用于根据空气中的预定颗粒的形态特性检测预定颗粒浓度的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于根据预定颗粒的形态特性，特别是其外观或其外部形象检测空气中的预定颗粒，特别是病毒的浓度的设备和相关方法。


背景技术：

2.存在大量疾病或病原体，特别是致病病毒，它们经由空气，特别是经由气溶胶传播，并且因此作为气溶胶颗粒存在于空气中。因此，期望能够探测空气中的此类病毒并能够确定它们在空气中的浓度，从而能确定可能的感染风险。
3.原则上，用于确定空气中病毒浓度的非常精确的方法在现有技术中是已知的，但是这些方法主要基于具有相应冗长的分析的实验室方法，因此已知的方法复杂、昂贵并且也特别耗时。因此，用于执行已知方法的设备不能用于病原体的快速警告，因为分析结果通常会太晚获得。
4.此外，已知的方法大多是针对单一的非常特定的病毒或一般针对单一的特定病原体，并且往往不能用于其它病原体，因此利用这种方法无法确定空气中不同病原体的浓度或存在情况。
5.对于空气中是否存在病原体的初步评估，以及对潜在存在的病原体造成的危险的评估，通常最初并不是绝对有必要确切知道涉及哪些病原体或病毒，而是只需要知道这些病原体以一定的概率和一定的浓度存在。例如，之前未公开的申请号为10 2020 120 199.0和10 2020 124 740.0的德国专利申请为此提出了不同的解决方案，通过这些解决方案可以确定是否存在具有特定粒径的颗粒，这些颗粒很可能是特定的病原体。
6.应该注意的是，气溶胶是固体和/或液体悬浮粒子在气体，例如空气中的异质混合物(分散体)。
7.悬浮粒子被称为气溶胶颗粒，其中这种气溶胶颗粒例如可以是灰尘、花粉、孢子、细菌或病毒，因此对气溶胶颗粒的简单测量以及因此评估是否存在病原体是不容易的。
8.特别是在根据颗粒的大小确定空气中颗粒的浓度时，可能会发生，在浓度确定中包含的颗粒碰巧具有相似的大小并且与所寻求的病原体不对应，因此确定的浓度是不正确的。


技术实现要素：

9.因此，本发明基于克服上述缺点的目的，提供一种设备以及相关方法，通过该设备和相关方法可以快速且高精度地确定空气中特定颗粒，特别是特定病毒的浓度。
10.所述目的通过根据权利要求1的特征组合得以实现。
11.因此，根据本发明，提出了一种用于检测空气中预定颗粒、特别是病毒的浓度的设备。在此，空气包括有机和/或无机的气溶胶颗粒。该设备具有提供单元、成像单元、图像检测单元和评估单元。提供单元构造为，将空气中包含的气溶胶颗粒结合在流体中，使得流体
包含先前包含在空气中的作为颗粒的气溶胶颗粒。流体优选为液体，其中流体也可以为气体混合物。进一步规定，提供单元构造为，沿着预定的流动路径提供稳定或均匀计时的流体流，其中在稳定和计时提供的情况下，流体流都能够沿着流动路径连续输送。提供单元优选关于流动路径以流动技术与成像单元连接，使得流体或液体可以沿着流动路径从提供单元流入以及流过成像单元。成像单元具有可以相应地稳定和计时地被流体流流过的样本通道，该样本通道确定成像单元内的预定流动路径。此外，成像单元构造为，生成包含在流过样本通道的流体中的颗粒的放大的图像。在稳定和计时输送的情况下，包含颗粒的流体分别位于成像单元中，从而可以通过颗粒的放大执行“原位测量”或“原位分析”，其中通过流过样本通道的流体构成的样本因此可以连续变化。特别地，不需要手动更换或适配样本、样本载体或设备的其它组成部分。