快速自主检测气溶胶粒子的系统和方法1.相关申请的交叉引用2.本技术涉及并要求以下申请的权益：2019年9月23日提交、标题为“快速自主检测气溶胶粒子的系统和方法(systemsandmethodsofrapidandautonomousdetectionofaerosolparticles)”的美国临时申请号62/904655，2019年11月5日提交、标题为“快速自主检测气溶胶粒子的系统和方法”的美国临时申请号为62/931200，以及2020年8月24日提交、标题为“快速自主检测气溶胶粒子的系统和方法”的美国临时申请号63/069705，这些申请的全部公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域：
：3.本公开涉及使用质谱技术和可选地使用一种或多种光学技术来提供高精度、快速和自主鉴定气溶胶分析物粒子的系统和方法。更具体但并非限制性地，本公开涉及利用基质辅助激光解吸电离质谱(maldi-ms)鉴定生物气溶胶分析物以及利用飞行时间质谱仪(tofms)通过激光解吸电离质谱(ldi-ms)鉴定化学气溶胶分析物的方法和设备
背景技术：
：：4.来自气溶胶生化威胁制剂的威胁仍然是美国政府关注的重点，因为发生此类事件可能会对生命和财产造成潜在的可怕后果。需要特别关注的两大主要威胁场景是：(1)制剂在封闭结构(如办公楼、机场、公共交通设施等)内释放，在封闭结构内，暖通空调(hvac)系统能使得制剂有效遍布整个结构，(2)制剂在城镇或城市等居民区大范围释放。暴露在释放出的气溶胶制剂下可能导致大规模伤亡。在大范围释放中，如果无法及时了解污染物的类型、数量及位置，则很难保护公民不受初始暴露的影响。需要能够实时鉴定，且优选自主鉴定威胁制剂组成的方法和设备，以采取快速补救措施。5.遗憾的是，人们已经广泛认识到由耐药结核分枝杆菌和sars-cov-19等微生物引起的自然发生的流行病所构成的威胁。这些微生物可以通过接触或通过正常呼吸、咳嗽、打喷嚏、打哈欠、运动、演奏乐器等过程中释放的气溶胶进行传播。已知深呼吸会产生源自肺部深处的细小气溶胶，而当出现呼吸道感染时，气溶胶中的部分粒子将含有传染性微生物。6.为了能够最有效地保护大型机场等基础设施，应使用气溶胶威胁自主鉴定器来采集和分析样品，并在约少于5分钟的时间内判定该气溶胶是否具有危险性。如果能在少于5分钟的时间内鉴定出气溶胶威胁，就可以采取补救措施来限制气溶胶在机场航站楼等建筑物内的传播。随着时间的推移，气溶胶会通过人体运动传播，更重要的是还会通过建筑物通风系统的正常运转而传播。在高层建筑中，电梯也可以让气溶胶在几分钟内移遍整栋建筑。需要能够检测有毒或致病性气溶胶威胁并与建筑物管理系统通信的自主系统，以在危险气溶胶在建筑物中散布时限制其传播。这种有毒或致病性气溶胶的散布或“释放”通常被认为是一种“恐怖事件”。7.已有系统可以对生化制剂等一些气溶胶分析物进行采样、检测和鉴定，但却不允许进行实时或近实时分析，或者仅限于允许对为数不多的分析物进行实时或近实时分析。一种解决方案是采用微流控技术净化样品并浓缩生物分析物。例如，可以用特异性抗体来浓缩和纯化生物分析物。如果有足够的时间净化和浓缩分析物，这种目标特异性解决方案可提供合理的结果。另一种目标特异性解决方案可扩增与病原体基因组中特定目标特有相关的核酸片段。还有一种解决方案是针对特定目标的，仅适用于细菌分析物，且会以损失分析病毒、毒素或颗粒化学物质为代价。这种方法需要将样品(例如来自患者的样品)施加于细菌培养板并孵育8-24小时。待细菌菌落生长后，采集单个扩增和纯化的菌落，并通过全细胞“基质辅助”激光解吸电离(maldi)飞行时间(tof)质谱法进行测定。已有大量研究对该技术的准确性进行了验证，并发现临床细菌分析物的鉴定准确率》99％。现已开发出两种用于快速鉴定临床细菌的商业系统，即brukerbiotyper(由贝迪医疗公司(bectondickinson)上市推出)和vitekms(由日本岛津公司(shimadzu)开发并由法国生物梅里埃(biomerieux)上市推出)。这些系统相对于细菌学鉴定中的16srna“实验室金标准”提供了出色的诊断结果。然而，为了获得这些可信度高的临床结果，需要培养或提取步骤以纯化样品，或两者都需要。因此，从取样到鉴定生物分析物的时间一般为12小时到一天或者更长。虽然这种延迟在临床实验室中通常是可以容许的，但对于需要近实时鉴别生物分析物的其他应用来说是不可接受的，如生物防御。生物防御、环境生物气溶胶监测(更通用)以及现场即时医疗应用不仅需要能够同时近实时地鉴别细菌，还有真菌、病毒和包括生物毒素在内的大型生物有机分子(如蛋白质、多肽和脂类等)。此外，通过及时治疗和确定最佳治疗方案(例如区分病毒感染和细菌感染)以及评估治疗方案的有效性来减少临床应用的分析时间可以提高护理质量和结果。上述技术存在的相关局限性在于分析时间和执行分析所需的目标特异性试剂的开发成本。8.标题为“生物和化学显微镜靶向(biologicalandchemicalmicroscopictargeting)”的美国专利号8,441,632公开了一种潜在的既具有灵敏度和特异性又快速(约5分钟或更短)的技术，但未使用目标特异性试剂，且基于拉曼光谱。拉曼光谱是一种用于测定分子振动模式的分析技术，但也可以观察旋转模式及其他低频模式。其基于光与物质中化学键的相互作用。当应用于微生物样品时，拉曼光谱无法充分鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。9.在maldi-tofms中，目标粒子(分析物)以基质化学物质包覆或与基质化学物质混合。然后在装入质谱仪之前让样品混合物干燥。基质化学物质优先从短而强的激光脉冲中吸收光(通常是紫外波长)。在不存在基质的情况下，生物分子暴露于强紫外光时会通过热解而分解。在存在基质的情况下，激光能量优先被化学物质吸收，使得基质和分析物蒸发。基质化学物质还将电荷转移至汽化分子，产生离子，然后通过电场沿飞行管加速离子。之后使用基质辅助激光解吸飞行时间质谱(maldi-tofms)分析包覆的分析物粒子，这些粒子通常是完整的微生物。在样品制备过程中，将通常由酸(例如三氟乙酸(tfa))和maldi基质化学物质(例如α-氰基-4-羟基肉桂酸)组成的液体溶解于溶剂中并添加到分析物中。这些溶剂包括乙腈、水、甲醇、乙醇和丙酮。添加tfa通常是为了抑制盐杂质对分析物质谱的影响，并从分析物中沥滤出酸溶性蛋白质。酸会部分降解分析物的细胞膜，使蛋白质可在tof质谱仪中进行电离和分析。水使亲水性蛋白质溶解，甲醇使至少一些疏水性蛋白质溶解。将maldi基质溶液点样到maldi板上的分析物上，以在分析物上产生均匀的maldi基质材料层。溶剂蒸发，只留下重结晶基质，分析物在基质晶体中扩散。然后在tof质谱仪中对含有与酸和基质混合的分析物的涂板进行分析。其他maldi基质材料包括3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸(芥子酸)、α-氰基-4-羟基肉桂酸(α氰基或α基质)和2,5-二羟基苯甲酸(dhb)，如美国专利号8,409,870所述。maldi技术与高质量范围飞行时间(tof)质谱法联用还可以直接对大型肽成分和完全蛋白质进行分析，从而实现“全细胞”生物鉴定。10.标题为“微型飞行时间质谱仪的样品采集制备方法(samplecollectionpreparationmethodsfortime-of-flightminiaturemassspectrometer)”的美国专利公开号2003/0020011公开了一种用于采集生物危害物等环境气溶胶并鉴定气溶胶粒子成分的方法和装置。将maldi基质化学物质雾化并注入环境气溶胶样品中。将基质气溶胶粒子和气溶胶样品粒子共沉积在vcr(录像机)磁带等介质上。然后将磁带移入maldi飞行时间质谱仪进行分析。基质粒子和环境气溶胶粒子在磁带上发生相互作用，因为粒子在沉积到磁带上之前不会相互碰撞。基质和气溶胶样品粒子通过喷嘴在磁带表面上实现碰撞，喷嘴将粒子加速至高速并在磁带上引导气溶胶流。由于加速气溶胶流所消耗的能量，粒子撞击磁带表面，并在磁带上相互碰撞。如果没有加速，粒子将沿气相流的流线流过磁带。标题为“便携式飞行时间质谱仪系统(portabletimeofflightmassspectrometersystem)”的美国专利号6,841,773公开了一种现场便携式质谱仪系统，该系统包括样品采集器和盒式录像磁带形式的样品输送器。样品输送器与样品采集器连接以接收其上的样品沉积物。该系统包括飞行时间(tof)质谱仪。11.标题为“静电雾化器和产生雾化流体喷雾的方法(electrostaticatomizerandmethodofproducingatomizedfluidsprays)”的美国专利公开号2005/0017102公开了将分析物样品流与包含在含maldi基质的单独贮存器中的一种或多种喷射流体接触，将分析物沉积在maldi板等基板上并使用maldims进行分析。在一个实施例中，将异丙醇供给第一微量注射器。将70％乙腈和30％水的混合物供给第二注射器，将0.1％三氟乙酸供给第三注射器。第三注射器依次加入各种工艺流体，包括水、水/甘油、乙酸、甲酸和乙醇。受控微量注射器(例如，可操作地连接至电源的内径为100μm的不锈钢针)将雾化液体喷射到样品制备区。注射器的方向应使得每次喷雾都喷射到样品制备区的相同区域。样品制备区是一个垂直于微量注射器方向的通道。含待分析样品(例如细菌孢子或其他生物材料)的浓缩气流通过样品制备区，与喷射的流体接触，然后引导至样品载玻片上进行maldi分析。然而，如公开所述，在未施加声学或静电力等一些附加外力来驱动粒子碰撞的情况下，将maldi基质气溶胶流与分析物气溶胶流混合，不会引起两个气溶胶流中的单个粒子相互碰撞。12.标题为“提高粒子采集效率的方法和装置(methodandapparatusforenhancedparticlecollectionefficiency)”的美国专利号7,125,437公开了一种粒子采集方法，该方法包括以下步骤：将含有待采集和待分析的粒子的气流导向撞击表面，并从撞击表面将含有水性液滴的气溶胶引入气流上游，使粒子与水性液滴凝集且增大粒径，从而提高凝集粒子在撞击表面上的采集效率。可以通过将载气的加压气流导向含液体的贮存器，从而从贮存器中吸出液体，同时剪切分离液状粒子以雾化吸出的液体，然后再将气流中的粒子共雾化来产生含有水性液滴的气溶胶。或者，可以通过驱动选定的液体流过包括压电元件的基于压电的雾化器，并在液状粒子通过压电元件出口时，以足以剪切分离液状粒子以产生气溶胶所需的频率振动压电元件来产生含有水性液滴的气溶胶。所公开的方法还可以包括以下步骤：当凝集粒子撞击撞击表面时，润湿撞击表面，在撞击表面上形成液体池，以尽可能减少凝集粒子在撞击表面上弹跳，从而提高采集效率，以及选择添加剂并将所选添加剂共雾化，以在气流中或在撞击表面上的液体池中创建环境，对凝集粒子进行机械、化学或生物改性，从而增强对采集到的凝集粒子的鉴定。应当选择可在气流或液体池中产生允许待培养生物体加速生长的环境的添加剂。驻留液滴池的形成也可以通过直接在碰撞表面附近引入计量体积的液体来实现，例如，在碰撞喷嘴的底部。因此，无需在撞击表面的上游引入过多的液滴，而是可以在该表面上直接形成驻留液滴池。美国专利号7,125,437以及美国专利号6,841,773中公开的方法和设备并未为maldi-ms分析提供可靠的气溶胶采样和基质混合设备，因为使用所描述的方法对maldi基质进行气溶胶化往往会使一部分基质化学物质结晶并堵塞雾化器。13.需要提供以高精度对气溶胶分析物粒子进行可靠、自主、近实时分析和鉴定的方法和装置，其中的粒子包括细菌、真菌、病毒、毒素和低挥发性化学物质，例如由一种或多种分子量约在1000da以下的化合物组成的气溶胶。技术实现要素：14.公开了一种样品自主捕集和分析系统，其包括：新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；样品采集站；以及分析站，包括tofms，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。样品采集站可以包括气溶胶样品采集站和液体样品接收站中的至少一个。示例性系统还可以包括相机站。示例性系统还可以包括液体化学品分配站。样品盘可以用maldi基质化学物质预涂。样品盘可以由镍和镍合金中的至少一种制成。气溶胶样品采集站可以配置为产生直径约1mm大小的样品斑点。分配站可以配置为分配约0.5-2斑点的液体。分配的液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水中的至少一种。系统可以配置为使用有线通信和无线通信中的至少一种与远程服务器通信，其中，将分析站的输出传输至远程服务器，然后传输至数据处理站。系统可以配置为使用有线通信和无线通信中的至少一种与数据处理站通信，其中，将分析站的输出传输至数据处理站进行处理。15.公开了一种样品自主捕集和分析系统，该系统包括新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；气溶胶样品采集站；液体化学品分配站；相机站；以及分析站，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。本文公开的机器人系统具有两个运动轴。也可以采用具有三个运动轴的其他实施例，但可能不如具有两个运动轴的实施例可靠。分析站可以包括tofms。分析站可以包括tofms和光学检测器中的至少一个。相机站可以配置为接收显微镜相机和数码相机中的至少一个。该系统还包括干燥站，其中，使用感应加热、电阻加热、干燥气流、热气流、真空及其组合中的至少一种使样品基本上干燥。示例性系统还包括荧光传感器，设置在样品采集站上游，以测定粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂波粒子比中的至少一项。16.公开了一种使用本文公开的示例性系统采集和分析气溶胶分析物粒子的方法，该方法包括将样品盘装载到新样品盘装载站的样品盘架上；将具有新样品盘的样品盘架移至气溶胶采集站，其中，气溶胶粒子撞击到涂层样品盘上；将样品盘架移至液体化学品分配站，以使用化学品处理沉积的气溶胶样品；将样品盘架移至相机站，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查；干燥样品；以及将样品盘架移至tofms分析站进行样品分析。该方法还可以包括以下步骤：使用样品自主捕集和分析系统与远程服务器之间的有线通信和无线通信中的至少一种将tofms分析站的输出传输至远程服务器；生成气溶胶分析物粒子特有的原始光谱数据；执行滤波、基线扣除、信噪比估计、峰值检测和特征提取中的至少一项以生成经处理的光谱数据；以及通过将处理光谱数据与包含若干生物和化学分析物的处理光谱数据的参考库进行比较，鉴定气溶胶分析物粒子的成分。样品盘可以用maldi基质化学物质预涂。气溶胶取样器可以配置成接收环境气溶胶样品或悬浮在工艺流体中的样品，例如来自半导体工艺流体的样品。如果工艺流体为液体，则工艺流体进行气溶胶化再被气溶胶取样器接收。17.公开了一种自主分析系统，该系统包括新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；液体样品接收站；液体化学品分配站；以及tofms分析站，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。液体样品接收站可以配置为从气溶胶采集装置接收液体样品。液体样品接收站可以配置为接收含呼出气体的液体样品。液体样品接收站可以配置为接收从能够纯化目标分析物的液体样品处理装置获得的液体样品。气溶胶采集装置可以包括撞击器、带连续或间歇冲洗的旋转撞击器、带连续或间歇冲洗的旋风分离器(cyclone)、湿壁式撞击器和液体撞击集尘器(impinger)中的至少一种。18.公开了一种用于采集和分析气溶胶粒子的示例性方法，该方法包括将气溶胶粒子采集到液体中；使该液体样品经酶处理和热酸处理中的至少一种处理，并生成气溶胶样品的特征肽；将maldi基质溶液加入经处理的样品中；以及干燥样品并使用tofms分析样品。酶处理和热酸处理步骤中的至少一种在约140℃下进行约15分钟。19.公开了一种用于捕集和分析液体样品中的污染粒子的自主样品系统，包括雾化器，用于产生含载气污染粒子的气溶胶；至少一个冷凝生长管，用于将气溶胶中的污染粒子的粒径增大至预定的平均粒径；新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；气溶胶样品采集站；液体化学品分配站；和分析站，其中，样品架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。分析站包括ldi-ms。分析站可以包括ldi-ms和光学检测器中的至少一个。或者，分析站可以包括maldi-tofms，在这种情况下，这些样品盘用maldi基质化学物质预涂。样品盘可以由镍和镍合金中的至少一种制成。对于特定用途，可以优选其他材料。例如，对于半导体杂质的痕量金属分析，可以优选采用硅、锗或稀土金属。如果使用非磁盘材料，则必须在样品盘底部设置磁性材料薄膜。分配站可以配置为分配约0.5-2以配的液体。分配的液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水中的至少一种。该系统还可以包括相机站。相机站可以配置为接收显微镜相机和数码相机中的至少一个。该系统还包括干燥站，其中，样品在真空下基本上干燥。该系统还包括荧光传感器，设置在样品采集站上游，以测定粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂粒子比中的至少一项。该系统还包括数据处理站，用于获取和处理分析站输出的数据，以鉴定污染粒子的成分。污染粒子的平均粒径约在1-20nm之间。离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以在1-10离开之间。或者，离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以在约2-4或m之间。离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以约为3间。。液体样品包括超纯水(upw)和在半导体制造过程中使用的化学液体中的至少一种。20.