居中”位于该缓存的第一行、该缓存的第三列。随着像素 被读出，位于此6 X 12窗口内的适当的像素被置于该缓存中。在收集了 3行之后，检查该缓 存以确认是否有三个垂直相邻像素。若是，则该缓存被允许继续填充；若否，则该缓存被清 零且可用于接下来的检测。在该帧的末尾，所有具有有效的“三个一组(rim of three)”的 缓存被传递到所述DSP，然后被清零。接下来的帧被以相同方式分析。当所述帧被传递到所述DSP时，检查所述帧以确认它们是否是已存在的粒子检测 事件的一部分。如果是(相同的列或附近)，则所述像素被添加到该事件以形成一合成图 像。如果否，则形成一个新的事件。接下来，检查存储在所述DSP中的检测事件，以确认它们是否在一个新近的帧中 被修改。如果该事件已被修改，则为下一帧维持该事件。如果未被修改，则该事件被视为完 成，且计算该信号的过程开始。计算该信号的第一步骤是计算该图像的信号加权中心。对照“rb”(R0I的子集，以 允许忽略在上边缘或下边缘附近的粒子)设置来检查该位置，以确认其是否处于允许的行 中。接下来，例如，通过在质心的每一侧各增加1列，且在质心上方和下方各增加3行，以形 成3列宽7行高的21个像素的矩形，来识别出适当的像素。这些21个像素的减去背景的 值被求和，且那个值被视为粒子信号。然后将该信号与大小的阈值相比较，且增加适当的大 小窗格(bin)。关于通过参引纳入的内容以及变化的声明在本申请中的所有参考文献，例如包括授权的或颁布的专利或等同物的专利文 本；专利申请公布文本；以及非专利文献文件或其他源材料；均在此通过参引方式以其整 体纳入本文，如同通过参引被单独纳入的，以每个参考文献至少部分和本申请的公开内容 不前后矛盾为限(例如，部分前后矛盾的参考文献除了该参考文献的部分前后矛盾的那部 分之外通过参引方式被纳入)。由发明人John MitchelUJon Sandberg和Dwight A. Sehler 作出的、于 2008 年 12 月 2 日提交的题为 “Non-Orthogonal Particle Detection Systems and Methods”的美国非临时申请，通过参引以其整体纳入本文。所采用的术语和表述被用于描述的目的而非限制，且无意在这些术语和表述的使 用中排除所示的和所描述的特征的任何等同物或其部分，但应认识到，在所要求保护的本 发明的范围内各种不同修改均是可能的。因此应理解，虽然已经通过优选实施方案和可选 特征具体地公开了本发明，本领域技术人员可采用对此处公开的概念的修改和变化，且这 样的修改和变化被视为处于如所附权利要求限定的本发明的范围之内。此处提供的具体实 施方案是本发明的有用实施方案的实施例，且对于本领域技术人员明了的是，可使用在本 说明书中列出的设备、设备组件、方法步骤的各种各样变化来实现本发明。对于本领域技术 人员显然的是，可用于本方法的方法和设备可包括大量可选的组件和处理元件以及步骤。无论何时，当在本说明书中给出一个范围例如温度范围、时间范围、组分范围或浓 度范围时，所有的中间范围和子范围，以及包括在给定范围中的所有单个值，均意为包括在 本公开内容中。应理解，此处的说明书中包括的任何子范围或子范围中的单个值均可从此处的权利要求中被排除。在此说明书中提及的所有专利和公开文本都指示了本发明所属技术领域中的技 术人员的技术水平。此处引用的参考文献通过以其整体被纳入来表明在其
公开日或提交日 的现有技术水平，且意为，如有需要，此信息可被用来排除现有技术中的特定实施方案。例 如，当要求保护化合物时，应理解，在申请人的发明之前的技术中已知和可用的化合物—— 包括已在此处所引用的参考文献中给出了其能够起作用的化合物——均不意于被包括在 此处的物质权利要求的组合物中。如此处所用，“包含”与“包括”、“含有”或者“其特征在于”是同义的，且是包容
性的或开放式的，且不排除另外的、未提及的要素或方法步骤。如此处所用，“由......组
成”排除了在所要求保护的要素中未说明的任何要素、步骤或组分。如此处所用，“基本
由......组成”并不排除那些未实质影响权利要求的基本和新颖特性的材料或步骤。在本
文的各种情况中，术语“包含”、“基本由......组成”和“由......组成”中的任一个均可
以用其他两者中的任一个代替。在此示例性描述的本发明可在缺少未在此处具体公开的任 何一个或多个要素、任何一个或多个限制条件的情况下被适当实施。本领域技术人员将理解，除了那些已具体举例说明之外的其他各种起始材料、生 物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、化验方法以及生物方法均可用在本发明的实 践中而无须借助于过度的实验。所有本领域已知的功能等价物，或者任意这些材料和方法， 均意为被包括在本发明中。此处采用的术语和表述被用作说明而非限制，并不意于，在这些 术语和表述的使用中排除所示和所描述的特征的任何等同物或其部分，而应认识到在所要 求保护的本发明的范围内可作出多种修改。因此，应理解虽然本发明已被优选实施方案和 可选特征具体公开，本领域技术人员仍可采取对此处公开的概念的修改和变化，且这样的 修改和变化被认为处于由所附权利要求限定的本发明的范围之内。
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志包括来自所述阵列的至少 2个邻近或直接邻近的检测器元件的输出信号的图案。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志包括所述阵列的2和7个 之间的邻近的或直接邻近的检测器元件的输出信号的图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其中最小的阈值对于所述阵列中的不同检测器元件是 不同的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中给定检测器元件的所述阈值大于或等于所述阵列 的给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5倍，或者大于或等于当没有来自所述粒子所散射 或发射的电磁辐射时所述阵列的给定检测器元件的输出值的标准差的2. 5倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其中给定检测器元件的所述阈值等于所述阵列的所述 给定检测器元件的噪声的标准差的2. 5至7倍，或者等于没有来自所述粒子所散射或发射 的电磁辐射时所述阵列的所述给定检测器元件的输出值的标准差的2. 5至7倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出信 号均已被减去了背景值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志的所述输出信号的图案具 有一个纵向分量，其相应于所述散射或发射的电磁辐射沿着所述流体的所述流向的强度分 布。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述纵向分量包括来自2和20个之间的直接邻近 的检测器元件的输出信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子检测识别标志的输出信号的图案具有 一个横向分量，其相应于所述散射或发射的电磁辐射的垂直于所述流体的所述流向的强度 分布。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述横向分量包括来自2和10个之间的直接邻 近的检测器元件的输出信号。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤，将所述散射或发射的电磁辐射成像 到所述阵列的所述检测器元件上。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括识别提供了所述粒子检测识别标志的所述输 出信号的所述检测元件在所述阵列中的位置。