为了能够实现对通过成像单元获得的图像进行快速和自动的分析或评估，图像检测单元构造为，特别以图像技术检测图像，并将图像以其检测形式传输到评估单元。相应地，评估单元构造为，自动检测图像中描绘的颗粒的形态特性、将检测到的形态特性与预定颗粒的形态特性进行比较并通过比较确定图像中预定颗粒的比例和空气中预定颗粒的浓度。特别可以将颗粒或病毒的外观理解为形态特性，从而根据其外观可区分或区分预定颗粒与其它颗粒。例如，可以将每预定空气体积、即例如每立方米的预定颗粒的数量指定为浓度。
12.根据样本中或流体中的预定颗粒(病毒)的浓度以及获得样本的空气中由此确定的预定颗粒(病毒)的浓度，通过评估单元还可以确定，是否基本上存在特定颗粒(病毒)、感染风险有多高以及感染风险是否超过预定阈值。
13.除了预定颗粒的浓度外，还可以检测其它颗粒的浓度。例如，也可以提供多个预定颗粒，其中第一预定颗粒例如对应于第一病毒或第一病原体，而第二预定颗粒例如对应于第二病毒或第二病原体，从而借助评估单元可以确定，存在哪些浓度的第一预定颗粒和第二预定颗粒。然后为此，相应地预先知道这两种预定颗粒的形态特性或所有预定颗粒的多种预定颗粒的形态特性并将其存储在评估单元中。除了病原体或类似物，通过评估单元还可以例如确定空气中的灰尘浓度，因为灰尘同样只是空气中的颗粒。
14.基于此，还可以触发警报或将信号传输到以信号技术连接的系统，通过该系统传输浓度，并在必要时发出感染风险警告。
15.如开头所述，原则上已知可以在从空气中提取的样本中确定病毒或颗粒的方法和相关设备，但这些方法和设备大多仅可以在实验室条件下并由专业人员执行，不适合连续地控制和检验空气，特别是室内空气的检验。因此，基本的发明思想是通过该设备提供一种可能性，即利用该设备可以连续分析持续或持续计时的样本流(流体流)以便检测并至少显示病毒(颗粒)在(室内)空气中的浓度。
16.在提供单元的输入侧，空气可以以预定的体积流例如通过抽吸设备并且特别通过风扇或鼓风机被吸入。
17.为了能够推断空气中预定颗粒的浓度，还优选地规定，提供单元构造为，将预定体积的空气中包含的气溶胶颗粒结合到预定体积的流体中，从而从预定体积的流体中的预定颗粒的比例可以确定预定体积的空气中预定颗粒的浓度。因此，优选地包含在限定的空气体积中的预定颗粒在结合在流体中之后存在于限定的且已知的流体体积中。
18.然而，预定颗粒可以以非常低的浓度存在于流体中，使得由流体和颗粒组成的溶
液可以非常“稀”。为了提高在样本的特定区域中的浓度，即在流过样本通道的流体的特定区域中的浓度并因此简化评估，还可以规定，流体或液体为电解质溶液，即包含电解质，并且提供单元和/或成像单元具有产生电场的等速电泳设备。等速电泳设备构造为，将结合在电解质溶液中的颗粒通过其不同的离子迁移率以分段方式彼此分离，使得流过样本通道的流体(液体)具有分段的区域，具有相同离子迁移率的颗粒集中在这些区域中。因此，在样本中存在一个区域，在该区域中预定颗粒以比周围流体区域中更高的浓度存在，并且在该区域中基本上存在样本的所有预定颗粒，因为它们具有相同的离子迁移率。在该区域之前和之后存在相应的其它区域，在其它区域中样本中包含的具有不同离子迁移率的其它颗粒以增加的浓度存在。通过成像单元，可以有针对性地放大具有浓度增加的预定颗粒的样本区域，或者放大基本上整个样本。为此，等速电泳设备还可以具有两个电压端子，其中第一端子以流动技术设置在成像单元的输入侧，第二端子以流动技术设置在成像单元的输出侧，通过这些电压端子，样本通道内的流体可以被施加电压或电场。