公开了一种用于捕集和分析液体样品中的污染粒子的方法，该方法包括：提供本公开的示例性装置；雾化液体样品，以生成含载气污染粒子的气溶胶；使用至少一个冷凝生长管使气溶胶中污染粒子的粒径增大，以产生具有预定平均粒径的增大的污染物气溶胶粒子；将样品盘装载到新样品盘装载站的样品架上；将具有新样品盘的样品架移至气溶胶采集站，其中，将增大的污染物气溶胶粒子撞击到涂层样品盘上；将样品架移至液体化学品分配站，以使用化学品处理沉积的气溶胶样品；将样品架移至相机站，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查；干燥样品；以及将样品架移至分析站进行样品分析。该方法还包括用设置在样品采集站上游的荧光传感器测量粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂粒子比中的至少一项。分析站可以包括激光解吸电离质谱(ldi-ms)。分析系统可以包括ldi-ms、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(maldi-tofms)、激光诱导等离子光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱中的至少一种。该方法还可以包括以下步骤：生成气溶胶分析物粒子特有的原始光谱数据；执行滤波、基线扣除、信噪比估计、峰值检测和特征提取中的至少一项以生成经处理的光谱数据；以及通过将处理光谱数据与包含若干生物和化学分析物的处理光谱数据的参考库进行比较，鉴定污染物粒子的成分。该鉴定步骤可以包括使用机器学习将光谱数据与训练数据集进行比较，以预测污染粒子的成分。21.本公开的其他特征和优点将部分地在随后的说明书和附图中阐述，其中部分地描述和示出了本公开的优选方面，而通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的其他特征和优点对本领域技术人员将变得显而易见，或者可以通过实践本公开而习知。本公开的这些优点可以通过所附权利要求中特别指出的技术手段和组合来实现和获得。附图说明22.结合附图时，本公开的前述方面和许多附带优点将变得更好理解，这是因为通过参考下面的详细描述这些方面和优点变得更容易理解，其中：23.图1a、图1b和图1c分别是示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统的透视图、自主系统中使用样品盘架的透视图和样品采集站的横截面图；24.图2a至图2e分别是用于存放新样品盘的示例性卡盒的透视图、一叠样品盘在卡盒中的透视图、在将样品盘装载到样品盘架之前的一叠样品盘在卡盒中的横截面图、在将样品盘装载到样品盘架之后的一叠样品盘在卡盒中的横截面图和卡盒的横截面图；25.图3是用于捕集和分析气溶胶粒子样品的示例性自主方法的示意图；26.图4是重置与用于捕集和分析气溶胶粒子样品的自主方法有关的方法的示例性系统的示意图；27.图5是使用示例性样品捕集和分析系统获得的生物气溶胶粒子的原始质谱的示图；28.图6是使用示例性样品捕集和分析系统获得的bg(枯草芽孢杆菌黑色变种)气溶胶孢子的处理质谱(底部)以及与bg光谱库(顶部)进行比较的示图；29.图7是使用示例性样品捕集和分析系统获得的bt(苏云金芽孢杆菌)气溶胶孢子的处理质谱(底部)以及与bt光谱库(顶部)进行比较的示图；30.图8是含bg、bt、肠杆菌噬菌体t2、大肠杆菌和蛋白白蛋白(66kda，da＝道尔顿)的生物气溶胶粒子在全质量范围(顶部，至约80kda)和低质量范围(底部，至约10kda)内的处理质谱的示图；31.图9是使用示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统对含建筑灰尘和实验室空气的空气中不同浓度bg粒子进行分析的灵敏度的示图；32.图10a和图10b分别是示例性溶剂分配泵的透视图和溶剂流动的流程图；33.图11a和图11b是用于示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统的示例性雾化器的示意图；34.图12是示出与气溶胶样品自主捕集和分析系统相关的数据管理的示例性示意图；35.图13是示出用于气溶胶样品自主捕集和分析系统的软件设计的示例性示意图；36.图14是使用示例性样品捕集和分析系统处理含大肠杆菌的生物气溶胶粒子的质谱的示图；37.图15是使用示例性样品捕集和分析系统处理含罗氏耶尔森菌(y.rohdei)的生物气溶胶粒子的质谱的示图；和38.图16是使用示例性样品捕集和分析系统处理含大肠杆菌噬菌体ms2病毒的生物气溶胶粒子的质谱的示图。39.附图中的所有数字符号、指示符和标注在此通过引用并入本文，正如全部在此阐述的一样。未对图中的某一元素进行编号并不意味着放弃任何权利。未编号的引用也可以由附图和附录中的字母字符标识。40.以下具体实施方式包括对附图的引用，其构成具体实施方式的一部分。附图以示例的方式示出了可以实践本公开系统和方法的具体实施例。这些实施例应被理解为“示例”或“选项”，其描述应足够详细，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明范围的情况下，可以组合这些实施例，利用其他实施例，或者进行结构或逻辑改变。因此，下面的具体实施方式不应被视为是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其法律等效物限定。41.在本公开中，气溶胶通常是指分散在空气或气体中的悬浮粒子。“自主”是指“无需专业技术人员或仪器操作员的干预或干预很少”。“样品盘”或“样品基板”是指可以在其上沉积样品的固体(通常是金属)表面。气溶胶“实时”或“近实时”分析通常是指在采集到待分析气溶胶样品后约几分钟(例如，约少于5分钟)内鉴定出气溶胶分析物的分析方法和装置。术语“一(a)”或“一个(an)”用于包括一个或多个，除非另有说明，术语“或”用于指代非排他性的“或”。此外，应当理解，本文中所用的措辞或术语(未另行定义)仅用于描述而非限制。除非本公开中另有说明，否则为了解释术语“大约”的范围，本文中关于数值(尺寸和操作条件等)的误差范围为本公开所示数值的±10％。以百分比形式公开的关于数值的误差范围为所示百分比的±1％。在特定词之前使用的“基本上”一词包括“在规定范围内相当大”和“在很大程度上但不完全在规定范围”的含义。具体实施方式42.为了说明本公开的方法和系统的组成、原理及操作，下文对本发明的特定方面做了相当详细地描述。但是，可以进行各种修改，并且本发明的范围并不限于所描述的示例性方面。43.示例性样品自主捕集和分析系统100(图1a至图b)可以包括新样品盘或基板装载站101、废弃样品盘或基板装载站102、气溶胶样品采集站103、相机站104、液体化学品分配站105和设置在合适框架107上的tofms分析站106。样品盘架108设置在框架107中，并配置为可移动地设置在每个台站的下方。样品盘架108配置为可使用线性致动器和步进电机110水平移动(x-y轴)。样品盘架108还可以配置为使用步进电机和线性致动器111垂直(z向)移动。也就是说，样品盘架108可以配置为在站之间自主(自动地)移动(水平移动)，并可通过垂直移动与每个台站接合。示例性样品盘112的直径可为6mm，并且可以由镍和镍合金中的至少一种制成。样品盘112的厚度可以在约0.05-0.01英寸之间。分配站105配置为使用分配泵分配储存在贮存器105'中的约0.5至1.5μl的液体。可以使用微型分配泵，例如lee公司(康涅狄格州韦斯特布鲁克)提供的泵。另一示例性分配泵是如图10a所示的蠕动泵220(insetek公司，加利福尼亚)。泵220可适用于内径为1mm或更小、外径为1mm或更小的耐化学腐蚀管。除夹持样品盘112外，装样器108还可以夹持和吸附卡或垫。吸附卡221设置在样品架附近，用于吸附冲洗管道时配给的液体。吸附卡由约0.1-1mm厚的织造或非织造亲水性多孔片材组成。吸附卡材料可以包括造纸纤维、尼龙和聚四氟乙烯(ptfe)织片中的至少一种。示例性耐化学腐蚀管材的类型为c-flex管(伊利诺伊州弗农山cole-palmer公司)。44.化学液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水。该液体可以包含体积分数约70％的乙腈、体积分数约15％的tfa，其余为水。或者，该液体可以包含体积分数约70％的甲醇、体积分数约15％的tfa，其余为水。液体的分配体积约在0.5-2。液之间，以在样品盘上获得直径约1mm的样品斑点(喷嘴165的直径约0.7mm)。在约35℃以上的较高环境温度下，可能需要更高的分配体积以补偿溶剂蒸发损失。可以改变分配体积和喷嘴直径以获得斑点尺寸在约0.5-1.5mm之间的斑点。为了消除环境条件的这种影响，可以将系统100或其一部分设置在带温度和湿度控制的空间中。或者，可以监测系统100内部的温度和湿度，并相应地控制分配体积。此外，分配供分析的液体体积可与分析物斑点的大小成比例。之后，斑点越小，需要分配的液体越少。系统100外壳优选密封、温控外壳。可以在外壳内设置一种或多种可加载到适合的吸附器组件(未示出)中的干燥剂或吸附剂，以去除水和溶剂蒸气，确保系统100温暖干燥，且样品干燥优选在温暖干燥的环境条件下进行。在本文中，“温暖”是指约30-45℃之间，“干燥”是指低于约25％的相对湿度。45.分配管顶端240包括不锈钢和聚四氟乙烯(ptfe)等耐溶剂耐酸聚合物中的至少一种。图10b示出了在样品盘112上分配单次剂量溶剂的示例性顺序250。首先，在步骤251中，将样品吸附卡221置于分配管下方。在步骤252中，将泵220启动足够长的时间以完全清除置于泵220下游的分配管中的所有流体。在步骤253中，将具有盘112的样品盘架108(其可配置为在如前所述的在站之间自动移动)置于分配管顶端240下方，并且在步骤254中，将液体分配到样品盘112上。泵的速度和操作可以由系统控制器(未示出)控制。46.样品盘112可以用含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸的maldi化学物质预涂。这些溶剂可以包括乙腈、水、甲醇、乙醇和丙酮。可选地，系统100可以包括maldi基质涂布站，用于涂覆样品盘112。新样品盘112可在装入新样品盘卡盒200之前施加涂层，即在载入系统100之前。或者，可以在样品沉积在样品盘上之后，将maldi基质溶液从贮存器添加到样品中。贮存器可能需要用磁力搅拌器加热和搅拌，以将基质保持在溶液中。47.系统100还可以包括寻的传感器以将可移动的样品盘架108与每个台站对齐。z轴寻的传感器118如图1b所示。步进电机110(x-y轴)和111(z轴)可以用微控制器控制。步进电机111可以安装在x-y轴托架109上。在台站106，可以使用电绝缘元件117将样品柱116与tofms隔离。气溶胶采集站103可以包括外径为1/4”的ss304或ss316合金管113。挠性管(未示出)可以在端部115处可移除地连接至进口管113，并设置在待采样区中。例如，可以用连接至台站103中的出口管或配件114的气溶胶泵(未示出)将环境空气样品吸入进口管113。在某些应用中，挠性管可以连接到通风管道以采集在管道中流动的空气样品。与端部115相对设置的进口管113的端部可配置成将气溶胶供给撞击器喷嘴165，如图1c所示。喷嘴165的特征在于喷嘴尖口167处的孔径约在0.35-1mm之间。喷嘴尖口167与样品盘112之间的间距166可以约为喷嘴直径大小，即在约0.35-1mm之间。48.装载站101可以包括样品盘装载卡盒或匣200(图2a至图2e)。卡盒200的底端配置成与样品盘架108的样品柱116机械接合。样品柱116可以由铝和铝合金中的至少一种制成。将样品柱116插入由步进电机和z轴线性致动器111驱动的样品盘卡盒200中时，样品柱会促使柔性翼部201(或装载机构)向外弯曲，并迫使样品盘112从卡盒200中叠置的样品盘中释放到样品柱116上。如图2c所示，由于每个样品盘112的几何封盖形状204，每个样品盘112的表面与另一个样品盘分开。用安装在样品柱116末端的适合磁体202使金属样品盘保持在样品柱上。从卡盒200中抽出样品柱116，使得臂或翼部201向内返回，并使卡舌203与夹持下一个可用样品盘的封盖204接合(图2d)。该下一个可用样品盘现在处于与样品柱116接合的位置，以供对后续样品采样。在样品盘卡盒200中，用卡舌或挂钩203将下一个可用样品盘112和相应的封盖204保持在适当位置。使用装载机构保持器205、推杆206和配重207将样品盘置于适当位置。49.相机站104可以包括显微镜相机和可拆卸地固定至安装螺栓104’的数码相机。这些相机可用于查看台站间样品盘的图像，例如，检查新样品盘112是否已从装载器200正确装载(是否在装载站101提取新样品盘)、沉积在样品捕集站103的样品是否具有所需斑点尺寸，以及样品是否充分干燥。系统100还可以包括数据记录系统，以记录在分析过程中采集的位置和样品详细信息(例如相机图像)。可选地，当样品盘架108位于样品采集站103时，可以在使用适用的计数器测得的环境空气中的粒子数超过预定阈值时，启动抽吸泵运行。可以在相机站104处使用的其他类型相机包括荧光显微镜相机、高光谱成像仪和热成像相机。例如，高光谱成像仪和热成像相机能够更准确地测量采集样品的质量和样品的干燥程度。样品柱116可以通过o形密封圈119与tof-ms的真空室形成真空密封。50.在tofms站106完成分析后，将样品盘架108配置成将用过的或废弃的样品盘返回站102处的废弃样品盘卡盒中。将带有用磁铁102保持在适当位置的废弃样品盘的样品柱116抬起，以在站102处使样品盘与卡盒的柔性臂201接合。有限元分析表明，样品柱向柔性臂施加约0.1磅的向外力会产生约0.015英寸的径向位移，这足以释放卡舌203并将废弃样品盘移至站102处的废弃样品盘卡盒中。51.系统100还可以包括用于获取和处理分析站输出的数据的数据处理系统。数据处理可以包括滤波/平滑、基线扣除、信噪比估计、峰值检测、特征提取、检测和分类以及报告等步骤，包括通过用户界面报告。可以通过与参考光谱进行比较来实现检测和分类，以鉴定样品中气溶胶粒子的成分(例如，生物危害粒子，包括但不限于蓖麻毒素)。机器学习(ml)技术用于对利用机器学习引擎获得的光谱数据进行分析，这为分析物鉴定中的手动数据处理提供了显著改进，手动处理数据的速度慢且劳动强度大。机器学习通常是人工智能的一个子集，包括算法，随着时间的推移，算法性能会随数据分析而提高。可以使用有监督机器学习方法。监督学习包括学习函数的任务，该函数基于示例性输入输出对将输入映射到输出。监督学习从由一组训练实例组成的标签化训练数据中推断出函数。机器学习还包括深度学习方法，这些方法是无监督学习方法，可以鉴定复杂数据集中的标签，而无需先鉴定具体特征。还可以使用无监督和半监督(有监督和无监督学习之间的混合方法)机器学习方法。无监督学习方法可以包括类型学习，类型学习有助于在没有预先存在标签的情况下在数据集中找到以前未知的模式。无监督学习中使用的两种示例性方法是主成分分析和聚类分析。聚类分析用于无监督学习，以对具有共享属性的数据集进行分组或分段，从而推断算法关系。聚类分析是机器学习的一个分支，对未标注或分类的数据进行分组。聚类分析鉴定数据中的共性，并根据每条新数据中是否存在此类共性进行反应。这种方法有助于检测异常数据点。无监督学习方法可用于检测异常，这有助于鉴定以前未知的危险。例如，可以定期分析空气样品，以测定空气中粒子的成分，并鉴定粒子的性质(例如尺寸、形状、荧光)和与粒子相关的光谱，以获得“正常”环境空气中粒子的基线数据信息。在发生生物威胁剂等释放到大气中的事件后，环境空气中粒子的粒子性质数据和光谱数据将偏离基线数据，并突显异常(从异常光谱可看出)，这为采取必要措施减轻威胁提供了机会。可将编译的光谱数据与含已知生物物质光谱的知识库的训练数据集进行比较，以预测粒子成分。示例性样品制备和分析系统可以与机器学习引擎进行数据通信，以允许基于知识更新训练数据集并随时间推移而改进成分预测。生物物质质谱的范围比化学质谱大约三个数量级，这使自动化技术的应用变得异常复杂。此外，环境污染物可以在电离过程(竞争性电离)中通过与目标竞争来降低信号强度，这是一个必须与目标特征解卷积的引入特征分量(杂波)。当前的自动化方法大多局限于在无环境杂波的样品中搜索非常纯净的目标。本公开的示例性方法通过使目标分析物与杂波物理分离来消除竞争性电离，并消除特征中的模糊特征(将每个事件假设为目标或杂波)。标题为“不使用复杂有机maldi基质检测气溶胶粒子的方法和系统(methodsandsystemsfordetectionofaerosolparticleswithoutusingcomplexorganicmaldimatrices)”的美国共有临时专利申请号62/868,906公开了有关集成机器学习方法以分析与气溶胶样品相关的光谱数据的其他详细信息，其全部内容通过引用并入本文。或者，可以使用数据管理系统1200中的外部数据处理站1201(图12)处理分析站输出的数据，并且可以通过有线(以太网、lan)或无线双向通信将数据从系统100传输至处理站。原始数据、过滤数据、数据日志、警报和操作参数等各种格式的数据可以存储在本地存储服务器1202和远程或云存储服务器1203中的至少一个中。服务器配置为与数据处理站1201进行双向安全通信。移动应用软件1204(“应用程序app”)还可以配置为监测示例性系统100的运行状态，启动数据处理，以及查看和报告数据处理站1201的输出或结果。移动应用软件或“应用程序”是配置为在智能手机、平板电脑或手表等移动设备上运行的计算机程序。应用程序包括前端组件或用户界面(“ui”)，旨在为用户提供易于使用且友好的界面。前端与后端组件通信，后端组件有助于数据路由、安全性、身份验证、授权、脱机工作和服务编排。应用程序还可以与一个或多个中间组件通信，包括但不限于移动应用程序服务器、消息队列、企业服务总线(“esb”)以及其他面向服务架构(“soa”)的基础设施组件。移动设备与数据库或云端之间的数据同步以及离线(无需网络连接)功能是成功的移动应用程序无缝运行的关键。couchbasemobile(couchbase)、azuremobileservices(微软)、cognito(亚马逊)、firebase(谷歌)等数据库和云服务提供商通过其移动产品提供同步和离线功能。应用程序优选能够利用地址认证和静态数据等功能为同步和分散存储、传输及存储提供安全的数据访问通信，这与应用程序是否支持文件系统加密和数据级加密、是否支持动态数据和定义用户访问、更改或修改的数据的读写访问权限有关。数据库可以是关系数据库(sql数据库，如oracle、mysql)或nosql(如mongodb、couchdb)。