[发明专利]用于空气质量监测的移动显微镜系统

说明书

一种用于监测空气质量的无透镜显微镜，包括外壳，该外壳包含真空泵，该真空泵被配置为将空气吸入冲击喷嘴。所述冲击喷嘴具有位于光学透明衬底附近的输出端，用于收集颗粒。一个或多个照明源设置在外壳中，并且被配置为照明光学透明衬底上收集的颗粒。图像传感器位于光学透明衬底附近，其中，所述图像传感器收集投射在图像传感器上的颗粒衍射图案或全息图像。至少一个处理器设置在外壳中，并控制真空泵和所述一个或多个照明源。图像文件传送到单独的计算装置，用于使用机器学习来进行图像处理，以识别颗粒并执行数据分析，以输出颗粒图像、颗粒大小、颗粒密度和/或颗粒类型数据。

相关申请

本申请要求2017年3月10日提交的美国临时专利申请号62/469,700的优先权，其全部内容通过引用结合于此。根据美国法典第35编第119节和任何其他适用的法规要求优先权。

关于联邦资助的研究和开发的声明

在由国家科学基金会授予的1533983的政府支持下完成这项发明。政府对这项发明具有一定的权利。

技术领域

技术领域总体上涉及空气质量监测装置。具体地，本发明的技术领域涉及用于特定物质(PM)的高通量定量的便携式无透镜显微镜系统。

背景技术

空气质量在工业化国家越来越受到关注。根据世界卫生组织(WHO)，中国、印度和巴基斯坦每年有200万人死于空气污染。此外，由于空气污染对健康的危害，估计全世界每年有700万人“过早死亡”。最近，中国北京和印度的一些城市发生了几起严重的污染霾事件，引起了全世界的关注。颗粒物质(PM)是空气中固体和液体颗粒的混合物，是空气污染的重要形式。PM源包括移动源和固定源。PM是由建筑工地、烟囱或火灾等源头的直接排放物产生的，或者是发电厂、工业生产和汽车排放的复杂化学反应的结果。直径一般为10μm或更小的PM称为PM10，会导致严重的健康问题。更小的PM尺寸类别PM2.5表示直径为2.5μm或更小的颗粒，可深入肺部，甚至进入血流，并已被WHO宣布为癌症的原因。此外，由于能见度降低(雾霾)，PM是一个主要的环境问题。PM也可能来自室内。室内PM可以通过烹饪、燃烧活动、计算机打印机和其他来源产生。根据空间和时间监测PM空气质量对于理解工业和其他污染产生活动的影响、研究大气模型以及为交通、居民和工业提供监管和咨询指南至关重要。

目前，在指定的空气采样站进行PM监测，这些采样站由美国环境保护局(EPA)或其他地方机构(例如，加州的南海岸空气管理区(SCAQMD))监管。其他国家和地区的类似机构监测PM水平。许多先进的自动平台使用β衰减监测(BAM)或锥形元件振荡微量天平(TEOM)仪器。BAM仪器在旋转过滤器上采样气溶胶。使用β颗粒源，测量过滤器上积累的气溶胶引起的β颗粒衰减。另一方面，基于TEOM的仪器在滤筒中捕获气溶胶，滤筒包含玻璃管尖端，玻璃管尖端根据捕获的气溶胶的质量以不同的频率振动。这些装置在高吞吐量下提供精确的PM测量。然而，这些仪器笨重(约为30kg)，相对昂贵(约为$50,000–100,000)，需要专业人员或技术人员进行定期系统维护，例如，每隔几周。由于这些限制，全世界只有大约10,000个这样的空气采样站。