19.为了能够驱动流体从提供单元流过样本通道，在另一实施例变型中设定，该设备进一步包括泵，该泵构造为，沿着流动路径驱动流体流并且将液体或流体从提供单元以优选的稳定体积流或以连续周期计时来泵送或输送通过成像单元。
20.为了提高样本中或流过样本通道的流体中的预定颗粒或所有颗粒的可见性，还优选地规定，提供单元构造为，将造影剂与流体，并且优选液体混合，通过该造影剂特别可以实现负对比度，从而在由成像单元生成的图像中可以更好地看到或识别颗粒或颗粒的形状和外部形象。造影剂特别可以是磷钨酸。
21.样本的分析或评估可以通过以下方式进一步简化，即样本中存在较少不应被检测到的偏离了预定颗粒的颗粒。为此，可以有利地规定，提供单元在输入侧具有前置过滤器，该前置过滤器构造为，在输入侧过滤流到提供单元中的空气，使得在空气中所含的与预定颗粒无关的有机和/或无机气溶胶颗粒在气溶胶颗粒结合在流体中之前至少部分地被过滤掉，使得它们相应地不存在于流体中。由于最重要类型的预定颗粒具有小于300nm的直径，因此特别考虑前置过滤器为尺寸过滤，通过尺寸过滤基本上直径大于300nm的所有颗粒被过滤掉。
22.前置过滤器也可以具有多个过滤器，它们也可以基于不同的过滤原理。例如，前置过滤器可以具有尺寸过滤器，通过尺寸过滤器优选地基本上直径大于预定颗粒直径的所有气溶胶颗粒被过滤掉，从而获得过滤的空气，该空气因此优选仅包含具有等于和/或小于预定颗粒直径的直径的气溶胶颗粒。因此，在将空气中所含的气溶胶颗粒结合在液体或流体中时液体或流体包含之前包含在过滤空气中的直径等于或小于作为颗粒的预定颗粒的直径的气溶胶颗粒。
23.通过将空气引导到尺寸过滤器中，随后可以更精确地确定浓度，因为流体中存在较少的“干扰”颗粒，这些颗粒可能会导致测量结果错误。这种尺寸过滤器也可以由多个依次设置的过滤器构成，因此尺寸过滤器基本上可以是一种过滤器组件，通过该过滤器组件，直径大于预定颗粒直径的连续颗粒可以在其余颗粒结合在流体中之前被过滤。
24.由于空气中存在带电和/或不带电颗粒，其根据待检测的病原体(预定颗粒或病毒)的浓度优选不应被确定，进一步有利的变型规定，前置过滤器具有电荷过滤器，通过该电荷过滤器将带正电荷的气溶胶颗粒和/或带负电荷的气溶胶颗粒和/或不带电荷的气溶
胶颗粒从空气中过滤出来，从而获得过滤后的空气，该空气优选仅相应地包含具有预定电荷的气溶胶颗粒，该预定电荷对应于预定颗粒的电荷。在此，电荷可以理解为正电荷、负电荷和无电荷。因此，当空气中包含的气溶胶颗粒结合在流体中时，流体基本上只包含先前包含在被过滤空气中的具有预定电荷的作为颗粒的气溶胶颗粒，这例如可以通过具有四重电极的线性质谱仪来实现。
25.为了实现这种电荷过滤器，例如可以使用电场，通过该电场，带电的(气溶胶)颗粒从它们的运动轨道偏转并因此从空气流中去除。以这种方式实现的电荷过滤器也可以与一个或多个尺寸过滤器组合。
26.还可以规定，前置过滤器具有或提供不均匀的电场，可极化的气溶胶颗粒通过该不均匀的电场被极化。此外，非均匀的电场或产生该场的设备构造为，将极化的气溶胶颗粒通过电场的非均匀路径偏转到收集设备上或从它们的运动轨道偏转并在收集设备上收集。极化的气溶胶颗粒相应地在收集设备上或收集设备处收集，并且当空气中包含的气溶胶颗粒结合在流体中时被结合在该收集设备上或从该收集设备出发。