此外，对于移动平台上分散数据的写入，可以在多个设备上同时修改相同的数据，并且可能会在多个设备的数据访问之间产生冲突。应用程序中优选包含解决这些冲突的机制。冲突解决机制允许在设备上或在云端自动解决，也可以手动启动。图13是系统100的软件设计1300的示例性示意图。系统100中组件1301的运行由控制器1302控制。如前所述，移动应用软件(“应用程序app”)可以配置为监测示例性系统100的运行状态，启动数据处理，以及查看和报告输出或结果。52.系统100可以包括多个装载站101。例如，第一装载站101可以包括涂有maldi基质的样品盘112，第二装载站101可以包括无涂层样品盘。示例性系统100还可以包括装载站101，该装载站包括一叠交替的有涂层和无涂层样品盘。如果需要涂层样品盘并且无涂层样品盘位于新样品盘堆或卡盒200的底部，则可以将无涂层样品盘从新样品盘堆200中拉出并移至废弃样品盘堆直至站102处的卡盒，从而允许自动操作的样品架108取用新样品盘堆中的无涂层样品盘112。从装载站101的新卡盒到台站102中的废弃卡盒之间的这些移动可以在少于约10秒内完成，优选在少于约5秒内完成。此外，系统100可以包括位于转盘上的多个装载站和卸载站。当一个样品盘卡盒用尽时，转盘可以旋转以提供一个新样品盘卡盒，其中包含一叠新的有涂层或无涂层样品盘。或者，可以设置两个转盘——一个用于新样品盘，一个用于废弃样品盘。机器学习技术还可用于分析相机站104产生的图像。例如，可以训练神经网络以确定样品盘112是否已在站101正确装载或是否已在站102正确卸载，或者评估样品是否干燥或是否需要干燥。53.在另一种用于分析化学气溶胶粒子的示例性方法中，可能不需要用maldi基质预沉积样品盘。化学气溶胶粒子(威胁剂)的示例包括但不限于蓖麻毒素、芬太尼和卡芬太尼。这些化学试剂的生产相对容易，并且比炭疽等生物试剂更容易获得，其近来被用作了化学武器。在对包含这些非生物的化学气溶胶粒子的样品进行样品制备期间，可以将气溶胶粒子直接沉积在未预涂有maldi基质的样品盘或基板上，必要时进行干燥，并使用作为激光解吸电离质谱仪(ldi-tofms)运行的tof-ms进行分析。激光解吸电离飞行时间质谱(ldi-tofms)可用于分析小型有机化合物(《1000da)和无机化合物，因为其在电离过程中会产生大量分子离子碎片，并能够测定有机化合物中的分子量和分子结构。maldi-tofms更适合用于大型有机化合物，例如聚合物。54.在示例性方法300(图3)中，将具有预涂maldi基质的新样品盘112的样品盘架108从tofms站106移至站103，以使样品盘与气溶胶样品撞击。在将样品从站106移出之前，tofms站的闸阀是关闭的。在步骤301中，在预定时间内开启气溶胶泵，以将环境空气吸入管道113并撞击涂层样品盘112上的粒子。在步骤302中，关闭泵，并在步骤303中将样品盘架108移至站105，以在步骤304中用化学品处理沉积的样品。在步骤305中，将具有样品盘的样品盘架移至相机站104，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查。在步骤306中，开始样品干燥。通过在站104中拍摄样品图像来定期监测样品(步骤307)，并且如果图像显示样品仍湿润，则继续干燥(步骤308)，例如通过使用加热器对样品加热。如果样品足够干燥，则将样品架移至站106进行tofms分析。在步骤309中，用tofms的真空室密封样品柱116，并在步骤310中对真空室抽真空。如果存在样品加热器且已打开，则关闭该加热器。在步骤311中触发tofms的电离激光器，在步骤312中采集光谱并在步骤313中进行分析。55.在用于重置系统100进行新分析的示例性方法中，重置过程400(图4)包括以下步骤：在站102处将废弃样品盘移至废弃样品盘卡盒(步骤401)并将盘插入卡盒站102(步骤402)，将样品柱移动到站104进行成像(步骤403)，以检查在步骤405中是否已将废弃样品盘移出样品柱。如果样品柱116上仍存在废弃样品盘，则在步骤406中发出维护警报。如果图像显示已移出废弃样品盘，则在步骤407中将样品盘架108移至新样品盘卡盒站101，并在步骤408中将样品柱116插入站101处的卡盒中。在步骤409中将样品柱移至站104以进行成像，并在步骤410中采集图像。如果在步骤411中图像显示样品柱116上存在样品盘，则将样品盘架108移至气溶胶采样站103以进行样品采集。如果不存在样品盘，则发出维护警报。机器学习方法可用于自动查看重置过程中拍摄的图像。如果在步骤411之后存在样品盘，则在步骤412中将样品盘架移至站106(ms站)，使得新样品盘112可储存在真空下。然后可以打开tofms系统上的闸阀，将新样品盘暴露在真空中。56.在另一示例性方法中，可以通过美国专利公开号为2003/0020011中所公开的撞击方法在基板上采集气溶胶粒子，该专利公开的全部内容通过引用并入本文。如标题为“基于虚拟撞击和实际撞击的空气采样器(airsamplerbasedonvirtualimpactionandactualimpaction)”的美国专利号7,799,567中所述，可以将虚拟撞击器或多级虚拟撞击器并入样品采集站103，以在撞击样品盘112之前浓缩气溶胶粒子，该专利的全部内容通过引用并入本文。然后，可将maldi基质溶液加入样品中。maldi基质溶液可以包含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸。这些溶剂可以包括乙腈、甲醇、水、乙醇和丙酮。将maldi基质溶液点样到maldi板上的分析物上，以在分析物上产生均匀的maldi基质材料层。溶剂蒸发，只留下重结晶基质，分析物在基质晶体中扩散。干燥涂层板或涂层基板，并在tofms中进行分析。“全细胞”分析可以在少于5分钟内提供鉴定。57.在另一示例性方法中，该系统还包括空气动力学粒径仪、光学粒子计数器和为每个粒子提供荧光测量或去极化测量的装置中的至少一个。示例性气溶胶粒径仪由airtechniquesinternational公司(马里兰州)制造。荧光和去极化等测量技术有助于区分威胁气溶胶粒子和正常的环境气溶胶粒子，而仅仅依据单位时间的粒径和计数来测定是不可靠的。该光学检测组件优选平行于或在撞击采集步骤上游添加。与威胁气溶胶粒子相关的粒径信息可以用于优化对这些粒子的采集。例如，平均粒径约为1μm的粒子需要的撞击驱动速度比平均粒径约为3μm的粒子更快。假设粒子密度相当，直径约3μm的粒子的质量是约1μm粒子的质量的约27倍。由于惯性分离与粒子质量和粒子速度成正比，因此可以调整气溶胶采集站103中所使用的泵的运行，使1μm粒子通过喷嘴的气流速度变大，或者如果待采集粒子的粒径较大(例如约3μm)，则减缓速度以降低气流速度。因此，可以利用光学检测器根据威胁气溶胶粒子的平均粒径来优化气溶胶粒子的采集效率。此外，光学检测器测得的威胁粒子数密度还可用于确定采样周期的持续时间。例如，如果威胁气溶胶是威胁粒子负载量高的致密气溶胶，则较短采样周期就足以获得较好的样品；当威胁气溶胶的浓度较低时，则需要更长的采样周期。58.在另一示例性方法中，可以通过撞击或冲击将气溶胶粒子采集到液体中，例如，使用如下所述的撞击器装置。然后，可以对样品进行酶或热酸处理数分钟。可以在约140℃下消化约15分钟。热酸在天冬氨酸(asp)残基处裂解蛋白质，产生具有高度特异性的肽。蛋白质特征分子的化学消化将在大约15分钟内提供蛋白质肽图。可以对单个肽段进行微测序以鉴定已知生物标记物的氨基酸序列。对于“催化”毒素，包括但不限于蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素、相思豆毒蛋白，活性测定可以明确测定样品中是否存在“活”毒素。该测定可能需要约1-2小时才能完成。然后将maldi基质溶液添加到经过处理的样品中。干燥样品，并在tofms中进行分析。59.样品自主分析并不限于质谱和光学成像。在另一个用于分析样品盘上采集到的样品的示例性方法中，荧光显微术、拉曼光谱法、表面增强拉曼光谱法、扫描电子显微术和其他基于表面的分析方法可用于系统100中的其他离散台站，并可供样品架108和样品处理自动托架109使用。60.在用于采集和分析炭疽等生物气溶胶粒子的示例性方法中，可以将溶剂中的maldi基质化学物质沉积在基板上，该基板包括但不限于由合适的金属、金属合金及其他高导电材料制成的样品盘。示例性样品盘112的直径可为6mm，并可夹持在样品盘架108中。maldi基质化学物质可以包含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸。这些溶剂可以包括乙腈、水、乙醇和丙酮。该基质化学物质可以基本干燥以在样品盘上形成薄膜。然后可将预涂样品盘置于点样喷嘴下方，点样喷嘴能够在少于约1分钟的采样周期内将气溶胶粒子样品沉积到样品盘上。样品气溶胶可以包括环境空气中的粒子。可以将三氟乙酸(tfa)、酒精和水或其混合物等其他化学物质加入到沉积样品中。添加tfa通常是为了抑制盐杂质对分析物质谱的影响，并从细菌孢子和病毒的表面层中沥滤出酸溶性蛋白质。水使亲水性蛋白质溶解，乙腈或有机溶剂使疏水性蛋白质和脂质溶解。在加入化学物质前，可以使用合适的照相机来捕获样品斑点的一张或多张图像。可以在化学处理之后采集和分析样品斑点的图像，以监测干燥过程，并判定样品是否已基本干燥。高倍率成像可用于提供关于采集粒子形态的信息。荧光成像或热成像可用来提供关于样品盘上的材料位置或样品干燥度的额外信息。干燥过程可以通过使热暖空气在干燥样品斑点上通过或加热样品盘来加速，例如通过使感应或电阻受热面与样品盘物理接触或将感应或电阻加热元件整合到样品盘架108中。干燥用热暖空气可以通过使其流经干燥材料床来去除湿气，以进一步强化干燥过程。也可以使用发射波长会被水强烈吸收的红外发射元件，例如，在中红外区域中的波长。使用示例性方法在样品盘上生成的样品在样品盘的中心处或近中心处产生一个小的、圆形的、基本干燥的气溶胶斑点或沉积物。在样品沉积前，可以用maldi基质化学溶液预涂样品盘。或者，可以在干燥前将maldi基质化学溶液与沉积样品混合。系统100还可以包括专用干燥站，样品在该干燥站中真空干燥。站106中与tofms关联的低真空泵和涡轮泵中的至少一个可以流体连接至干燥站。61.然后，可使用质谱仪分析样品。例如，可以通过将样品暴露于至少一个激光电离脉冲来产生样品的约2-200个离散质量(光谱)特征峰。激光电离脉冲的数量可以在约1-20之间。在添加气溶胶样品之前，将maldi基质预沉积为薄膜，避免了需要在沉积到样品盘之前雾化基质和/或气溶胶，并提供了基本上均匀包覆maldi基质的气溶胶粒子。示例性方法还提高了粒子的附着力，这可能是由于增加了表面粗糙度或表面粘性，因此，当高速气流冲击采集表面使得粒子易于在撞击后从基板上“弹跳”时，避免了或最大限度地减少了气溶胶粒子的损失。在最大限度地增加撞击表面的粒子数的同时，最大限度地减少弹跳的最佳气流速度约为75m/s，但可在约50-150m/s之间变化，这取决于撞击表面的性质、喷孔直径和截断粒径。截断粒径是一半由撞击器采集而一半通过撞击器输送的该粒径粒子的直径。62.上述示例性方法可以配置为是自主的。例如，示例性气溶胶采样自动系统100可用于执行以下步骤：63.(a)从包含一个或多个样品盘的新样品盘卡盒或容器中选择样品盘或基板；64.(b)将包含maldi基质的样品盘置于第一喷嘴下方，以沉积使用合适装置采集的气溶胶粒子样品；65.(c)将包含气溶胶样品的样品盘置于第二喷嘴下方，用含tfa、酒精和水中的至少一种的处理溶液处理样品；66.(d)使样品盘上的样品基本干燥；67.(e)将样品盘移至质谱仪采样站；68.(f)启动分析过程并生成质谱数据；69.(g)处置废弃样品盘，例如，通过将样品盘移至废弃样品盘卡盒或容器中。70.上述示例性方法还可以包括通过在两个连续步骤之间将含样品盘的样品架移至相机站104来捕获样品盘的数字图像，以检查在步骤(a)样品架是否从装载站101提取了样品盘，在步骤(b)样品是否沉积，以及在步骤(d)干燥是否基本完成等。相机站104可以包括一个或多个光源(例如，发光二极管或led)以照亮样品盘表面。例如，表面上具有含样品或处理溶液的液滴的样品盘的图像通常具有能够反射光的玻璃状光滑表面，例如，通过镜面反射，这可被视为是表面对光的镜面反射。因此，图像上可显示出照亮表面的离散led。相反，当样品盘基本干燥时，即实现有效干燥时，其表面往往会使光散射，而图像上也不会显示出照亮表面的离散led。还可以通过将每个步骤后捕获到的图像与标准或基准数字图像库进行比较来自动检查在这些步骤中采集到的数字图像，以确定含样品盘的样品盘架108是否应移至下一步骤，或者是否应将样品盘丢弃到废弃样品盘卡盒102中。如果需要，还可以使用pcr(聚合酶链式反应)及其他生物分子或微生物技术对后分析盘上的样品进行提取和分析，以确认maldi-tofms的结果。71.启动分析过程步骤(f)可以包括以下步骤：对样品盘架108密封在其中的ms站106抽真空，至小于约10-5torr，优选小于约5×10-6torr的压强；向导电样品盘施加电压，以在样品盘表面附近区域产生强电场；聚焦激光脉冲以蒸发maldi基质和分析物并产生离子；以及通过控制电场方向使离子加速达到检测器。72.示例性方法还可以包括将无涂层样品盘置于第三喷嘴下方以沉积maldi基质溶液并基本干燥基质的步骤。73.样品气溶胶粒子可以并不限于在站103通过撞击采集。样品气溶胶粒子也可以使用合适的撞击或液体冲击装置采集，该装置用于采集分散在气流(例如环境空气)中的粒子diseasesusingexhaledbreath)”的美国共有临时专利申请号62/891,954和63/069,120公开了一种使用呼出气诊断结核病的自主系统，其包括样品采集子系统和样品分析子系统，这些专利申请中每一个的全部内容都通过引用并入本文。样品采集子系统可以包括：样品提取组件，配置为接收个体的面部，以在预定呼吸操作期间提取从个体排出的具有结核分枝杆菌(mtb)特征的呼吸气溶胶(eba)粒子和脂质生物标记物中的至少一种，输入到提取组件的气流中；样品捕集组件，通过接口管与样品提取组件流体连接，并配置为从呼出气和空气中分离和采集eba粒子和脂质作为采集样品。一个或多个激冷装置配置为与至少一个接口管的壁热连通。热电冷却装置的一个示例由马洛工业公司(德克萨斯州达拉斯)制造。样品捕集组件和样品分析子系统流体连接。采集样品可以使用与用于分配化学品的站105相似的站凝集在样品板上。采集样品的体积可小于约1ml。采集样品的体积可小于100μl，也可小于2μl。可使用包括但不限于基于膜的分离或蒸发方法及装置将液体样品的体积从毫升浓缩至微升。76.可以打开或“裂解”微生物细胞壁或芽孢衣，通过将更多微生物的特征性细胞内含物暴露于maldi分析，使用示例性系统100来改进对微生物的分析。标题为“用于裂解细菌孢子以促进其鉴定的装置和方法(apparatusandmethodforlysingbacterialsporestofacilitatetheiridentification)”的美国专利号为5,989,824公开了利用等离子体或放电使位于金属基底上的细胞或孢子破裂，其全部内容通过引用并入本文。也可以使用化学、聚焦声学和聚焦电磁处理来实现裂解。77.液体样品可以从呼气气溶胶采集器或者任何涉及液体或液体中固体悬浮液的过程中获得。可能需要液体样品处理组件来去除盐等杂质，或者浓缩或化学改性样品以提高分析系统的性能。例如，可以使用c18树脂来去除液体样品中的盐。如前所述，可以使用酶或热酸处理将蛋白质分解成与特定目标分析物关联更精确的肽。微柱阵列可用于按粒径对粒子进行分类或选择，然后从复杂或稀释的悬浮液中浓缩或清理出特定的目标粒子。示例性方法和装置还可以包括这些样品制备方面。标题为“采用呼出气诊断呼吸系统疾病(diagnosisofrespiratorydiseasesusingexhaledbreath)”的美国共有临时专利申请号63/005179和63/010029、标题为“采用呼出气和气溶胶分析诊断呼吸系统疾病(diagnosisofrespiratorydiseasesusinganalysisofexhaledbreathandaerosols)”的美国共有临时专利申请号63/069029公开了一种用于使用呼出气和其他气溶胶诊断呼吸系统疾病的呼吸样品采集系统，该系统包括样品捕集元件，样品捕集元件包括填充层柱以选择性地捕集非挥发性有机成分，这些专利申请中每一个的全部内容都通过引用并入本文。78.在另一示例性方法中，当样品同时包含生物粒子和化学粒子时，可以修改前面描述的方法。可以将裸盘或基板(无任何maldi基质涂层)置于点样器下方，并且可以将使用先前公开的任何一种采集装置采集到的气溶胶样品沉积在盘上。然后，可以将样品盘运送至ldi-tofms仪器进行化学成分分析和鉴定。随之，可以将相同的样品盘运送至示例性装置100中的台站，在该台站将化学品添加到样品斑点中。化学混合物可包含α-氰基-4-羟基肉桂酸、甲醇、tfa和水。可以在maldi-tofms中干燥样品并进行生物成分分析和鉴定。随后，可以从单个样品中快速鉴定出化学和生物威胁气溶胶粒子。79.在示例性系统100中，新样品盘可以存储在两个单独的位置，即，一个存储涂覆了maldi基质的样品盘的位置和另一个存储未涂覆样品盘的位置。或者，可以交替涂覆样品盘，并且在无涂层样品盘位于新样品盘堆底部时，如果需要涂层样品盘，则可以将无涂层样品盘从新样品盘堆中拉出，移至废弃样品盘堆，从而允许机器人取用新样品盘堆中的无涂层样品盘。这些动作可以在几秒钟内完成。80.为了确定大气中是否存在生物威胁剂，可以按预定时间间隔采集空气样品，并使用上述示例性方法进行分析，以生成背景信息或基线信息的历史数据集(训练数据集)。分析结果可以利用机器学习算法随着时间来改进。背景信息变化可以通过建模来映射保护区内大气的正常行为。当怀疑有生物、生化或化学气溶胶粒子释放时，使用上述示例性方法对空气进行采样将会获得与历史背景信息存在偏差的信息。这种威胁出现的第一个特征就是与正常背景之间存在急剧偏差。在这个阶段，可以针对每个单独粒子的成分做出算法决策。因此，可以迅速采取补救措施来保护人类生命，防止生命损失。例如，可以关闭建筑物的供暖、通风和空调(hvac)系统，以限制气溶胶的传播，并且可以启动火灾警报以撤离建筑物。81.以上公开的示例性方法和装置也可用于分析液体样品和各种样品，包括但不限于半导体气体和工艺液体流。液体样品可以雾化。在这种情况下，可以使用合适的方法将等分样品雾化。例如，可以使用雾化器将液体样品雾化成空气。例如，可以使用雾化器将液体样品雾化成过滤气流。