14.光学粒子分析仪，包括 一个光源，用于生成电磁辐射束；一个室，用于使含有粒子的流体流过所述电磁辐射束，从而生成散射或发射的电磁辐射；一个光收集系统，用于收集所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分并将其导引到二 维检测器阵列的多个检测器元件上，其中该阵列的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；以及一个处理器，其可操作地连接到所述二维检测器，该处理器能够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，多个检测器元件 均具有一个大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。
15.根据权利要求14所述的光学粒子分析仪，其中所述处理器还能够分析所述粒子检 测识别标志的形状和/或具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元 件的输出信号的强度，以确定粒子的大小。
16.在光学粒子分析仪中将粒子散射事件与其他电磁辐射生成或检测过程区分开的方 法，所述方法包括下列步骤向所述光学粒子分析仪提供具有粒子的流体流；将所述流体流曝露于电磁辐射束，其中，在具有粒子的所述流体流和所述辐射束之间 的相互作用产生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所述光学粒子分析仪的被设置在 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；并且 一旦识别了粒子检测识别标志就感测粒子检测事件，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，其中所述粒子检测识别标志包括来自沿着纵轴放置的至少3个直接 邻近的检测器元件的输出信号；从而在所述光学粒子分析仪中将所述粒子散射事件与其他 电磁辐射生成或检测过程区分开。
17.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；将该流体流曝露于电磁辐射束，其中在该粒子和该辐射束之间的相互作用生成散射或 发射的电磁辐射；将所述散射的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；确定所述阵列的所述检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中所 述子集的每个检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号； 仅将所述子集的输出信号传输到处理器；以及 分析被传输给所述处理器的输出信号，从而检测所述粒子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述子集还包括0至10个邻近或直接邻近的检 测器元件，所述检测器元件均都具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述子集包括所述阵列的2至10个检测器元件。
20.根据权利要求17所述的方法，其中对于该阵列中的给定的检测器元件，每个输出 信号均已被减去了背景值；其中所述背景值的每一个相应于在没有所述粒子所散射或发射 的电磁辐射的检测环境下在所述阵列中的给定检测器元件的平均输出信号。
21.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；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产生 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；检测所散射或发射的电磁辐射的至少一部分；生成多个检测帧，其中每个检测帧包括所述多个检测器元件在给定时间间隔内的多个 所述输出信号；将具有相应于所述散射或发射的电磁辐射的检测强度的输出信号的多个检测帧组合， 以生成粒子检测事件的合成图像；分析该合成图像，从而检测所述粒子。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括识别具有相应于由所述粒子散射或发射的电 磁辐射的检测强度的输出信号的检测帧。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述检测帧是以0.IkHz至20kHz的频率生成的。
24.根据权利要求21所述的方法，其中每个检测帧相应于50微秒至10毫秒的时间间隔。
25.根据权利要求21所述的方法，其中组合1至100个检测帧以生成所述合成图像。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括从每个所述检测帧中减去一个参考帧的步 骤；其中所述参考帧包括所述阵列中的检测器元件的背景输出信号；其中每个背景输出信 号是在没有来自所述粒子所散射或发射的电磁辐射的检测环境下所述阵列中的给定检测 器元件的平均输出信号。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述参考帧被不断更新。
28.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；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产生 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；使用所述二维检测器的一个子阵列检测所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其 中所述子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；仅将相应于所述子阵列或其一部分的所述检测器元件的输出信号传输给处理器；以及 分析被传输到所述处理器的输出信号，从而检测所述粒子。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述子阵列包括所述二维检测器的检测器元件 的 0. 2%M 25%。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述子阵列包括1000至100000个检测元件。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述二维检测器是具有400000至1300000个检 测元件的CMOS检测器。
32.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；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；将所述散射的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；使用所述二维检测器的一个子阵列检测所述散射或发射的电磁辐射的至少一部分，其 中所述子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；确定所述子阵列的所述检测器元件的一个子集，所述子集包括多个检测器元件，其中 所述子集的每个检测器元件具有大于或等于给定检测器元件的阈值的输出信号； 仅将所述子集的输出信号传输至处理器；以及 分析被传输给该处理器的所述输出信号，从而检测所述粒子。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述确定步骤包括 分析所述子阵列的输出信号；以及识别所述子阵列的具有大于给定检测器元件的阈值的输出信号的检测器元件。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述子集还包括0至100个邻近或直接邻近的 检测器元件，所述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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N15/02GK101925809SQ200880125744
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月2日 优先权日2007年12月4日
发明者D·A·塞尔, D·赖斯, J·桑贝格, J·米切尔, M·威廉森 申请人:粒子监测系统有限公司
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