27.例如，收集设备可以是提供单元的(之后解释的)冷凝器，并且可以相应地进行温度控制，使得极化的气溶胶颗粒在收集设备上冷凝。通过相应地基本上代表从空气中过滤和收集可极化颗粒的非均匀电场引导空气，可以与上游电荷过滤器和一个或多个上游的尺寸过滤器组合。
28.如果预定颗粒不可极化，但具有已知电荷，则收集设备也可以设计为相应带相反电荷的面，其吸引预定颗粒和已知电荷。这种相应带相反电荷并作为收集设备提供的面也可以被加热。
29.为了将颗粒结合在流体中，优选地规定，提供单元具有用于通过冷凝将空气中包含的气溶胶颗粒结合在流体或液体中的冷凝器。因此，具有包含在其中的颗粒的空气可以在冷凝器上冷凝成冷凝物(冷凝水)并从中排出。为此，可以对冷凝器进行调温以形成冷凝水，并例如构造为珀耳帖元件。
30.成像单元可以特别有利地是透射电子显微镜(tem)，其具有产生电子束的电子源、偏转电子束并用作用于电子束的透镜的多个磁体以及被电子束穿过的真空室。为了放大包含在样本中的颗粒，样本通道优选地垂直于电子束或电子束的纵向轴线穿过真空室并且电子束穿过样本通道和特别是连续流过样本通道的流体。
31.如果使用tem，样本通道应该对于tem产生的电子束是透明的或几乎完全可透过，从而有利的变型规定，样本通道由氮化硅或其它可透过电子束或电子束的电子的材料构成。
32.此外，样本通道可以由一个、两个或更多个彼此贴靠并且在它们之间构成通道的膜构成。
33.此外，样本通道关于其平行于电子束的厚度优选地选择为，可以通过tem产生尽可能精确和清晰的图像或放大。
34.与传统的tem相比，目前提出的tem可以有利地以这样的方式设计，即它专门构造用于在先前已知且不变的位置放大不断变换但相似的样本，然而，对于其变换，无需交换样本载体等类似物。因此，根据有利变型提出的tem不必构造为基本上聚焦或通常可调节的，并且也不必考虑或实现变换用于样本的对象载体。相应地，进一步优选地规定，磁体构造为
永磁体或构造为电磁体并且被供应恒定或不变的电压，从而电子束被磁体以唯一的预定方式偏转并聚焦到流过样本通道的流体上。替代地，磁体也可以以线圈的形式提供。此外，它们特别设置为围绕真空室的环形磁铁。如果电磁体设有恒定电压，则可以省去复杂的电压调节和相关控制。此外，tem通常包括多个磁体或由它们构成的磁体系统，从而例如根据所需的磁场，tem的第一磁体可以设计为永磁体，tem的第二磁体可以设计为供应恒定电压的电磁体，如果tem包括一个孔，其也可以设计为不可变的或固定的。电子源也可以构造为，产生具有恒定的、预定特性的不可改变的或固定设定的电子束。
35.如上所述，所提出的tem优选地基本上是不可调节的。然而，可以规定，tem或tem的各个部件可以设置在狭窄限定的和预定的范围内，以便能够实现生成的图像的精细调整、聚焦以及老化现象的补偿。为此，磁体例如可以是可更换的，或者可以将可能存在的孔设置到非常有限的程度。
36.此外，样本通道可以是永久地并且相对于真空室特别是位置固定地连接到真空室。有利地，真空室和样本通道还彼此一体式实施，其中它们不可分离地连接。
37.此外，tem的真空室在这种特殊的变型中不必设计为总是反复建立高真空。因此，真空室可以完全压力密封地封闭，并且还构造为，永久地保持存在其中的真空，从而只须进行一次确定真空的压力降低，并且随后永久地，即优选地在整个设备的使用寿命内保持。
38.为了检测并且特别是数字化所生成的图像，图像检测单元优选地是ccd(电荷耦合器件)传感器或相机。相机或ccd传感器构造为，检测成像单元生成的图像。