82.液体样品，尤其是半导体工艺流的液体样品，可包含超纯水(upw)中的粒径在约1-100nm之间的纳米粒子污染物。液体样品还可以包括在半导体制造过程或前道工序(feol)开始时的化学液体和在制造过程的后道工序(beol)阶段使用的化学品。半导体行业中的超纯水是指经过处理去除几乎所有污染物的水，其中的污染物包括生物物质(例如细菌物质)、金属和金属阳离子(包括但不限于钠、硼、钡、铁、硅和钙)、有机金属化合物、有机化合物(例如从塑料部件中滤入水中的聚合物)、阴离子化合物(尤其是含氯和硝酸根离子的化合物)、无机化学化合物(例如硝酸铵)、溶解物质、颗粒物质以及溶解气体(包括溶解氧)。化学化合物可以包括挥发性和非挥发性化学物质，并且还可以包括活性和惰性化学物质、亲水性和疏水性化学物质等。标准中对超纯水(upw)的质量要求进行了概述，这些标准包括但不限于astmd5127《电子学和半导体工业用超纯水的标准指南》和semif63《半导体加工用超纯水指南》。upw还可用于制药和生物技术行业。upw可用于清洁半导体零部件以及灭菌。83.使用示例性系统100对含纳米粒子污染物(分析物)的液体样品进行分析可以优选包括对液体样品进行雾化以产生含纳米粒子和水蒸气的气溶胶，并将水蒸气凝集到纳米粒子上，增加或扩大冷凝生长管中粒子的粒径，以供使用ldi-ms或其他基于表面的分析方法进行分析。然后，可以将含“增大”粒子的气溶胶沉积在站103处的样品盘112上，或通过如上所述的虚拟撞击器凝集。样品盘112可以由不被视为是污染物的金属制成或涂覆，从而消除来自样品盘本身的干扰。如上所述，包含纳米粒子的液体样品接触液滴或液流时，可以使用从合适的气体喷嘴或喷气孔1101排出的高速载气流(例如空气)进行雾化。该载气流可以垂直于液体样品流(图11a)。或者，雾化器可以是在出口处含孔口的环形管形式(图11b)。在这种情况下，液体样品流过环形管，并被载气作为气溶胶通过孔口压出。tsi公司(明尼苏达州梭尔维尤)销售一系列用于雾化液体的产品。84.在一方面，凝集从雾化器排出的气溶胶中的目标纳米粒子，或如下所述，使粒径生长到至少约3粒m，以使tof-ms和其他光学检测器能够进行检测。也可以使用任何方法凝集纳米粒子。例如，可以让纳米粒子凝集，使粒子生长到可以光学检测的粒径。如标题为“高饱和比水凝集装置及方法(highsaturationratiowatercondensationdeviceandmethod)”的美国专利号7,736,421所公开，可以使用(1)绝热膨胀，(2)湍流混合或(3)冷壁凝集管完成超细粒子的冷凝生长。这些方法中的每一种都会产生一个过饱和区域，其中冷凝蒸汽的浓度大于其在局部气体温度下的平衡蒸汽压。标题为“连续层流水基粒子冷凝装置及方法(continuous,laminarflowwater-basedparticlecondensationdeviceandmethod)”的美国专利号6,712,881公开了一种方法，其中，气溶胶或气溶胶外加不含粒子的壳气(sheathair)以层流方式流经壁润湿且壁温保持高于进入气流的装置或管。由于水蒸气的质量扩散率大于空气的热扩散率，从暖湿壁传输水蒸气的速度比加热气流的速度块。这就产生了一个沿气流中心线具有最大值的水蒸气过饱和区域，在该区域，过饱和定义为水蒸气含量超过水蒸气平衡含量。利用这种层流水基冷凝装置可以使小至5nm的粒子凝集。可以使用衬有湿芯体的管道，气溶胶样品流流过该管道。该衬芯管的第一部分的壁保持在第一温度，并用作预调节器。该管的第二部分的壁被加热至高于第一温度的温度。在被称为“生长区”的第二部分中，与加热气流相比，从暖湿壁扩散水蒸气的速度相对较快，从而产生了一个过饱和、粒子活化和冷凝生长区域。可以使用不含粒子的壳气来包围载有粒子的气溶胶流，以将粒子限制在实现最高过饱和度的中心线处。aerosoldevices公司(科罗拉多州柯林斯堡)提供了一种可以集成到系统100中的冷凝生长管系统。85.美国专利号'421公开了一种方法，包括以下步骤：提供具有第一温度的壁的生长室；在低于第一温度的第二温度下，提供含高浓度可冷凝蒸汽(空气等载气中的水蒸气)的热壳气流；以及利用壳气流引入层流气溶胶，其中，该气溶胶流的温度为低于第一温度和第二温度的第三温度。壳气流以层流方式引入，以包围较冷的气溶胶流。在包含组合流的腔室内，由于传热和传质的差分速率而产生了蒸汽过饱和区域。因此，蒸汽在粒子上凝集，使其增大成液滴。壳气流可以在进入冷凝生长区域之前进行温度调节。该方法可用于增大直径小至3.2nm的粒子。可凝蒸汽可包含载气中的甲醇，载气包括空气、二氧化碳和氩气中的至少一种。86.标题为“超细粒子的先进层流水冷凝技术(advancedlaminarflowwatercondensationtechnologyforultrafineparticles)”的美国专利号9,821,263公开了一种用于增大气溶胶粒径的方法，该方法包括将层流中的气流引入具有入口和出口的湿壁式冷凝器，该气流具有冷凝器入口处的进气温度；将冷凝器靠近入口的的第一部分的温度控制为比进气温度高至少5℃的第一温度；以及将冷凝器在第一部分与出口之间的第二部分的温度控制在低于第一温度的第二温度。冷凝器的第一部分和第二部分限定了一个体积，其中，将气流引入冷凝器可在体积内产生体积空气流量，该体积具有圆柱形几何形状或多板几何形状，其中，每个板具有宽度和板之间的间距。对于圆柱形几何形管，第一部分的长度除以体积流量小于0.5s/cm2，对于多板几何形管，第一部分的长度除以体积流量乘以宽度除以间距小于0.5s/cm2。冷凝生长管的管壁可以使用芯体润湿。标题为“水冷凝系统的芯体润湿(wickwettingforwatercondensationsystems)”的美国专利号9,610,531公开了芯体的被动润湿，其可以形成层流水冷凝生长系统的湿壁，其中自持式芯体依靠芯体材料的毛细作用，将水从水蒸气凝集到芯体表面上的较冷区域输送到蒸发的较热区域。这种方法允许在没有贮水器的情况下延长操作，并且对生长管的方向不敏感。虹吸芯可以使用类似虹吸的方法，在芯体与气流相对的一侧使芯体后的间隙保持充满水状态。这种方法可以增补主动泵送，以适应大型系统。在一方面，可以使用一个以上冷凝生长管通过控制生长管内的温度分布来使不同大小或直径的目标气溶胶粒子增大。87.可将雾化器排出的气溶胶(或气溶胶的一部分)引导至冷凝生长管。冷凝生长管的设计(长度、直径和工作温度)可以根据雾化器排出的气溶胶中的粒子负荷(计数)、进入冷凝生长管的流速和载气的流速进行优化，其中的载气通常是过滤空气。aerosoldevices公司的冷凝生长管系统提供长约4.5英寸的生长管，每根管的处理流速约在1-1.5lpm之间。biospotvivas(aerosoldevices公司)可以通过8根管处理8lpm的流量。88.冷凝生长管排出的气溶胶可以作为干粒子或湿粒子沉积在样品盘112上。喷嘴1101可设计成产生目标液滴的最佳撞击速度。直径在0.35-0.7mm范围内的喷嘴的最佳速度在50-100m/s之间。为了在样品盘112上实现目标粒子的有效采集，以及尽量减少或消除粒子弹跳，沉积润湿的气溶胶粒子是有益的。在采集过程中或之后，如前所述，可以通过干燥样品盘112来去除液态水。雾化的一个重要方面是使气溶胶夹带在少量的过滤空气中。如果相对于冷凝生长管接收的体积流量，存在于雾化器中的空气的体积流量大，则只将一部分雾化器出口导入生长管中。或者，可以在雾化器下游使用一束冷凝生长管来产生平均直径大于1μm的气溶胶。然后，该气溶胶流在导入撞击器前可集中在虚拟撞击器中。89.在示例性系统100中，除tofms质谱分析外，站106还可以包括一个或多个光学检测工具及方法，因为沉积在样品盘112上的分析物样品从激光脉冲中吸收到足够的光能时，光子从高能状态过渡到低能状态时会发射特征光子，并产生瞬态光学特征，如高阶荧光、激光诱导击穿光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱。因此，除质谱法外，还可以使用光学传感器或光学检测器鉴定样品粒子的成分。使用tofms和光学传感器两者采集的测量数据可以使用数据融合技术进行处理，以提供有关样品分析物成分的信息。通过从包括一种或多种光学方法和质谱法在内的各种检测器采集信息，可利用数据融合协议过滤和分析与样品相关的数据，以高精度、高灵敏度和高特异性快速(接近实时)地鉴定粒子的成分和类型。可以将来自每一种测量法(包括tofms、libs、拉曼光谱和红外光谱中的至少一个)的数据传输到传感器数据融合引擎，其中，可使用包括机器学习和深度学习在内的人工智能工具来充分表征粒子。90.拉曼光谱不使用目标特异性试剂，具有快速分析(约5分钟或更短)的潜力。拉曼光谱可提供用于鉴定和定量样品的分子振动信息。这项技术涉及将激光束(例如波长在约330-360nm之间的紫外激光源)聚焦在样品上并检测非弹性散射光。大部分散射光的频率与激发源相同，称为瑞利散射或弹性散射。由于入射电磁波与样品中分子的振动能级之间的相互作用，极少量散射光的能量随激光频率位移。绘制这种“位移”光的强度与频率的关系图，可以得到样品的拉曼光谱。拉曼光谱的局限性在于难以鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。91.在libs中，激光脉冲(例如来自波长约1064nm的高能nd:yag激光器)聚焦在粒子上，烧蚀少量粒子，以产生等离子体。分析物粒子分解(解离)成离子和原子种类。当等离子体冷却时，可以使用诸如ccd检测器等光学检测器来观察元素的特征原子发射线。在荧光光谱学中，样品分子被特定波长的辐射激发，并发射不同波长的辐射。发射光谱为定性和定量分析提供了信息。当分子吸收适当波长的光时，分子的电子态从基态转变为其中一个电子激发态的多个振动能级中的一个。一旦分子处于这种激发状态，就可通过几个过程发生弛豫。荧光就是这些过程中的一个，可导致光发射。通过分析荧光光谱中发射的光的不同频率及其相对强度，可以确定与不同振动能级相关的化学结构。生物样品中的某些氨基酸(例如色氨酸)具有高荧光量子效率，这有利于使用荧光光谱来鉴定这些氨基酸。92.在示例性系统100中，除tofms质谱分析外，站106还可以包括一个或多个光学检测工具及方法，因为沉积在样品盘112上的分析物样品从激光脉冲中吸收到足够的光能时，光子从高能状态过渡到低能状态时会发射特征光子，并产生瞬态光学特征，如高阶荧光、激光诱导击穿光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱。因此，除质谱法外，还可以使用光学传感器或光学检测器鉴定样品粒子的成分。使用tofms和光学传感器两者采集的测量数据可以使用数据融合技术进行处理，以提供有关样品分析物成分的信息。通过从包括一种或多种光学方法和质谱法在内的各种检测器采集信息，可利用数据融合协议过滤和分析与样品相关的数据，以高精度、高灵敏度和高特异性快速(接近实时)地鉴定粒子的成分和类型。可以将来自每一种测量法(包括tofms、libs、拉曼光谱和红外光谱中的至少一个)的数据传输到传感器数据融合引擎，其中，可使用包括机器学习和深度学习在内的人工智能工具来充分表征粒子。93.拉曼光谱不使用目标特异性试剂，具有快速分析(约5分钟或更短)的潜力。拉曼光谱可提供用于鉴定和定量样品的分子振动信息。这项技术涉及将激光束(例如波长在约330-360nm之间的紫外激光源)聚焦在样品上并检测非弹性散射光。大部分散射光的频率与激发源相同，称为瑞利散射或弹性散射。由于入射电磁波与样品中分子的振动能级之间的相互作用，极少量散射光的能量随激光频率位移。绘制这种“位移”光的强度与频率的关系图，可以得到样品的拉曼光谱。拉曼光谱的局限性在于难以鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。94.在libs中，激光脉冲(例如来自波长约1064nm的高能nd:yag激光器)聚焦在粒子上，烧蚀少量粒子，以产生等离子体。分析物粒子分解(解离)成离子和原子种类。当等离子体冷却时，可以使用诸如ccd检测器等光学检测器来观察元素的特征原子发射线。在荧光光谱学中，样品分子被特定波长的辐射激发，并发射不同波长的辐射。发射光谱为定性和定量分析提供了信息。当分子吸收适当波长的光时，分子的电子态从基态转变为其中一个电子激发态的多个振动能级中的一个。一旦分子处于这种激发状态，就可通过几个过程发生弛豫。荧光就是这些过程中的一个，可导致光发射。通过分析荧光光谱中发射的光的不同频率及其相对强度，可以确定与不同振动能级相关的化学结构。生物样品中的某些氨基酸(例如色氨酸)具有高荧光量子效率，这有利于使用荧光光谱来鉴定这些氨基酸。95.实施例96.实施例1使用示例性系统100检测生物气溶胶粒子。97.在示例性试验中，将含枯草芽孢杆菌黑色变种(“bg”)、苏云金芽孢杆菌(“bt”)、大肠杆菌、肠杆菌噬菌体t2病毒和分子量为66kda的白蛋白(蛋白质)的样品沉积在maldi涂层样品盘上。然后，用含70％甲醇、10％tfa和15％水的溶液处理样品。使用包括tofms的示例性系统100对样品进行干燥和分析。在每种情况下，干燥样品，将包括带有样品的盘的样品柱移至ms站106，并在ms系统中抽真空。图5是这些样品中的每一个在两种条件下的原始(未处理)质谱图：(a)未充分干燥(或未有效干燥)的样品以及通过在低于约10-5torr的压强下抽真空而有效干燥的样品。可以看出，在每种情况下，相较于未有效干燥的样品，有效干燥的样品能够使峰的信号强度(碎片离子的相对丰度)增加，锐化峰，鉴定新碎片，并获得能够更好地与光谱库进行比较的光谱指纹。98.实施例2使用示例性系统100进行tofms分析的灵敏度。99.将包含含有孢子、植物细菌和病毒的生物气溶胶粒子的样品吸入容积约250l的腔室中，并使用补充空气进行雾化，使粒子浓度达到1000份/升(ppl)。该腔室包括混合风扇，用于搅拌和混合采样空气以获得空气中气溶胶粒子的均匀样品。然后，从腔室中抽取样品，通过撞击以约4升/分钟(lpm)的流速将气溶胶粒子沉积在maldi涂层样品盘上。在沉积之前，使用在线aps或荧光传感器测量粒度分布、计算生物粒子(荧光)数、计算非生物粒子数，并确定目标粒子与杂波的比值。然后，使用tofms对样品进行分析。验证了对空气中约50-100个孢子的敏感性。100.实施例3使用示例性系统100对含bg孢子的生物气溶胶粒子进行高特异性检测。101.使用示例性系统100捕集和分析含bg孢子的气溶胶样品，并与bg基线参考质谱库(librarybaselinereferencebgmassspectrum)进行比较。如图6所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。102.实施例4使用示例性系统100对含bg孢子的生物气溶胶粒子进行高特异性检测。103.使用示例性系统100捕集和分析含bt(苏云金芽孢杆菌)孢子的气溶胶样品，并与bt基线参考质谱库(librarybaselinereferencebtmassspectrum)进行比较。如图7所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。104.实施例5使用示例性系统100对生物气溶胶粒子进行高特异性检测。105.使用示例性系统100捕集和分析含bt、bg、大肠杆菌和白蛋白(66kda)的气溶胶样品。如图8所示，鉴定出了这些生物粒子在全质量范围(80kda)内的光谱特征。106.实施例6使用示例性系统100对含bg粒子的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。107.使用示例性系统100捕集和分析含bg粒子的气溶胶样品，其中，bg粒子与背景粒子之比约在0.05-0.56之间。如图9所示，由于鉴定出了bg光谱特征，在该浓度范围内bg检测的灵敏度很高。108.实施例7使用示例性系统100对含大肠杆菌的生物气溶胶粒子进行高灵敏度。109.使用示例性系统100捕集和分析含大肠杆菌的气溶胶样品，并与基线参考质谱进行比较。如图14所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。110.实施例8使用示例性系统100对含罗氏耶尔森菌的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。111.使用示例性系统100捕集和分析含罗氏耶尔森菌的气溶胶样品，并与基线参考质谱进行比较。如图15所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。112.实施例9使用示例性系统100对含大肠杆菌噬菌体ms2病毒粒子的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。113.使用示例性系统100捕集和分析含大肠杆菌噬菌体ms2病毒的气溶胶样品。如图16所示，测量光谱的特征展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。114.按照《美国联邦法规》第三十七编第1.72条(b)款提供摘要是为了使读者能够通过粗略检查快速确定本技术公开的性质和要点。所提供的摘要不应用于解释或限制权利要求的范围或含义。115.虽然已结合实施本公开的优选形式对本公开进行了描述，但本领域普通技术人员应理解，在不脱离本公开精神的情况下可对其进行许多修改。因此，上面的描述并非旨在以任何方式限制本公开的范围。116.还应当理解，可以在不脱离本公开实质的情况下进行各种更改。这类更改也隐含在描述中，仍然属于本公开的范围。应当理解，本公开旨在产生一项专利，既可以独立地也可以作为整体系统，还可以以方法和装置两种模式，涵盖本公开的许多方面。117.此外，本公开和权利要求的各种元素中的每一个还可以以各种方式实现。本公开应被理解为包含每一种此类变化，无论是实施任何装置的实施方式的变化，还是实施方法或过程的实施方式的变化，甚至仅仅是这些装置、方法或过程的任何元素的变化。118.尤其是应当理解，每个元素的词语都可以用等效的装置术语或方法术语来表示，即使这些装置或方法仅仅在功能或结果方面是相同的。这种等效的、更广泛的、甚至更通用的术语应被视为包含在对每个要素或行动的描述中。如果需要，可以替换这些术语，以明确本公开有权享有的隐含的广泛覆盖面。应当理解，所有行动都可以表示为采取该行动的手段或导致该行动的要素。同样地，所公开的每个物理元素都应理解为包含该物理元素促进行动的公开内容。119.此外，对于所用的每个术语，除非其在本技术中的使用与释义不一致，否则应将通用词典的释义理解为包含每个术语、全部释义、替代术语和同义词，例如包含在技术人员认可的标准技术词典和兰登书屋韦氏大词典中的至少一个中，其最新版本通过引用并入本文。120.此外，根据传统的权利要求解释，连接词“包括(comprising)”的使用用于主张本文的“开放式”权利要求。因此，除非文中另有规定，否则应当将“包括(comprises或comprising)”的变形理解为旨在暗示包含所述元素或步骤，或者一组元素或步骤，但不排除任何其他元素或步骤或者元素组或步骤组。这类术语应以其最广泛的形式进行解释，从而为申请人提供法律上允许的最广泛的覆盖范围。当前第1页12当前第1页12
技术领域：
：3.本公开涉及使用质谱技术和可选地使用一种或多种光学技术来提供高精度、快速和自主鉴定气溶胶分析物粒子的系统和方法。更具体但并非限制性地，本公开涉及利用基质辅助激光解吸电离质谱(maldi-ms)鉴定生物气溶胶分析物以及利用飞行时间质谱仪(tofms)通过激光解吸电离质谱(ldi-ms)鉴定化学气溶胶分析物的方法和设备
背景技术：
：：4.来自气溶胶生化威胁制剂的威胁仍然是美国政府关注的重点，因为发生此类事件可能会对生命和财产造成潜在的可怕后果。需要特别关注的两大主要威胁场景是：(1)制剂在封闭结构(如办公楼、机场、公共交通设施等)内释放，在封闭结构内，暖通空调(hvac)系统能使得制剂有效遍布整个结构，(2)制剂在城镇或城市等居民区大范围释放。暴露在释放出的气溶胶制剂下可能导致大规模伤亡。在大范围释放中，如果无法及时了解污染物的类型、数量及位置，则很难保护公民不受初始暴露的影响。需要能够实时鉴定，且优选自主鉴定威胁制剂组成的方法和设备，以采取快速补救措施。5.遗憾的是，人们已经广泛认识到由耐药结核分枝杆菌和sars-cov-19等微生物引起的自然发生的流行病所构成的威胁。这些微生物可以通过接触或通过正常呼吸、咳嗽、打喷嚏、打哈欠、运动、演奏乐器等过程中释放的气溶胶进行传播。已知深呼吸会产生源自肺部深处的细小气溶胶，而当出现呼吸道感染时，气溶胶中的部分粒子将含有传染性微生物。6.为了能够最有效地保护大型机场等基础设施，应使用气溶胶威胁自主鉴定器来采集和分析样品，并在约少于5分钟的时间内判定该气溶胶是否具有危险性。如果能在少于5分钟的时间内鉴定出气溶胶威胁，就可以采取补救措施来限制气溶胶在机场航站楼等建筑物内的传播。随着时间的推移，气溶胶会通过人体运动传播，更重要的是还会通过建筑物通风系统的正常运转而传播。在高层建筑中，电梯也可以让气溶胶在几分钟内移遍整栋建筑。需要能够检测有毒或致病性气溶胶威胁并与建筑物管理系统通信的自主系统，以在危险气溶胶在建筑物中散布时限制其传播。这种有毒或致病性气溶胶的散布或“释放”通常被认为是一种“恐怖事件”。7.已有系统可以对生化制剂等一些气溶胶分析物进行采样、检测和鉴定，但却不允许进行实时或近实时分析，或者仅限于允许对为数不多的分析物进行实时或近实时分析。一种解决方案是采用微流控技术净化样品并浓缩生物分析物。例如，可以用特异性抗体来浓缩和纯化生物分析物。如果有足够的时间净化和浓缩分析物，这种目标特异性解决方案可提供合理的结果。另一种目标特异性解决方案可扩增与病原体基因组中特定目标特有相关的核酸片段。还有一种解决方案是针对特定目标的，仅适用于细菌分析物，且会以损失分析病毒、毒素或颗粒化学物质为代价。这种方法需要将样品(例如来自患者的样品)施加于细菌培养板并孵育8-24小时。待细菌菌落生长后，采集单个扩增和纯化的菌落，并通过全细胞“基质辅助”激光解吸电离(maldi)飞行时间(tof)质谱法进行测定。已有大量研究对该技术的准确性进行了验证，并发现临床细菌分析物的鉴定准确率》99％。现已开发出两种用于快速鉴定临床细菌的商业系统，即brukerbiotyper(由贝迪医疗公司(bectondickinson)上市推出)和vitekms(由日本岛津公司(shimadzu)开发并由法国生物梅里埃(biomerieux)上市推出)。这些系统相对于细菌学鉴定中的16srna“实验室金标准”提供了出色的诊断结果。然而，为了获得这些可信度高的临床结果，需要培养或提取步骤以纯化样品，或两者都需要。因此，从取样到鉴定生物分析物的时间一般为12小时到一天或者更长。虽然这种延迟在临床实验室中通常是可以容许的，但对于需要近实时鉴别生物分析物的其他应用来说是不可接受的，如生物防御。生物防御、环境生物气溶胶监测(更通用)以及现场即时医疗应用不仅需要能够同时近实时地鉴别细菌，还有真菌、病毒和包括生物毒素在内的大型生物有机分子(如蛋白质、多肽和脂类等)。此外，通过及时治疗和确定最佳治疗方案(例如区分病毒感染和细菌感染)以及评估治疗方案的有效性来减少临床应用的分析时间可以提高护理质量和结果。上述技术存在的相关局限性在于分析时间和执行分析所需的目标特异性试剂的开发成本。8.标题为“生物和化学显微镜靶向(biologicalandchemicalmicroscopictargeting)”的美国专利号8,441,632公开了一种潜在的既具有灵敏度和特异性又快速(约5分钟或更短)的技术，但未使用目标特异性试剂，且基于拉曼光谱。拉曼光谱是一种用于测定分子振动模式的分析技术，但也可以观察旋转模式及其他低频模式。其基于光与物质中化学键的相互作用。当应用于微生物样品时，拉曼光谱无法充分鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。9.在maldi-tofms中，目标粒子(分析物)以基质化学物质包覆或与基质化学物质混合。然后在装入质谱仪之前让样品混合物干燥。基质化学物质优先从短而强的激光脉冲中吸收光(通常是紫外波长)。在不存在基质的情况下，生物分子暴露于强紫外光时会通过热解而分解。在存在基质的情况下，激光能量优先被化学物质吸收，使得基质和分析物蒸发。基质化学物质还将电荷转移至汽化分子，产生离子，然后通过电场沿飞行管加速离子。之后使用基质辅助激光解吸飞行时间质谱(maldi-tofms)分析包覆的分析物粒子，这些粒子通常是完整的微生物。在样品制备过程中，将通常由酸(例如三氟乙酸(tfa))和maldi基质化学物质(例如α-氰基-4-羟基肉桂酸)组成的液体溶解于溶剂中并添加到分析物中。这些溶剂包括乙腈、水、甲醇、乙醇和丙酮。添加tfa通常是为了抑制盐杂质对分析物质谱的影响，并从分析物中沥滤出酸溶性蛋白质。酸会部分降解分析物的细胞膜，使蛋白质可在tof质谱仪中进行电离和分析。水使亲水性蛋白质溶解，甲醇使至少一些疏水性蛋白质溶解。将maldi基质溶液点样到maldi板上的分析物上，以在分析物上产生均匀的maldi基质材料层。溶剂蒸发，只留下重结晶基质，分析物在基质晶体中扩散。然后在tof质谱仪中对含有与酸和基质混合的分析物的涂板进行分析。其他maldi基质材料包括3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸(芥子酸)、α-氰基-4-羟基肉桂酸(α氰基或α基质)和2,5-二羟基苯甲酸(dhb)，如美国专利号8,409,870所述。maldi技术与高质量范围飞行时间(tof)质谱法联用还可以直接对大型肽成分和完全蛋白质进行分析，从而实现“全细胞”生物鉴定。10.标题为“微型飞行时间质谱仪的样品采集制备方法(samplecollectionpreparationmethodsfortime-of-flightminiaturemassspectrometer)”的美国专利公开号2003/0020011公开了一种用于采集生物危害物等环境气溶胶并鉴定气溶胶粒子成分的方法和装置。将maldi基质化学物质雾化并注入环境气溶胶样品中。将基质气溶胶粒子和气溶胶样品粒子共沉积在vcr(录像机)磁带等介质上。然后将磁带移入maldi飞行时间质谱仪进行分析。基质粒子和环境气溶胶粒子在磁带上发生相互作用，因为粒子在沉积到磁带上之前不会相互碰撞。基质和气溶胶样品粒子通过喷嘴在磁带表面上实现碰撞，喷嘴将粒子加速至高速并在磁带上引导气溶胶流。由于加速气溶胶流所消耗的能量，粒子撞击磁带表面，并在磁带上相互碰撞。如果没有加速，粒子将沿气相流的流线流过磁带。标题为“便携式飞行时间质谱仪系统(portabletimeofflightmassspectrometersystem)”的美国专利号6,841,773公开了一种现场便携式质谱仪系统，该系统包括样品采集器和盒式录像磁带形式的样品输送器。样品输送器与样品采集器连接以接收其上的样品沉积物。该系统包括飞行时间(tof)质谱仪。11.标题为“静电雾化器和产生雾化流体喷雾的方法(electrostaticatomizerandmethodofproducingatomizedfluidsprays)”的美国专利公开号2005/0017102公开了将分析物样品流与包含在含maldi基质的单独贮存器中的一种或多种喷射流体接触，将分析物沉积在maldi板等基板上并使用maldims进行分析。在一个实施例中，将异丙醇供给第一微量注射器。将70％乙腈和30％水的混合物供给第二注射器，将0.1％三氟乙酸供给第三注射器。第三注射器依次加入各种工艺流体，包括水、水/甘油、乙酸、甲酸和乙醇。受控微量注射器(例如，可操作地连接至电源的内径为100μm的不锈钢针)将雾化液体喷射到样品制备区。注射器的方向应使得每次喷雾都喷射到样品制备区的相同区域。样品制备区是一个垂直于微量注射器方向的通道。含待分析样品(例如细菌孢子或其他生物材料)的浓缩气流通过样品制备区，与喷射的流体接触，然后引导至样品载玻片上进行maldi分析。然而，如公开所述，在未施加声学或静电力等一些附加外力来驱动粒子碰撞的情况下，将maldi基质气溶胶流与分析物气溶胶流混合，不会引起两个气溶胶流中的单个粒子相互碰撞。12.标题为“提高粒子采集效率的方法和装置(methodandapparatusforenhancedparticlecollectionefficiency)”的美国专利号7,125,437公开了一种粒子采集方法，该方法包括以下步骤：将含有待采集和待分析的粒子的气流导向撞击表面，并从撞击表面将含有水性液滴的气溶胶引入气流上游，使粒子与水性液滴凝集且增大粒径，从而提高凝集粒子在撞击表面上的采集效率。可以通过将载气的加压气流导向含液体的贮存器，从而从贮存器中吸出液体，同时剪切分离液状粒子以雾化吸出的液体，然后再将气流中的粒子共雾化来产生含有水性液滴的气溶胶。或者，可以通过驱动选定的液体流过包括压电元件的基于压电的雾化器，并在液状粒子通过压电元件出口时，以足以剪切分离液状粒子以产生气溶胶所需的频率振动压电元件来产生含有水性液滴的气溶胶。所公开的方法还可以包括以下步骤：当凝集粒子撞击撞击表面时，润湿撞击表面，在撞击表面上形成液体池，以尽可能减少凝集粒子在撞击表面上弹跳，从而提高采集效率，以及选择添加剂并将所选添加剂共雾化，以在气流中或在撞击表面上的液体池中创建环境，对凝集粒子进行机械、化学或生物改性，从而增强对采集到的凝集粒子的鉴定。应当选择可在气流或液体池中产生允许待培养生物体加速生长的环境的添加剂。驻留液滴池的形成也可以通过直接在碰撞表面附近引入计量体积的液体来实现，例如，在碰撞喷嘴的底部。因此，无需在撞击表面的上游引入过多的液滴，而是可以在该表面上直接形成驻留液滴池。美国专利号7,125,437以及美国专利号6,841,773中公开的方法和设备并未为maldi-ms分析提供可靠的气溶胶采样和基质混合设备，因为使用所描述的方法对maldi基质进行气溶胶化往往会使一部分基质化学物质结晶并堵塞雾化器。13.需要提供以高精度对气溶胶分析物粒子进行可靠、自主、近实时分析和鉴定的方法和装置，其中的粒子包括细菌、真菌、病毒、毒素和低挥发性化学物质，例如由一种或多种分子量约在1000da以下的化合物组成的气溶胶。技术实现要素：14.公开了一种样品自主捕集和分析系统，其包括：新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；样品采集站；以及分析站，包括tofms，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。样品采集站可以包括气溶胶样品采集站和液体样品接收站中的至少一个。示例性系统还可以包括相机站。示例性系统还可以包括液体化学品分配站。样品盘可以用maldi基质化学物质预涂。样品盘可以由镍和镍合金中的至少一种制成。气溶胶样品采集站可以配置为产生直径约1mm大小的样品斑点。分配站可以配置为分配约0.5-2斑点的液体。分配的液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水中的至少一种。系统可以配置为使用有线通信和无线通信中的至少一种与远程服务器通信，其中，将分析站的输出传输至远程服务器，然后传输至数据处理站。系统可以配置为使用有线通信和无线通信中的至少一种与数据处理站通信，其中，将分析站的输出传输至数据处理站进行处理。15.公开了一种样品自主捕集和分析系统，该系统包括新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；气溶胶样品采集站；液体化学品分配站；相机站；以及分析站，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。本文公开的机器人系统具有两个运动轴。也可以采用具有三个运动轴的其他实施例，但可能不如具有两个运动轴的实施例可靠。分析站可以包括tofms。分析站可以包括tofms和光学检测器中的至少一个。相机站可以配置为接收显微镜相机和数码相机中的至少一个。该系统还包括干燥站，其中，使用感应加热、电阻加热、干燥气流、热气流、真空及其组合中的至少一种使样品基本上干燥。示例性系统还包括荧光传感器，设置在样品采集站上游，以测定粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂波粒子比中的至少一项。16.公开了一种使用本文公开的示例性系统采集和分析气溶胶分析物粒子的方法，该方法包括将样品盘装载到新样品盘装载站的样品盘架上；将具有新样品盘的样品盘架移至气溶胶采集站，其中，气溶胶粒子撞击到涂层样品盘上；将样品盘架移至液体化学品分配站，以使用化学品处理沉积的气溶胶样品；将样品盘架移至相机站，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查；干燥样品；以及将样品盘架移至tofms分析站进行样品分析。该方法还可以包括以下步骤：使用样品自主捕集和分析系统与远程服务器之间的有线通信和无线通信中的至少一种将tofms分析站的输出传输至远程服务器；生成气溶胶分析物粒子特有的原始光谱数据；执行滤波、基线扣除、信噪比估计、峰值检测和特征提取中的至少一项以生成经处理的光谱数据；以及通过将处理光谱数据与包含若干生物和化学分析物的处理光谱数据的参考库进行比较，鉴定气溶胶分析物粒子的成分。样品盘可以用maldi基质化学物质预涂。气溶胶取样器可以配置成接收环境气溶胶样品或悬浮在工艺流体中的样品，例如来自半导体工艺流体的样品。如果工艺流体为液体，则工艺流体进行气溶胶化再被气溶胶取样器接收。17.公开了一种自主分析系统，该系统包括新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；液体样品接收站；液体化学品分配站；以及tofms分析站，其中，样品盘架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。液体样品接收站可以配置为从气溶胶采集装置接收液体样品。液体样品接收站可以配置为接收含呼出气体的液体样品。液体样品接收站可以配置为接收从能够纯化目标分析物的液体样品处理装置获得的液体样品。气溶胶采集装置可以包括撞击器、带连续或间歇冲洗的旋转撞击器、带连续或间歇冲洗的旋风分离器(cyclone)、湿壁式撞击器和液体撞击集尘器(impinger)中的至少一种。18.公开了一种用于采集和分析气溶胶粒子的示例性方法，该方法包括将气溶胶粒子采集到液体中；使该液体样品经酶处理和热酸处理中的至少一种处理，并生成气溶胶样品的特征肽；将maldi基质溶液加入经处理的样品中；以及干燥样品并使用tofms分析样品。酶处理和热酸处理步骤中的至少一种在约140℃下进行约15分钟。19.公开了一种用于捕集和分析液体样品中的污染粒子的自主样品系统，包括雾化器，用于产生含载气污染粒子的气溶胶；至少一个冷凝生长管，用于将气溶胶中的污染粒子的粒径增大至预定的平均粒径；新样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收具有一叠新样品盘的卡盒；废弃样品盘或基板装载站，所述基板装载站配置为接收废弃样品盘卡盒；气溶胶样品采集站；液体化学品分配站；和分析站，其中，样品架配置为使用步进电机和致动器中的至少一个水平和垂直移动，并使用预定分析顺序与每个台站耦合，并且其中，该系统使用微控制器控制操作。分析站包括ldi-ms。分析站可以包括ldi-ms和光学检测器中的至少一个。或者，分析站可以包括maldi-tofms，在这种情况下，这些样品盘用maldi基质化学物质预涂。样品盘可以由镍和镍合金中的至少一种制成。对于特定用途，可以优选其他材料。例如，对于半导体杂质的痕量金属分析，可以优选采用硅、锗或稀土金属。如果使用非磁盘材料，则必须在样品盘底部设置磁性材料薄膜。分配站可以配置为分配约0.5-2以配的液体。分配的液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水中的至少一种。该系统还可以包括相机站。相机站可以配置为接收显微镜相机和数码相机中的至少一个。该系统还包括干燥站，其中，样品在真空下基本上干燥。该系统还包括荧光传感器，设置在样品采集站上游，以测定粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂粒子比中的至少一项。该系统还包括数据处理站，用于获取和处理分析站输出的数据，以鉴定污染粒子的成分。污染粒子的平均粒径约在1-20nm之间。离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以在1-10离开之间。或者，离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以在约2-4或m之间。离开冷凝生长管的粒子的平均粒径可以约为3间。。液体样品包括超纯水(upw)和在半导体制造过程中使用的化学液体中的至少一种。20.