39.此外，图像检测单元可以将以此方式检测的图像电子地或以信号技术传输到评估单元。在此，不仅静止图像而且运动图像，例如连续的视频信号都可以传输到评估单元。
40.为了分析或评估传输的图像，根据有利的设计方案评估单元具有数据存储器，在其中例如通过算法、表格形式或作为对比图存储预定颗粒的形态特性以及特别是预定颗粒的外观。此外，评估单元构造为，通过图像处理和对象识别以及例如通过神经网络或人工智能来确定，图像中描绘的颗粒中有多少具有对应于预定颗粒的形态特性，特别是外观的形态特性，特别是外观，并且因此是预定颗粒。如果以此方式确定了样本中的是预定颗粒的颗粒的数量，则可以通过该数量确定其在样本中或空气中的比例或数量。
41.本发明的另一方面涉及一种使用根据本发明的设备检测包括有机和/或无机的气溶胶颗粒的空气中的预定颗粒，特别是病毒的浓度的方法。在此规定，借助提供单元将空气中包含的气溶胶颗粒结合在流体中，使得流体包含先前包含在空气中的作为颗粒的气溶胶颗粒，并且随后沿着预定的流动路径提供稳定或均匀计时的流体流。随后，借助成像单元生成包含在流过样本通道的流体中的颗粒的放大的图像。用图像检测单元检测以这种方式生成的图像并传输至评估单元。评估单元自动检测图像中描绘的颗粒的形态特性，其中随后将检测到的形态特性与预定颗粒的形态特性进行比较。通过比较确定图像中预定颗粒的比例和空气中预定颗粒的浓度。颗粒的形态特性的检测和随后的比较也特别理解为由成像单元生成的图像或在其上显示的颗粒的图像与预定颗粒的比较图像的比较。
42.此外，本发明的另一方面涉及一种用于确定预定颗粒在房间的意义中的空间中的运动和浓度的系统。该系统包括中央评估单元和多个根据本发明的设备。该设备根据预定模式并且特别是根据预定网格在空间中分布。也可以包括设备的评估单元或可以整体地构造的中央评估单元构造为，根据由设备分别确定的浓度确定和/或预测空间中的颗粒的浓
度和/或空间中的预定颗粒的分布和/或空间中的预定颗粒的运动。为此，还可以在更长的时长内确定和观察或分析浓度。为了确定运动的集中度和预期的，即未来的行为也可以尤其使用神经网络、人工智能或外推法。
43.作为预定颗粒的运动，不仅可以检测空间内的宏观运动，而且在设备的适当的布置的情况下还可以检测颗粒的布朗分子运动。
44.除了可以在浓度超过界限值时触发警报外，如果空间中的预定颗粒，即气溶胶云向特定方向或特定位置运动，也可以生成警报或信号。
45.上面公开的特征可以任意组合，只要这在技术上是可行的并且它们彼此不矛盾。
附图说明
46.本发明的其它有利的改进方案在从属权利要求中表征或在下文连同对本发明的优选实施例的描述参考附图更详细地示出。附图中：
47.图1示出了具有作为成像单元的tem的设备。
具体实施方式
48.该图是示例性示意性的并且示出了使用透射电子显微镜(tem)作为成像单元20的设备1。
49.设备1的基本原理在于，在空气入口2处吸入或接收空气3和例如室内空气，该设备将空气3中包含的颗粒在提供单元10中结合在作为流体的液体4中并提供穿过成像单元20的持续的液体流或流体流，从而由此能够实现对结合在液体4中的颗粒的“原位分析”，其中待分析的样本持续变化，该样本是液体4，或者更准确地说，该样本是流过成像单元20的液体4。因此，与液体4一起，通过tem或通过成像单元20提供持续的颗粒流，通过该tem或成像单元颗粒被放大地描绘，使得包含在样本或液体4中的颗粒随后可以被分析。
50.在当前情况下，提供单元10具有前置过滤器11，通过该前置过滤器，空气3中的由于其尺寸、电荷或其它因素而与预定颗粒不相关的颗粒被过滤。为此，前置过滤器11可以具有多个过滤级并使用不同的过滤原理。
51.通过前置过滤器11过滤的空气3随后由冷凝器12冷凝，使得冷凝物形成为液体4，其中结合了先前包含在被过滤的空气3中的颗粒。
52.冷凝物或液体4随后沿着预定流动路径从提供单元10泵送到成像单元20中或通过成像单元20，其中为此使用设置在成像单元20的输出侧的泵60。
53.在液体4中，预定颗粒以及其中所含的所有颗粒最初相对均匀地分布，从而使所探究的或预定的其在空气中的浓度应该被确定的颗粒4在液体的一个区域上均匀地分布并且能很难或很复杂被找到。为了改进和简化分析，成像单元20具有带第一电压端子25和第二电压端子25’的等速电泳设备。第一电压端子25以流动技术设置在成像单元20或样本通道29的输入侧，第二电压端子25’以流动技术设置在成像单元20或样本通道29的输出侧，其中它们在样本通道29中构建电场，使得在流过样本通道29的液体4中形成多个区域，这些区域分别具有具有相同或近似相同的离子迁移率的颗粒。在这些区域之一中，因此基本上存在离子迁移率等于预定颗粒的离子迁移率的所有颗粒，并且因此基本上存在所有的预定颗粒，因此仅对该区域用成像单元20进行描绘、用图像检测单元40进行检测或用评估单元50
评估就足够了。
54.在当前情况下实现为tem的成像单元20不必构造为用于不同的测量方法或更换样本载体或类似情况，从而tem专用于本应用。为此，tem具有完全且永久密封的真空室31，在真空室中一次产生真空(高真空)并永久保持。电子束30由电子源21发射到真空室中，该真空室也可称为测量柱，该电子束纵向穿过真空室31。电子束30通过维纳尔圆柱电极(wehnelt zylinder)22将其束强度设定成不变的，并通过固定设定和不可调节的孔23以及多个磁铁24、26、27向样本通道29和荧光屏32上偏转或聚焦。也可以由多个磁体构成的第一磁体24或第一磁体系统用作电容器磁体系统，第二磁体26或第二磁体系统用作对象磁体系统并且第三磁体27或第三磁体系统用作投影磁体系统，其中在目前的情况下，它们分别构造为永磁体，并且因此是不变的。
55.流过样本通道29的液体4因此总是以唯一的预定方式被电子束30击中，并且液体4中存在的颗粒的图像被投影到荧光屏32上，使得模拟图像在那里可见，模拟图像也可以通过控制窗口28观察。
56.投射到荧光屏32上的图像由在当前情况下基本上由相机41构成的图像检测单元40检测，并且图像由此被数字化，随后被传输到评估单元50。
57.由相机41检测的图像的片段5作示例性示出，其中大量颗粒是可见的。特别地，四个预定颗粒42、42’、42”在那里示例性示出，它们仅部分地或隐蔽地可见。它们也可以被其它颗粒43、44覆盖。此外，预定颗粒的外部形象52作为比较图像6或作为预定颗粒的形态特性被存储在评估单元50或其数据存储器51中。借助图像处理，现在将图像的片段5中的颗粒与目标颗粒或预定颗粒的外部形象52进行比较。当与比较图像6的一致程度足够高时，则在片段5中将分别分析的颗粒识别为预定颗粒并进行计数。预定颗粒或病毒因此可以通过它们的外部形象或通过它们的外部形状与其它颗粒区分开来。例如，虽然颗粒43具有大致相同的大小，从而它在根据大小来判断时被错误地识别为病毒或预定颗粒，但它具有完全不同的轮廓或表面形状，因此它可以利用在此提出的设备被正确地分类为不是预定的颗粒或病毒。