公开了一种用于捕集和分析液体样品中的污染粒子的方法，该方法包括：提供本公开的示例性装置；雾化液体样品，以生成含载气污染粒子的气溶胶；使用至少一个冷凝生长管使气溶胶中污染粒子的粒径增大，以产生具有预定平均粒径的增大的污染物气溶胶粒子；将样品盘装载到新样品盘装载站的样品架上；将具有新样品盘的样品架移至气溶胶采集站，其中，将增大的污染物气溶胶粒子撞击到涂层样品盘上；将样品架移至液体化学品分配站，以使用化学品处理沉积的气溶胶样品；将样品架移至相机站，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查；干燥样品；以及将样品架移至分析站进行样品分析。该方法还包括用设置在样品采集站上游的荧光传感器测量粒径分布、粒子计数以及目标分析物粒子与杂粒子比中的至少一项。分析站可以包括激光解吸电离质谱(ldi-ms)。分析系统可以包括ldi-ms、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(maldi-tofms)、激光诱导等离子光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱中的至少一种。该方法还可以包括以下步骤：生成气溶胶分析物粒子特有的原始光谱数据；执行滤波、基线扣除、信噪比估计、峰值检测和特征提取中的至少一项以生成经处理的光谱数据；以及通过将处理光谱数据与包含若干生物和化学分析物的处理光谱数据的参考库进行比较，鉴定污染物粒子的成分。该鉴定步骤可以包括使用机器学习将光谱数据与训练数据集进行比较，以预测污染粒子的成分。21.本公开的其他特征和优点将部分地在随后的说明书和附图中阐述，其中部分地描述和示出了本公开的优选方面，而通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的其他特征和优点对本领域技术人员将变得显而易见，或者可以通过实践本公开而习知。本公开的这些优点可以通过所附权利要求中特别指出的技术手段和组合来实现和获得。附图说明22.结合附图时，本公开的前述方面和许多附带优点将变得更好理解，这是因为通过参考下面的详细描述这些方面和优点变得更容易理解，其中：23.图1a、图1b和图1c分别是示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统的透视图、自主系统中使用样品盘架的透视图和样品采集站的横截面图；24.图2a至图2e分别是用于存放新样品盘的示例性卡盒的透视图、一叠样品盘在卡盒中的透视图、在将样品盘装载到样品盘架之前的一叠样品盘在卡盒中的横截面图、在将样品盘装载到样品盘架之后的一叠样品盘在卡盒中的横截面图和卡盒的横截面图；25.图3是用于捕集和分析气溶胶粒子样品的示例性自主方法的示意图；26.图4是重置与用于捕集和分析气溶胶粒子样品的自主方法有关的方法的示例性系统的示意图；27.图5是使用示例性样品捕集和分析系统获得的生物气溶胶粒子的原始质谱的示图；28.图6是使用示例性样品捕集和分析系统获得的bg(枯草芽孢杆菌黑色变种)气溶胶孢子的处理质谱(底部)以及与bg光谱库(顶部)进行比较的示图；29.图7是使用示例性样品捕集和分析系统获得的bt(苏云金芽孢杆菌)气溶胶孢子的处理质谱(底部)以及与bt光谱库(顶部)进行比较的示图；30.图8是含bg、bt、肠杆菌噬菌体t2、大肠杆菌和蛋白白蛋白(66kda，da＝道尔顿)的生物气溶胶粒子在全质量范围(顶部，至约80kda)和低质量范围(底部，至约10kda)内的处理质谱的示图；31.图9是使用示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统对含建筑灰尘和实验室空气的空气中不同浓度bg粒子进行分析的灵敏度的示图；32.图10a和图10b分别是示例性溶剂分配泵的透视图和溶剂流动的流程图；33.图11a和图11b是用于示例性气溶胶样品自主捕集和分析系统的示例性雾化器的示意图；34.图12是示出与气溶胶样品自主捕集和分析系统相关的数据管理的示例性示意图；35.图13是示出用于气溶胶样品自主捕集和分析系统的软件设计的示例性示意图；36.图14是使用示例性样品捕集和分析系统处理含大肠杆菌的生物气溶胶粒子的质谱的示图；37.图15是使用示例性样品捕集和分析系统处理含罗氏耶尔森菌(y.rohdei)的生物气溶胶粒子的质谱的示图；和38.图16是使用示例性样品捕集和分析系统处理含大肠杆菌噬菌体ms2病毒的生物气溶胶粒子的质谱的示图。39.附图中的所有数字符号、指示符和标注在此通过引用并入本文，正如全部在此阐述的一样。未对图中的某一元素进行编号并不意味着放弃任何权利。未编号的引用也可以由附图和附录中的字母字符标识。40.以下具体实施方式包括对附图的引用，其构成具体实施方式的一部分。附图以示例的方式示出了可以实践本公开系统和方法的具体实施例。这些实施例应被理解为“示例”或“选项”，其描述应足够详细，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明范围的情况下，可以组合这些实施例，利用其他实施例，或者进行结构或逻辑改变。因此，下面的具体实施方式不应被视为是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其法律等效物限定。41.在本公开中，气溶胶通常是指分散在空气或气体中的悬浮粒子。“自主”是指“无需专业技术人员或仪器操作员的干预或干预很少”。“样品盘”或“样品基板”是指可以在其上沉积样品的固体(通常是金属)表面。气溶胶“实时”或“近实时”分析通常是指在采集到待分析气溶胶样品后约几分钟(例如，约少于5分钟)内鉴定出气溶胶分析物的分析方法和装置。术语“一(a)”或“一个(an)”用于包括一个或多个，除非另有说明，术语“或”用于指代非排他性的“或”。此外，应当理解，本文中所用的措辞或术语(未另行定义)仅用于描述而非限制。除非本公开中另有说明，否则为了解释术语“大约”的范围，本文中关于数值(尺寸和操作条件等)的误差范围为本公开所示数值的±10％。以百分比形式公开的关于数值的误差范围为所示百分比的±1％。在特定词之前使用的“基本上”一词包括“在规定范围内相当大”和“在很大程度上但不完全在规定范围”的含义。具体实施方式42.为了说明本公开的方法和系统的组成、原理及操作，下文对本发明的特定方面做了相当详细地描述。但是，可以进行各种修改，并且本发明的范围并不限于所描述的示例性方面。43.示例性样品自主捕集和分析系统100(图1a至图b)可以包括新样品盘或基板装载站101、废弃样品盘或基板装载站102、气溶胶样品采集站103、相机站104、液体化学品分配站105和设置在合适框架107上的tofms分析站106。样品盘架108设置在框架107中，并配置为可移动地设置在每个台站的下方。样品盘架108配置为可使用线性致动器和步进电机110水平移动(x-y轴)。样品盘架108还可以配置为使用步进电机和线性致动器111垂直(z向)移动。也就是说，样品盘架108可以配置为在站之间自主(自动地)移动(水平移动)，并可通过垂直移动与每个台站接合。示例性样品盘112的直径可为6mm，并且可以由镍和镍合金中的至少一种制成。样品盘112的厚度可以在约0.05-0.01英寸之间。分配站105配置为使用分配泵分配储存在贮存器105'中的约0.5至1.5μl的液体。可以使用微型分配泵，例如lee公司(康涅狄格州韦斯特布鲁克)提供的泵。另一示例性分配泵是如图10a所示的蠕动泵220(insetek公司，加利福尼亚)。泵220可适用于内径为1mm或更小、外径为1mm或更小的耐化学腐蚀管。除夹持样品盘112外，装样器108还可以夹持和吸附卡或垫。吸附卡221设置在样品架附近，用于吸附冲洗管道时配给的液体。吸附卡由约0.1-1mm厚的织造或非织造亲水性多孔片材组成。吸附卡材料可以包括造纸纤维、尼龙和聚四氟乙烯(ptfe)织片中的至少一种。示例性耐化学腐蚀管材的类型为c-flex管(伊利诺伊州弗农山cole-palmer公司)。44.化学液体可以包括三氟乙酸(tfa)、乙腈、甲醇、乙醇和水。该液体可以包含体积分数约70％的乙腈、体积分数约15％的tfa，其余为水。或者，该液体可以包含体积分数约70％的甲醇、体积分数约15％的tfa，其余为水。液体的分配体积约在0.5-2。液之间，以在样品盘上获得直径约1mm的样品斑点(喷嘴165的直径约0.7mm)。在约35℃以上的较高环境温度下，可能需要更高的分配体积以补偿溶剂蒸发损失。可以改变分配体积和喷嘴直径以获得斑点尺寸在约0.5-1.5mm之间的斑点。为了消除环境条件的这种影响，可以将系统100或其一部分设置在带温度和湿度控制的空间中。或者，可以监测系统100内部的温度和湿度，并相应地控制分配体积。此外，分配供分析的液体体积可与分析物斑点的大小成比例。之后，斑点越小，需要分配的液体越少。系统100外壳优选密封、温控外壳。可以在外壳内设置一种或多种可加载到适合的吸附器组件(未示出)中的干燥剂或吸附剂，以去除水和溶剂蒸气，确保系统100温暖干燥，且样品干燥优选在温暖干燥的环境条件下进行。在本文中，“温暖”是指约30-45℃之间，“干燥”是指低于约25％的相对湿度。45.分配管顶端240包括不锈钢和聚四氟乙烯(ptfe)等耐溶剂耐酸聚合物中的至少一种。图10b示出了在样品盘112上分配单次剂量溶剂的示例性顺序250。首先，在步骤251中，将样品吸附卡221置于分配管下方。在步骤252中，将泵220启动足够长的时间以完全清除置于泵220下游的分配管中的所有流体。在步骤253中，将具有盘112的样品盘架108(其可配置为在如前所述的在站之间自动移动)置于分配管顶端240下方，并且在步骤254中，将液体分配到样品盘112上。泵的速度和操作可以由系统控制器(未示出)控制。46.样品盘112可以用含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸的maldi化学物质预涂。这些溶剂可以包括乙腈、水、甲醇、乙醇和丙酮。可选地，系统100可以包括maldi基质涂布站，用于涂覆样品盘112。新样品盘112可在装入新样品盘卡盒200之前施加涂层，即在载入系统100之前。或者，可以在样品沉积在样品盘上之后，将maldi基质溶液从贮存器添加到样品中。贮存器可能需要用磁力搅拌器加热和搅拌，以将基质保持在溶液中。47.系统100还可以包括寻的传感器以将可移动的样品盘架108与每个台站对齐。z轴寻的传感器118如图1b所示。步进电机110(x-y轴)和111(z轴)可以用微控制器控制。步进电机111可以安装在x-y轴托架109上。在台站106，可以使用电绝缘元件117将样品柱116与tofms隔离。气溶胶采集站103可以包括外径为1/4”的ss304或ss316合金管113。挠性管(未示出)可以在端部115处可移除地连接至进口管113，并设置在待采样区中。例如，可以用连接至台站103中的出口管或配件114的气溶胶泵(未示出)将环境空气样品吸入进口管113。在某些应用中，挠性管可以连接到通风管道以采集在管道中流动的空气样品。与端部115相对设置的进口管113的端部可配置成将气溶胶供给撞击器喷嘴165，如图1c所示。喷嘴165的特征在于喷嘴尖口167处的孔径约在0.35-1mm之间。喷嘴尖口167与样品盘112之间的间距166可以约为喷嘴直径大小，即在约0.35-1mm之间。48.装载站101可以包括样品盘装载卡盒或匣200(图2a至图2e)。卡盒200的底端配置成与样品盘架108的样品柱116机械接合。样品柱116可以由铝和铝合金中的至少一种制成。将样品柱116插入由步进电机和z轴线性致动器111驱动的样品盘卡盒200中时，样品柱会促使柔性翼部201(或装载机构)向外弯曲，并迫使样品盘112从卡盒200中叠置的样品盘中释放到样品柱116上。如图2c所示，由于每个样品盘112的几何封盖形状204，每个样品盘112的表面与另一个样品盘分开。用安装在样品柱116末端的适合磁体202使金属样品盘保持在样品柱上。从卡盒200中抽出样品柱116，使得臂或翼部201向内返回，并使卡舌203与夹持下一个可用样品盘的封盖204接合(图2d)。该下一个可用样品盘现在处于与样品柱116接合的位置，以供对后续样品采样。在样品盘卡盒200中，用卡舌或挂钩203将下一个可用样品盘112和相应的封盖204保持在适当位置。使用装载机构保持器205、推杆206和配重207将样品盘置于适当位置。49.相机站104可以包括显微镜相机和可拆卸地固定至安装螺栓104’的数码相机。这些相机可用于查看台站间样品盘的图像，例如，检查新样品盘112是否已从装载器200正确装载(是否在装载站101提取新样品盘)、沉积在样品捕集站103的样品是否具有所需斑点尺寸，以及样品是否充分干燥。系统100还可以包括数据记录系统，以记录在分析过程中采集的位置和样品详细信息(例如相机图像)。可选地，当样品盘架108位于样品采集站103时，可以在使用适用的计数器测得的环境空气中的粒子数超过预定阈值时，启动抽吸泵运行。可以在相机站104处使用的其他类型相机包括荧光显微镜相机、高光谱成像仪和热成像相机。例如，高光谱成像仪和热成像相机能够更准确地测量采集样品的质量和样品的干燥程度。样品柱116可以通过o形密封圈119与tof-ms的真空室形成真空密封。50.在tofms站106完成分析后，将样品盘架108配置成将用过的或废弃的样品盘返回站102处的废弃样品盘卡盒中。将带有用磁铁102保持在适当位置的废弃样品盘的样品柱116抬起，以在站102处使样品盘与卡盒的柔性臂201接合。有限元分析表明，样品柱向柔性臂施加约0.1磅的向外力会产生约0.015英寸的径向位移，这足以释放卡舌203并将废弃样品盘移至站102处的废弃样品盘卡盒中。51.系统100还可以包括用于获取和处理分析站输出的数据的数据处理系统。数据处理可以包括滤波/平滑、基线扣除、信噪比估计、峰值检测、特征提取、检测和分类以及报告等步骤，包括通过用户界面报告。可以通过与参考光谱进行比较来实现检测和分类，以鉴定样品中气溶胶粒子的成分(例如，生物危害粒子，包括但不限于蓖麻毒素)。机器学习(ml)技术用于对利用机器学习引擎获得的光谱数据进行分析，这为分析物鉴定中的手动数据处理提供了显著改进，手动处理数据的速度慢且劳动强度大。机器学习通常是人工智能的一个子集，包括算法，随着时间的推移，算法性能会随数据分析而提高。可以使用有监督机器学习方法。监督学习包括学习函数的任务，该函数基于示例性输入输出对将输入映射到输出。监督学习从由一组训练实例组成的标签化训练数据中推断出函数。机器学习还包括深度学习方法，这些方法是无监督学习方法，可以鉴定复杂数据集中的标签，而无需先鉴定具体特征。还可以使用无监督和半监督(有监督和无监督学习之间的混合方法)机器学习方法。无监督学习方法可以包括类型学习，类型学习有助于在没有预先存在标签的情况下在数据集中找到以前未知的模式。无监督学习中使用的两种示例性方法是主成分分析和聚类分析。聚类分析用于无监督学习，以对具有共享属性的数据集进行分组或分段，从而推断算法关系。聚类分析是机器学习的一个分支，对未标注或分类的数据进行分组。聚类分析鉴定数据中的共性，并根据每条新数据中是否存在此类共性进行反应。这种方法有助于检测异常数据点。无监督学习方法可用于检测异常，这有助于鉴定以前未知的危险。例如，可以定期分析空气样品，以测定空气中粒子的成分，并鉴定粒子的性质(例如尺寸、形状、荧光)和与粒子相关的光谱，以获得“正常”环境空气中粒子的基线数据信息。在发生生物威胁剂等释放到大气中的事件后，环境空气中粒子的粒子性质数据和光谱数据将偏离基线数据，并突显异常(从异常光谱可看出)，这为采取必要措施减轻威胁提供了机会。可将编译的光谱数据与含已知生物物质光谱的知识库的训练数据集进行比较，以预测粒子成分。示例性样品制备和分析系统可以与机器学习引擎进行数据通信，以允许基于知识更新训练数据集并随时间推移而改进成分预测。生物物质质谱的范围比化学质谱大约三个数量级，这使自动化技术的应用变得异常复杂。此外，环境污染物可以在电离过程(竞争性电离)中通过与目标竞争来降低信号强度，这是一个必须与目标特征解卷积的引入特征分量(杂波)。当前的自动化方法大多局限于在无环境杂波的样品中搜索非常纯净的目标。本公开的示例性方法通过使目标分析物与杂波物理分离来消除竞争性电离，并消除特征中的模糊特征(将每个事件假设为目标或杂波)。标题为“不使用复杂有机maldi基质检测气溶胶粒子的方法和系统(methodsandsystemsfordetectionofaerosolparticleswithoutusingcomplexorganicmaldimatrices)”的美国共有临时专利申请号62/868,906公开了有关集成机器学习方法以分析与气溶胶样品相关的光谱数据的其他详细信息，其全部内容通过引用并入本文。或者，可以使用数据管理系统1200中的外部数据处理站1201(图12)处理分析站输出的数据，并且可以通过有线(以太网、lan)或无线双向通信将数据从系统100传输至处理站。原始数据、过滤数据、数据日志、警报和操作参数等各种格式的数据可以存储在本地存储服务器1202和远程或云存储服务器1203中的至少一个中。服务器配置为与数据处理站1201进行双向安全通信。移动应用软件1204(“应用程序app”)还可以配置为监测示例性系统100的运行状态，启动数据处理，以及查看和报告数据处理站1201的输出或结果。移动应用软件或“应用程序”是配置为在智能手机、平板电脑或手表等移动设备上运行的计算机程序。应用程序包括前端组件或用户界面(“ui”)，旨在为用户提供易于使用且友好的界面。前端与后端组件通信，后端组件有助于数据路由、安全性、身份验证、授权、脱机工作和服务编排。应用程序还可以与一个或多个中间组件通信，包括但不限于移动应用程序服务器、消息队列、企业服务总线(“esb”)以及其他面向服务架构(“soa”)的基础设施组件。移动设备与数据库或云端之间的数据同步以及离线(无需网络连接)功能是成功的移动应用程序无缝运行的关键。couchbasemobile(couchbase)、azuremobileservices(微软)、cognito(亚马逊)、firebase(谷歌)等数据库和云服务提供商通过其移动产品提供同步和离线功能。应用程序优选能够利用地址认证和静态数据等功能为同步和分散存储、传输及存储提供安全的数据访问通信，这与应用程序是否支持文件系统加密和数据级加密、是否支持动态数据和定义用户访问、更改或修改的数据的读写访问权限有关。数据库可以是关系数据库(sql数据库，如oracle、mysql)或nosql(如mongodb、couchdb)。此外，对于移动平台上分散数据的写入，可以在多个设备上同时修改相同的数据，并且可能会在多个设备的数据访问之间产生冲突。应用程序中优选包含解决这些冲突的机制。冲突解决机制允许在设备上或在云端自动解决，也可以手动启动。图13是系统100的软件设计1300的示例性示意图。系统100中组件1301的运行由控制器1302控制。如前所述，移动应用软件(“应用程序app”)可以配置为监测示例性系统100的运行状态，启动数据处理，以及查看和报告输出或结果。52.系统100可以包括多个装载站101。例如，第一装载站101可以包括涂有maldi基质的样品盘112，第二装载站101可以包括无涂层样品盘。示例性系统100还可以包括装载站101，该装载站包括一叠交替的有涂层和无涂层样品盘。如果需要涂层样品盘并且无涂层样品盘位于新样品盘堆或卡盒200的底部，则可以将无涂层样品盘从新样品盘堆200中拉出并移至废弃样品盘堆直至站102处的卡盒，从而允许自动操作的样品架108取用新样品盘堆中的无涂层样品盘112。从装载站101的新卡盒到台站102中的废弃卡盒之间的这些移动可以在少于约10秒内完成，优选在少于约5秒内完成。此外，系统100可以包括位于转盘上的多个装载站和卸载站。当一个样品盘卡盒用尽时，转盘可以旋转以提供一个新样品盘卡盒，其中包含一叠新的有涂层或无涂层样品盘。或者，可以设置两个转盘——一个用于新样品盘，一个用于废弃样品盘。机器学习技术还可用于分析相机站104产生的图像。例如，可以训练神经网络以确定样品盘112是否已在站101正确装载或是否已在站102正确卸载，或者评估样品是否干燥或是否需要干燥。53.在另一种用于分析化学气溶胶粒子的示例性方法中，可能不需要用maldi基质预沉积样品盘。化学气溶胶粒子(威胁剂)的示例包括但不限于蓖麻毒素、芬太尼和卡芬太尼。这些化学试剂的生产相对容易，并且比炭疽等生物试剂更容易获得，其近来被用作了化学武器。在对包含这些非生物的化学气溶胶粒子的样品进行样品制备期间，可以将气溶胶粒子直接沉积在未预涂有maldi基质的样品盘或基板上，必要时进行干燥，并使用作为激光解吸电离质谱仪(ldi-tofms)运行的tof-ms进行分析。激光解吸电离飞行时间质谱(ldi-tofms)可用于分析小型有机化合物(《1000da)和无机化合物，因为其在电离过程中会产生大量分子离子碎片，并能够测定有机化合物中的分子量和分子结构。maldi-tofms更适合用于大型有机化合物，例如聚合物。54.在示例性方法300(图3)中，将具有预涂maldi基质的新样品盘112的样品盘架108从tofms站106移至站103，以使样品盘与气溶胶样品撞击。在将样品从站106移出之前，tofms站的闸阀是关闭的。在步骤301中，在预定时间内开启气溶胶泵，以将环境空气吸入管道113并撞击涂层样品盘112上的粒子。在步骤302中，关闭泵，并在步骤303中将样品盘架108移至站105，以在步骤304中用化学品处理沉积的样品。在步骤305中，将具有样品盘的样品盘架移至相机站104，以使用显微镜相机和数码相机成像中的至少一种进行检查。在步骤306中，开始样品干燥。通过在站104中拍摄样品图像来定期监测样品(步骤307)，并且如果图像显示样品仍湿润，则继续干燥(步骤308)，例如通过使用加热器对样品加热。如果样品足够干燥，则将样品架移至站106进行tofms分析。在步骤309中，用tofms的真空室密封样品柱116，并在步骤310中对真空室抽真空。如果存在样品加热器且已打开，则关闭该加热器。在步骤311中触发tofms的电离激光器，在步骤312中采集光谱并在步骤313中进行分析。55.在用于重置系统100进行新分析的示例性方法中，重置过程400(图4)包括以下步骤：在站102处将废弃样品盘移至废弃样品盘卡盒(步骤401)并将盘插入卡盒站102(步骤402)，将样品柱移动到站104进行成像(步骤403)，以检查在步骤405中是否已将废弃样品盘移出样品柱。如果样品柱116上仍存在废弃样品盘，则在步骤406中发出维护警报。如果图像显示已移出废弃样品盘，则在步骤407中将样品盘架108移至新样品盘卡盒站101，并在步骤408中将样品柱116插入站101处的卡盒中。在步骤409中将样品柱移至站104以进行成像，并在步骤410中采集图像。如果在步骤411中图像显示样品柱116上存在样品盘，则将样品盘架108移至气溶胶采样站103以进行样品采集。如果不存在样品盘，则发出维护警报。机器学习方法可用于自动查看重置过程中拍摄的图像。如果在步骤411之后存在样品盘，则在步骤412中将样品盘架移至站106(ms站)，使得新样品盘112可储存在真空下。然后可以打开tofms系统上的闸阀，将新样品盘暴露在真空中。56.在另一示例性方法中，可以通过美国专利公开号为2003/0020011中所公开的撞击方法在基板上采集气溶胶粒子，该专利公开的全部内容通过引用并入本文。如标题为“基于虚拟撞击和实际撞击的空气采样器(airsamplerbasedonvirtualimpactionandactualimpaction)”的美国专利号7,799,567中所述，可以将虚拟撞击器或多级虚拟撞击器并入样品采集站103，以在撞击样品盘112之前浓缩气溶胶粒子，该专利的全部内容通过引用并入本文。然后，可将maldi基质溶液加入样品中。maldi基质溶液可以包含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸。这些溶剂可以包括乙腈、甲醇、水、乙醇和丙酮。将maldi基质溶液点样到maldi板上的分析物上，以在分析物上产生均匀的maldi基质材料层。溶剂蒸发，只留下重结晶基质，分析物在基质晶体中扩散。干燥涂层板或涂层基板，并在tofms中进行分析。“全细胞”分析可以在少于5分钟内提供鉴定。57.在另一示例性方法中，该系统还包括空气动力学粒径仪、光学粒子计数器和为每个粒子提供荧光测量或去极化测量的装置中的至少一个。示例性气溶胶粒径仪由airtechniquesinternational公司(马里兰州)制造。荧光和去极化等测量技术有助于区分威胁气溶胶粒子和正常的环境气溶胶粒子，而仅仅依据单位时间的粒径和计数来测定是不可靠的。该光学检测组件优选平行于或在撞击采集步骤上游添加。与威胁气溶胶粒子相关的粒径信息可以用于优化对这些粒子的采集。例如，平均粒径约为1μm的粒子需要的撞击驱动速度比平均粒径约为3μm的粒子更快。假设粒子密度相当，直径约3μm的粒子的质量是约1μm粒子的质量的约27倍。由于惯性分离与粒子质量和粒子速度成正比，因此可以调整气溶胶采集站103中所使用的泵的运行，使1μm粒子通过喷嘴的气流速度变大，或者如果待采集粒子的粒径较大(例如约3μm)，则减缓速度以降低气流速度。因此，可以利用光学检测器根据威胁气溶胶粒子的平均粒径来优化气溶胶粒子的采集效率。此外，光学检测器测得的威胁粒子数密度还可用于确定采样周期的持续时间。例如，如果威胁气溶胶是威胁粒子负载量高的致密气溶胶，则较短采样周期就足以获得较好的样品；当威胁气溶胶的浓度较低时，则需要更长的采样周期。58.在另一示例性方法中，可以通过撞击或冲击将气溶胶粒子采集到液体中，例如，使用如下所述的撞击器装置。然后，可以对样品进行酶或热酸处理数分钟。可以在约140℃下消化约15分钟。热酸在天冬氨酸(asp)残基处裂解蛋白质，产生具有高度特异性的肽。蛋白质特征分子的化学消化将在大约15分钟内提供蛋白质肽图。可以对单个肽段进行微测序以鉴定已知生物标记物的氨基酸序列。对于“催化”毒素，包括但不限于蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素、相思豆毒蛋白，活性测定可以明确测定样品中是否存在“活”毒素。该测定可能需要约1-2小时才能完成。然后将maldi基质溶液添加到经过处理的样品中。干燥样品，并在tofms中进行分析。59.样品自主分析并不限于质谱和光学成像。在另一个用于分析样品盘上采集到的样品的示例性方法中，荧光显微术、拉曼光谱法、表面增强拉曼光谱法、扫描电子显微术和其他基于表面的分析方法可用于系统100中的其他离散台站，并可供样品架108和样品处理自动托架109使用。60.在用于采集和分析炭疽等生物气溶胶粒子的示例性方法中，可以将溶剂中的maldi基质化学物质沉积在基板上，该基板包括但不限于由合适的金属、金属合金及其他高导电材料制成的样品盘。示例性样品盘112的直径可为6mm，并可夹持在样品盘架108中。maldi基质化学物质可以包含溶解于溶剂中的α-氰基-4-羟基肉桂酸。这些溶剂可以包括乙腈、水、乙醇和丙酮。该基质化学物质可以基本干燥以在样品盘上形成薄膜。然后可将预涂样品盘置于点样喷嘴下方，点样喷嘴能够在少于约1分钟的采样周期内将气溶胶粒子样品沉积到样品盘上。样品气溶胶可以包括环境空气中的粒子。可以将三氟乙酸(tfa)、酒精和水或其混合物等其他化学物质加入到沉积样品中。添加tfa通常是为了抑制盐杂质对分析物质谱的影响，并从细菌孢子和病毒的表面层中沥滤出酸溶性蛋白质。水使亲水性蛋白质溶解，乙腈或有机溶剂使疏水性蛋白质和脂质溶解。在加入化学物质前，可以使用合适的照相机来捕获样品斑点的一张或多张图像。可以在化学处理之后采集和分析样品斑点的图像，以监测干燥过程，并判定样品是否已基本干燥。高倍率成像可用于提供关于采集粒子形态的信息。荧光成像或热成像可用来提供关于样品盘上的材料位置或样品干燥度的额外信息。干燥过程可以通过使热暖空气在干燥样品斑点上通过或加热样品盘来加速，例如通过使感应或电阻受热面与样品盘物理接触或将感应或电阻加热元件整合到样品盘架108中。干燥用热暖空气可以通过使其流经干燥材料床来去除湿气，以进一步强化干燥过程。也可以使用发射波长会被水强烈吸收的红外发射元件，例如，在中红外区域中的波长。使用示例性方法在样品盘上生成的样品在样品盘的中心处或近中心处产生一个小的、圆形的、基本干燥的气溶胶斑点或沉积物。在样品沉积前，可以用maldi基质化学溶液预涂样品盘。或者，可以在干燥前将maldi基质化学溶液与沉积样品混合。系统100还可以包括专用干燥站，样品在该干燥站中真空干燥。站106中与tofms关联的低真空泵和涡轮泵中的至少一个可以流体连接至干燥站。61.然后，可使用质谱仪分析样品。例如，可以通过将样品暴露于至少一个激光电离脉冲来产生样品的约2-200个离散质量(光谱)特征峰。激光电离脉冲的数量可以在约1-20之间。在添加气溶胶样品之前，将maldi基质预沉积为薄膜，避免了需要在沉积到样品盘之前雾化基质和/或气溶胶，并提供了基本上均匀包覆maldi基质的气溶胶粒子。示例性方法还提高了粒子的附着力，这可能是由于增加了表面粗糙度或表面粘性，因此，当高速气流冲击采集表面使得粒子易于在撞击后从基板上“弹跳”时，避免了或最大限度地减少了气溶胶粒子的损失。在最大限度地增加撞击表面的粒子数的同时，最大限度地减少弹跳的最佳气流速度约为75m/s，但可在约50-150m/s之间变化，这取决于撞击表面的性质、喷孔直径和截断粒径。截断粒径是一半由撞击器采集而一半通过撞击器输送的该粒径粒子的直径。62.上述示例性方法可以配置为是自主的。例如，示例性气溶胶采样自动系统100可用于执行以下步骤：63.(a)从包含一个或多个样品盘的新样品盘卡盒或容器中选择样品盘或基板；64.(b)将包含maldi基质的样品盘置于第一喷嘴下方，以沉积使用合适装置采集的气溶胶粒子样品；65.(c)将包含气溶胶样品的样品盘置于第二喷嘴下方，用含tfa、酒精和水中的至少一种的处理溶液处理样品；66.(d)使样品盘上的样品基本干燥；67.(e)将样品盘移至质谱仪采样站；68.(f)启动分析过程并生成质谱数据；69.(g)处置废弃样品盘，例如，通过将样品盘移至废弃样品盘卡盒或容器中。70.上述示例性方法还可以包括通过在两个连续步骤之间将含样品盘的样品架移至相机站104来捕获样品盘的数字图像，以检查在步骤(a)样品架是否从装载站101提取了样品盘，在步骤(b)样品是否沉积，以及在步骤(d)干燥是否基本完成等。相机站104可以包括一个或多个光源(例如，发光二极管或led)以照亮样品盘表面。例如，表面上具有含样品或处理溶液的液滴的样品盘的图像通常具有能够反射光的玻璃状光滑表面，例如，通过镜面反射，这可被视为是表面对光的镜面反射。因此，图像上可显示出照亮表面的离散led。相反，当样品盘基本干燥时，即实现有效干燥时，其表面往往会使光散射，而图像上也不会显示出照亮表面的离散led。还可以通过将每个步骤后捕获到的图像与标准或基准数字图像库进行比较来自动检查在这些步骤中采集到的数字图像，以确定含样品盘的样品盘架108是否应移至下一步骤，或者是否应将样品盘丢弃到废弃样品盘卡盒102中。如果需要，还可以使用pcr(聚合酶链式反应)及其他生物分子或微生物技术对后分析盘上的样品进行提取和分析，以确认maldi-tofms的结果。71.启动分析过程步骤(f)可以包括以下步骤：对样品盘架108密封在其中的ms站106抽真空，至小于约10-5torr，优选小于约5×10-6torr的压强；向导电样品盘施加电压，以在样品盘表面附近区域产生强电场；聚焦激光脉冲以蒸发maldi基质和分析物并产生离子；以及通过控制电场方向使离子加速达到检测器。72.示例性方法还可以包括将无涂层样品盘置于第三喷嘴下方以沉积maldi基质溶液并基本干燥基质的步骤。73.样品气溶胶粒子可以并不限于在站103通过撞击采集。样品气溶胶粒子也可以使用合适的撞击或液体冲击装置采集，该装置用于采集分散在气流(例如环境空气)中的粒子diseasesusingexhaledbreath)”的美国共有临时专利申请号62/891,954和63/069,120公开了一种使用呼出气诊断结核病的自主系统，其包括样品采集子系统和样品分析子系统，这些专利申请中每一个的全部内容都通过引用并入本文。样品采集子系统可以包括：样品提取组件，配置为接收个体的面部，以在预定呼吸操作期间提取从个体排出的具有结核分枝杆菌(mtb)特征的呼吸气溶胶(eba)粒子和脂质生物标记物中的至少一种，输入到提取组件的气流中；样品捕集组件，通过接口管与样品提取组件流体连接，并配置为从呼出气和空气中分离和采集eba粒子和脂质作为采集样品。一个或多个激冷装置配置为与至少一个接口管的壁热连通。热电冷却装置的一个示例由马洛工业公司(德克萨斯州达拉斯)制造。样品捕集组件和样品分析子系统流体连接。采集样品可以使用与用于分配化学品的站105相似的站凝集在样品板上。采集样品的体积可小于约1ml。采集样品的体积可小于100μl，也可小于2μl。可使用包括但不限于基于膜的分离或蒸发方法及装置将液体样品的体积从毫升浓缩至微升。76.可以打开或“裂解”微生物细胞壁或芽孢衣，通过将更多微生物的特征性细胞内含物暴露于maldi分析，使用示例性系统100来改进对微生物的分析。标题为“用于裂解细菌孢子以促进其鉴定的装置和方法(apparatusandmethodforlysingbacterialsporestofacilitatetheiridentification)”的美国专利号为5,989,824公开了利用等离子体或放电使位于金属基底上的细胞或孢子破裂，其全部内容通过引用并入本文。也可以使用化学、聚焦声学和聚焦电磁处理来实现裂解。77.液体样品可以从呼气气溶胶采集器或者任何涉及液体或液体中固体悬浮液的过程中获得。可能需要液体样品处理组件来去除盐等杂质，或者浓缩或化学改性样品以提高分析系统的性能。例如，可以使用c18树脂来去除液体样品中的盐。如前所述，可以使用酶或热酸处理将蛋白质分解成与特定目标分析物关联更精确的肽。微柱阵列可用于按粒径对粒子进行分类或选择，然后从复杂或稀释的悬浮液中浓缩或清理出特定的目标粒子。示例性方法和装置还可以包括这些样品制备方面。标题为“采用呼出气诊断呼吸系统疾病(diagnosisofrespiratorydiseasesusingexhaledbreath)”的美国共有临时专利申请号63/005179和63/010029、标题为“采用呼出气和气溶胶分析诊断呼吸系统疾病(diagnosisofrespiratorydiseasesusinganalysisofexhaledbreathandaerosols)”的美国共有临时专利申请号63/069029公开了一种用于使用呼出气和其他气溶胶诊断呼吸系统疾病的呼吸样品采集系统，该系统包括样品捕集元件，样品捕集元件包括填充层柱以选择性地捕集非挥发性有机成分，这些专利申请中每一个的全部内容都通过引用并入本文。78.在另一示例性方法中，当样品同时包含生物粒子和化学粒子时，可以修改前面描述的方法。可以将裸盘或基板(无任何maldi基质涂层)置于点样器下方，并且可以将使用先前公开的任何一种采集装置采集到的气溶胶样品沉积在盘上。然后，可以将样品盘运送至ldi-tofms仪器进行化学成分分析和鉴定。随之，可以将相同的样品盘运送至示例性装置100中的台站，在该台站将化学品添加到样品斑点中。化学混合物可包含α-氰基-4-羟基肉桂酸、甲醇、tfa和水。可以在maldi-tofms中干燥样品并进行生物成分分析和鉴定。随后，可以从单个样品中快速鉴定出化学和生物威胁气溶胶粒子。79.在示例性系统100中，新样品盘可以存储在两个单独的位置，即，一个存储涂覆了maldi基质的样品盘的位置和另一个存储未涂覆样品盘的位置。或者，可以交替涂覆样品盘，并且在无涂层样品盘位于新样品盘堆底部时，如果需要涂层样品盘，则可以将无涂层样品盘从新样品盘堆中拉出，移至废弃样品盘堆，从而允许机器人取用新样品盘堆中的无涂层样品盘。这些动作可以在几秒钟内完成。80.为了确定大气中是否存在生物威胁剂，可以按预定时间间隔采集空气样品，并使用上述示例性方法进行分析，以生成背景信息或基线信息的历史数据集(训练数据集)。分析结果可以利用机器学习算法随着时间来改进。背景信息变化可以通过建模来映射保护区内大气的正常行为。当怀疑有生物、生化或化学气溶胶粒子释放时，使用上述示例性方法对空气进行采样将会获得与历史背景信息存在偏差的信息。这种威胁出现的第一个特征就是与正常背景之间存在急剧偏差。在这个阶段，可以针对每个单独粒子的成分做出算法决策。因此，可以迅速采取补救措施来保护人类生命，防止生命损失。例如，可以关闭建筑物的供暖、通风和空调(hvac)系统，以限制气溶胶的传播，并且可以启动火灾警报以撤离建筑物。81.以上公开的示例性方法和装置也可用于分析液体样品和各种样品，包括但不限于半导体气体和工艺液体流。液体样品可以雾化。在这种情况下，可以使用合适的方法将等分样品雾化。例如，可以使用雾化器将液体样品雾化成空气。例如，可以使用雾化器将液体样品雾化成过滤气流。82.液体样品，尤其是半导体工艺流的液体样品，可包含超纯水(upw)中的粒径在约1-100nm之间的纳米粒子污染物。液体样品还可以包括在半导体制造过程或前道工序(feol)开始时的化学液体和在制造过程的后道工序(beol)阶段使用的化学品。半导体行业中的超纯水是指经过处理去除几乎所有污染物的水，其中的污染物包括生物物质(例如细菌物质)、金属和金属阳离子(包括但不限于钠、硼、钡、铁、硅和钙)、有机金属化合物、有机化合物(例如从塑料部件中滤入水中的聚合物)、阴离子化合物(尤其是含氯和硝酸根离子的化合物)、无机化学化合物(例如硝酸铵)、溶解物质、颗粒物质以及溶解气体(包括溶解氧)。化学化合物可以包括挥发性和非挥发性化学物质，并且还可以包括活性和惰性化学物质、亲水性和疏水性化学物质等。标准中对超纯水(upw)的质量要求进行了概述，这些标准包括但不限于astmd5127《电子学和半导体工业用超纯水的标准指南》和semif63《半导体加工用超纯水指南》。upw还可用于制药和生物技术行业。upw可用于清洁半导体零部件以及灭菌。83.使用示例性系统100对含纳米粒子污染物(分析物)的液体样品进行分析可以优选包括对液体样品进行雾化以产生含纳米粒子和水蒸气的气溶胶，并将水蒸气凝集到纳米粒子上，增加或扩大冷凝生长管中粒子的粒径，以供使用ldi-ms或其他基于表面的分析方法进行分析。然后，可以将含“增大”粒子的气溶胶沉积在站103处的样品盘112上，或通过如上所述的虚拟撞击器凝集。样品盘112可以由不被视为是污染物的金属制成或涂覆，从而消除来自样品盘本身的干扰。如上所述，包含纳米粒子的液体样品接触液滴或液流时，可以使用从合适的气体喷嘴或喷气孔1101排出的高速载气流(例如空气)进行雾化。该载气流可以垂直于液体样品流(图11a)。或者，雾化器可以是在出口处含孔口的环形管形式(图11b)。在这种情况下，液体样品流过环形管，并被载气作为气溶胶通过孔口压出。tsi公司(明尼苏达州梭尔维尤)销售一系列用于雾化液体的产品。84.在一方面，凝集从雾化器排出的气溶胶中的目标纳米粒子，或如下所述，使粒径生长到至少约3粒m，以使tof-ms和其他光学检测器能够进行检测。也可以使用任何方法凝集纳米粒子。例如，可以让纳米粒子凝集，使粒子生长到可以光学检测的粒径。如标题为“高饱和比水凝集装置及方法(highsaturationratiowatercondensationdeviceandmethod)”的美国专利号7,736,421所公开，可以使用(1)绝热膨胀，(2)湍流混合或(3)冷壁凝集管完成超细粒子的冷凝生长。这些方法中的每一种都会产生一个过饱和区域，其中冷凝蒸汽的浓度大于其在局部气体温度下的平衡蒸汽压。标题为“连续层流水基粒子冷凝装置及方法(continuous,laminarflowwater-basedparticlecondensationdeviceandmethod)”的美国专利号6,712,881公开了一种方法，其中，气溶胶或气溶胶外加不含粒子的壳气(sheathair)以层流方式流经壁润湿且壁温保持高于进入气流的装置或管。由于水蒸气的质量扩散率大于空气的热扩散率，从暖湿壁传输水蒸气的速度比加热气流的速度块。这就产生了一个沿气流中心线具有最大值的水蒸气过饱和区域，在该区域，过饱和定义为水蒸气含量超过水蒸气平衡含量。利用这种层流水基冷凝装置可以使小至5nm的粒子凝集。可以使用衬有湿芯体的管道，气溶胶样品流流过该管道。该衬芯管的第一部分的壁保持在第一温度，并用作预调节器。该管的第二部分的壁被加热至高于第一温度的温度。在被称为“生长区”的第二部分中，与加热气流相比，从暖湿壁扩散水蒸气的速度相对较快，从而产生了一个过饱和、粒子活化和冷凝生长区域。可以使用不含粒子的壳气来包围载有粒子的气溶胶流，以将粒子限制在实现最高过饱和度的中心线处。aerosoldevices公司(科罗拉多州柯林斯堡)提供了一种可以集成到系统100中的冷凝生长管系统。85.美国专利号'421公开了一种方法，包括以下步骤：提供具有第一温度的壁的生长室；在低于第一温度的第二温度下，提供含高浓度可冷凝蒸汽(空气等载气中的水蒸气)的热壳气流；以及利用壳气流引入层流气溶胶，其中，该气溶胶流的温度为低于第一温度和第二温度的第三温度。壳气流以层流方式引入，以包围较冷的气溶胶流。在包含组合流的腔室内，由于传热和传质的差分速率而产生了蒸汽过饱和区域。因此，蒸汽在粒子上凝集，使其增大成液滴。壳气流可以在进入冷凝生长区域之前进行温度调节。该方法可用于增大直径小至3.2nm的粒子。可凝蒸汽可包含载气中的甲醇，载气包括空气、二氧化碳和氩气中的至少一种。86.标题为“超细粒子的先进层流水冷凝技术(advancedlaminarflowwatercondensationtechnologyforultrafineparticles)”的美国专利号9,821,263公开了一种用于增大气溶胶粒径的方法，该方法包括将层流中的气流引入具有入口和出口的湿壁式冷凝器，该气流具有冷凝器入口处的进气温度；将冷凝器靠近入口的的第一部分的温度控制为比进气温度高至少5℃的第一温度；以及将冷凝器在第一部分与出口之间的第二部分的温度控制在低于第一温度的第二温度。冷凝器的第一部分和第二部分限定了一个体积，其中，将气流引入冷凝器可在体积内产生体积空气流量，该体积具有圆柱形几何形状或多板几何形状，其中，每个板具有宽度和板之间的间距。对于圆柱形几何形管，第一部分的长度除以体积流量小于0.5s/cm2，对于多板几何形管，第一部分的长度除以体积流量乘以宽度除以间距小于0.5s/cm2。冷凝生长管的管壁可以使用芯体润湿。标题为“水冷凝系统的芯体润湿(wickwettingforwatercondensationsystems)”的美国专利号9,610,531公开了芯体的被动润湿，其可以形成层流水冷凝生长系统的湿壁，其中自持式芯体依靠芯体材料的毛细作用，将水从水蒸气凝集到芯体表面上的较冷区域输送到蒸发的较热区域。这种方法允许在没有贮水器的情况下延长操作，并且对生长管的方向不敏感。虹吸芯可以使用类似虹吸的方法，在芯体与气流相对的一侧使芯体后的间隙保持充满水状态。这种方法可以增补主动泵送，以适应大型系统。在一方面，可以使用一个以上冷凝生长管通过控制生长管内的温度分布来使不同大小或直径的目标气溶胶粒子增大。87.可将雾化器排出的气溶胶(或气溶胶的一部分)引导至冷凝生长管。冷凝生长管的设计(长度、直径和工作温度)可以根据雾化器排出的气溶胶中的粒子负荷(计数)、进入冷凝生长管的流速和载气的流速进行优化，其中的载气通常是过滤空气。aerosoldevices公司的冷凝生长管系统提供长约4.5英寸的生长管，每根管的处理流速约在1-1.5lpm之间。biospotvivas(aerosoldevices公司)可以通过8根管处理8lpm的流量。88.冷凝生长管排出的气溶胶可以作为干粒子或湿粒子沉积在样品盘112上。喷嘴1101可设计成产生目标液滴的最佳撞击速度。直径在0.35-0.7mm范围内的喷嘴的最佳速度在50-100m/s之间。为了在样品盘112上实现目标粒子的有效采集，以及尽量减少或消除粒子弹跳，沉积润湿的气溶胶粒子是有益的。在采集过程中或之后，如前所述，可以通过干燥样品盘112来去除液态水。雾化的一个重要方面是使气溶胶夹带在少量的过滤空气中。如果相对于冷凝生长管接收的体积流量，存在于雾化器中的空气的体积流量大，则只将一部分雾化器出口导入生长管中。或者，可以在雾化器下游使用一束冷凝生长管来产生平均直径大于1μm的气溶胶。然后，该气溶胶流在导入撞击器前可集中在虚拟撞击器中。89.在示例性系统100中，除tofms质谱分析外，站106还可以包括一个或多个光学检测工具及方法，因为沉积在样品盘112上的分析物样品从激光脉冲中吸收到足够的光能时，光子从高能状态过渡到低能状态时会发射特征光子，并产生瞬态光学特征，如高阶荧光、激光诱导击穿光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱。因此，除质谱法外，还可以使用光学传感器或光学检测器鉴定样品粒子的成分。使用tofms和光学传感器两者采集的测量数据可以使用数据融合技术进行处理，以提供有关样品分析物成分的信息。通过从包括一种或多种光学方法和质谱法在内的各种检测器采集信息，可利用数据融合协议过滤和分析与样品相关的数据，以高精度、高灵敏度和高特异性快速(接近实时)地鉴定粒子的成分和类型。可以将来自每一种测量法(包括tofms、libs、拉曼光谱和红外光谱中的至少一个)的数据传输到传感器数据融合引擎，其中，可使用包括机器学习和深度学习在内的人工智能工具来充分表征粒子。90.拉曼光谱不使用目标特异性试剂，具有快速分析(约5分钟或更短)的潜力。拉曼光谱可提供用于鉴定和定量样品的分子振动信息。这项技术涉及将激光束(例如波长在约330-360nm之间的紫外激光源)聚焦在样品上并检测非弹性散射光。大部分散射光的频率与激发源相同，称为瑞利散射或弹性散射。由于入射电磁波与样品中分子的振动能级之间的相互作用，极少量散射光的能量随激光频率位移。绘制这种“位移”光的强度与频率的关系图，可以得到样品的拉曼光谱。拉曼光谱的局限性在于难以鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。91.在libs中，激光脉冲(例如来自波长约1064nm的高能nd:yag激光器)聚焦在粒子上，烧蚀少量粒子，以产生等离子体。分析物粒子分解(解离)成离子和原子种类。当等离子体冷却时，可以使用诸如ccd检测器等光学检测器来观察元素的特征原子发射线。在荧光光谱学中，样品分子被特定波长的辐射激发，并发射不同波长的辐射。发射光谱为定性和定量分析提供了信息。当分子吸收适当波长的光时，分子的电子态从基态转变为其中一个电子激发态的多个振动能级中的一个。一旦分子处于这种激发状态，就可通过几个过程发生弛豫。荧光就是这些过程中的一个，可导致光发射。通过分析荧光光谱中发射的光的不同频率及其相对强度，可以确定与不同振动能级相关的化学结构。生物样品中的某些氨基酸(例如色氨酸)具有高荧光量子效率，这有利于使用荧光光谱来鉴定这些氨基酸。92.在示例性系统100中，除tofms质谱分析外，站106还可以包括一个或多个光学检测工具及方法，因为沉积在样品盘112上的分析物样品从激光脉冲中吸收到足够的光能时，光子从高能状态过渡到低能状态时会发射特征光子，并产生瞬态光学特征，如高阶荧光、激光诱导击穿光谱(libs)、拉曼光谱和红外光谱。因此，除质谱法外，还可以使用光学传感器或光学检测器鉴定样品粒子的成分。使用tofms和光学传感器两者采集的测量数据可以使用数据融合技术进行处理，以提供有关样品分析物成分的信息。通过从包括一种或多种光学方法和质谱法在内的各种检测器采集信息，可利用数据融合协议过滤和分析与样品相关的数据，以高精度、高灵敏度和高特异性快速(接近实时)地鉴定粒子的成分和类型。可以将来自每一种测量法(包括tofms、libs、拉曼光谱和红外光谱中的至少一个)的数据传输到传感器数据融合引擎，其中，可使用包括机器学习和深度学习在内的人工智能工具来充分表征粒子。93.拉曼光谱不使用目标特异性试剂，具有快速分析(约5分钟或更短)的潜力。拉曼光谱可提供用于鉴定和定量样品的分子振动信息。这项技术涉及将激光束(例如波长在约330-360nm之间的紫外激光源)聚焦在样品上并检测非弹性散射光。大部分散射光的频率与激发源相同，称为瑞利散射或弹性散射。由于入射电磁波与样品中分子的振动能级之间的相互作用，极少量散射光的能量随激光频率位移。绘制这种“位移”光的强度与频率的关系图，可以得到样品的拉曼光谱。拉曼光谱的局限性在于难以鉴别种或属的近邻，其中，该种群中的一些成员对人类有致病性，而另一些则没有致病性。94.在libs中，激光脉冲(例如来自波长约1064nm的高能nd:yag激光器)聚焦在粒子上，烧蚀少量粒子，以产生等离子体。分析物粒子分解(解离)成离子和原子种类。当等离子体冷却时，可以使用诸如ccd检测器等光学检测器来观察元素的特征原子发射线。在荧光光谱学中，样品分子被特定波长的辐射激发，并发射不同波长的辐射。发射光谱为定性和定量分析提供了信息。当分子吸收适当波长的光时，分子的电子态从基态转变为其中一个电子激发态的多个振动能级中的一个。一旦分子处于这种激发状态，就可通过几个过程发生弛豫。荧光就是这些过程中的一个，可导致光发射。通过分析荧光光谱中发射的光的不同频率及其相对强度，可以确定与不同振动能级相关的化学结构。生物样品中的某些氨基酸(例如色氨酸)具有高荧光量子效率，这有利于使用荧光光谱来鉴定这些氨基酸。95.实施例96.实施例1使用示例性系统100检测生物气溶胶粒子。97.在示例性试验中，将含枯草芽孢杆菌黑色变种(“bg”)、苏云金芽孢杆菌(“bt”)、大肠杆菌、肠杆菌噬菌体t2病毒和分子量为66kda的白蛋白(蛋白质)的样品沉积在maldi涂层样品盘上。然后，用含70％甲醇、10％tfa和15％水的溶液处理样品。使用包括tofms的示例性系统100对样品进行干燥和分析。在每种情况下，干燥样品，将包括带有样品的盘的样品柱移至ms站106，并在ms系统中抽真空。图5是这些样品中的每一个在两种条件下的原始(未处理)质谱图：(a)未充分干燥(或未有效干燥)的样品以及通过在低于约10-5torr的压强下抽真空而有效干燥的样品。可以看出，在每种情况下，相较于未有效干燥的样品，有效干燥的样品能够使峰的信号强度(碎片离子的相对丰度)增加，锐化峰，鉴定新碎片，并获得能够更好地与光谱库进行比较的光谱指纹。98.实施例2使用示例性系统100进行tofms分析的灵敏度。99.将包含含有孢子、植物细菌和病毒的生物气溶胶粒子的样品吸入容积约250l的腔室中，并使用补充空气进行雾化，使粒子浓度达到1000份/升(ppl)。该腔室包括混合风扇，用于搅拌和混合采样空气以获得空气中气溶胶粒子的均匀样品。然后，从腔室中抽取样品，通过撞击以约4升/分钟(lpm)的流速将气溶胶粒子沉积在maldi涂层样品盘上。在沉积之前，使用在线aps或荧光传感器测量粒度分布、计算生物粒子(荧光)数、计算非生物粒子数，并确定目标粒子与杂波的比值。然后，使用tofms对样品进行分析。验证了对空气中约50-100个孢子的敏感性。100.实施例3使用示例性系统100对含bg孢子的生物气溶胶粒子进行高特异性检测。101.使用示例性系统100捕集和分析含bg孢子的气溶胶样品，并与bg基线参考质谱库(librarybaselinereferencebgmassspectrum)进行比较。如图6所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。102.实施例4使用示例性系统100对含bg孢子的生物气溶胶粒子进行高特异性检测。103.使用示例性系统100捕集和分析含bt(苏云金芽孢杆菌)孢子的气溶胶样品，并与bt基线参考质谱库(librarybaselinereferencebtmassspectrum)进行比较。如图7所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。104.实施例5使用示例性系统100对生物气溶胶粒子进行高特异性检测。105.使用示例性系统100捕集和分析含bt、bg、大肠杆菌和白蛋白(66kda)的气溶胶样品。如图8所示，鉴定出了这些生物粒子在全质量范围(80kda)内的光谱特征。106.实施例6使用示例性系统100对含bg粒子的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。107.使用示例性系统100捕集和分析含bg粒子的气溶胶样品，其中，bg粒子与背景粒子之比约在0.05-0.56之间。如图9所示，由于鉴定出了bg光谱特征，在该浓度范围内bg检测的灵敏度很高。108.实施例7使用示例性系统100对含大肠杆菌的生物气溶胶粒子进行高灵敏度。109.使用示例性系统100捕集和分析含大肠杆菌的气溶胶样品，并与基线参考质谱进行比较。如图14所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。110.实施例8使用示例性系统100对含罗氏耶尔森菌的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。111.使用示例性系统100捕集和分析含罗氏耶尔森菌的气溶胶样品，并与基线参考质谱进行比较。如图15所示，测量光谱的特征与参考光谱的特征高度相关，并展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。112.实施例9使用示例性系统100对含大肠杆菌噬菌体ms2病毒粒子的生物气溶胶粒子进行高灵敏度检测。113.使用示例性系统100捕集和分析含大肠杆菌噬菌体ms2病毒的气溶胶样品。如图16所示，测量光谱的特征展示了示例性系统和数据处理工具的良好特异性功能(质量分辨力)。114.按照《美国联邦法规》第三十七编第1.72条(b)款提供摘要是为了使读者能够通过粗略检查快速确定本技术公开的性质和要点。所提供的摘要不应用于解释或限制权利要求的范围或含义。115.虽然已结合实施本公开的优选形式对本公开进行了描述，但本领域普通技术人员应理解，在不脱离本公开精神的情况下可对其进行许多修改。因此，上面的描述并非旨在以任何方式限制本公开的范围。116.还应当理解，可以在不脱离本公开实质的情况下进行各种更改。这类更改也隐含在描述中，仍然属于本公开的范围。应当理解，本公开旨在产生一项专利，既可以独立地也可以作为整体系统，还可以以方法和装置两种模式，涵盖本公开的许多方面。117.此外，本公开和权利要求的各种元素中的每一个还可以以各种方式实现。本公开应被理解为包含每一种此类变化，无论是实施任何装置的实施方式的变化，还是实施方法或过程的实施方式的变化，甚至仅仅是这些装置、方法或过程的任何元素的变化。118.尤其是应当理解，每个元素的词语都可以用等效的装置术语或方法术语来表示，即使这些装置或方法仅仅在功能或结果方面是相同的。这种等效的、更广泛的、甚至更通用的术语应被视为包含在对每个要素或行动的描述中。如果需要，可以替换这些术语，以明确本公开有权享有的隐含的广泛覆盖面。应当理解，所有行动都可以表示为采取该行动的手段或导致该行动的要素。同样地，所公开的每个物理元素都应理解为包含该物理元素促进行动的公开内容。119.此外，对于所用的每个术语，除非其在本技术中的使用与释义不一致，否则应将通用词典的释义理解为包含每个术语、全部释义、替代术语和同义词，例如包含在技术人员认可的标准技术词典和兰登书屋韦氏大词典中的至少一个中，其最新版本通过引用并入本文。120.此外，根据传统的权利要求解释，连接词“包括(comprising)”的使用用于主张本文的“开放式”权利要求。因此，除非文中另有规定，否则应当将“包括(comprises或comprising)”的变形理解为旨在暗示包含所述元素或步骤，或者一组元素或步骤，但不排除任何其他元素或步骤或者元素组或步骤组。这类术语应以其最广泛的形式进行解释，从而为申请人提供法律上允许的最广泛的覆盖范围。当前第1页12当前第1页12
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