Vilket utrymme som helst, stängd eller öppen, kan vara känsliga för spridning av skadliga luftburna biologiska agens. Tyst och nästan osynlig, dessa bioagenter kan göra sjuka eller döda levande varelser innan åtgärder kan vidtas för att mildra bioagenternas effekter. Platser där folkmassor samlas är de främsta målen för anfall i biokrigföring som skapats av terrorister, men vidder av åkrar eller skogar kan bli offer för en bioattack från luften. Tidig varning om misstänkta biologiska aerosoler kan påskynda korrigerande reaktioner på utsläpp av biologiska agens; ju tidigare städning och behandling börjar, desto bättre blir resultatet för de webbplatser och personer som berörs.

Forskare från MIT Lincoln Laboratory har utvecklat en mycket känslig och pålitlig trigger för den amerikanska militärens system för tidiga varning för biologiska krigföringsmedel.

"Triggern är nyckelmekanismen i ett detektionssystem eftersom dess kontinuerliga övervakning av den omgivande luften på en plats fångar upp närvaron av aerosoliserade partiklar som kan vara hotmedel, " säger Shane Tysk, huvudutredare av laboratoriets bioaerosolutlösare, Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD), och en medlem av den tekniska personalen i laboratoriets Advanced Materials and Microsystems Group.

Triggern uppmanar detektionssystemet att samla partikelprover och sedan initiera processen för att identifiera partiklar som potentiellt farliga bioagens. RAAD har visat på en betydande minskning av antalet falska positiva frekvenser samtidigt som det bibehåller detekteringsprestanda som matchar eller överträffar den för dagens bäst distribuerade system. Dessutom, Tidiga tester har visat att RAAD har avsevärt förbättrat tillförlitligheten jämfört med för närvarande utplacerade system.

RAAD-processen

RAAD bestämmer förekomsten av biologiska krigföringsmedel genom en flerstegsprocess. Först, aerosoler dras in i detektorn av det kombinerade organet av en aerosolcyklon som använder höghastighetsrotation för att plocka ut de små partiklarna, och en aerodynamisk lins som fokuserar partiklarna till en kondenserad (dvs. berikad) volym, eller stråla, av aerosol. Den aerodynamiska RAAD-linsen ger effektivare aerosolberikning än någon annan luft-till-luft-koncentrator.

Sedan, en nära-infraröd (NIR) laserdiod skapar en strukturerad triggerstråle som detekterar närvaron, storlek, och bana för en individuell aerosolpartikel. Om partikeln är tillräckligt stor för att negativt påverka andningsvägarna - ungefär 1 till 10 mikrometer - aktiveras en 266 nanometer ultravolet (UV) laser för att belysa partikeln, och multiband laserinducerad fluorescens samlas in.

Detekteringsprocessen fortsätter som ett inbäddat logiskt beslut, hänvisad till som "spektral trigger, " använder spridning från NIR-ljus och UV-fluorescensdata för att förutsäga om partikelns sammansättning verkar motsvara den hos ett hotliknande bioagens. "Om partikeln verkar hotliknande, sedan aktiveras gnistanducerad nedbrytningsspektroskopi för att förånga partikeln och samla in atomemission för att karakterisera partikelns elementära innehåll, säger Tysk.

Gnist-inducerad nedbrytningsspektroskopi är det sista mätsteget. Detta spektroskopisystem mäter grundämnesinnehållet i partikeln, och dess mätningar involverar att skapa ett högtemperaturplasma, förångar aerosolpartikeln, och mätning av atomemissionen från aerosolens termiskt exciterade tillstånd.

Mätstegen – strukturerad triggerstråle, UV-exciterad fluorescens, och gnistanducerad nedbrytningsspektroskopi – är integrerade i ett nivåsystem som ger sju mätningar på varje partikel av intresse. Av de hundratals partiklar som kommer in i mätprocessen varje sekund, en liten delmängd av partiklar väljs ned för mätning i alla tre stegen. RAAD-algoritmen söker i dataströmmen efter förändringar i partikeluppsättningens tidsmässiga och spektrala egenskaper. Om ett tillräckligt antal hotliknande partiklar hittas, RAAD larmar om att ett biologiskt aerosolhot föreligger.

RAAD designfördelar

"Eftersom RAAD är tänkt att fungera 24 timmar om dygnet, sju dagar i veckan under långa perioder, vi införlivade ett antal funktioner och tekniker för att förbättra systemets tillförlitlighet och göra RAAD lätt att underhålla, säger Brad Perkins, ytterligare en anställd i RAADs utvecklingsteam. Till exempel, Perkins fortsätter med att förklara, hela luftbehandlingsenheten är en modul som är monterad på utsidan av RAAD för att möjliggöra enkel service av de föremål som mest sannolikt behöver bytas ut, som filter, luft-till-luft-koncentratorn, och pumpar som slits ut vid användning.

För att förbättra detekteringens tillförlitlighet, RAAD-teamet valde att använda kolfiltrerade, HEPA-filtrerad, och avfuktad mantelluft och spolluft (komprimerad luft som trycker ut främmande gaser) runt de optiska komponenterna. Detta tillvägagångssätt säkerställer att föroreningar från utomhusluften inte avsätts på de optiska ytorna av RAAD, potentiellt orsaka minskad känslighet eller falsklarm.

RAAD har genomgått mer än 16, 000 timmars fälttester, under vilken den har visat en extremt låg falsklarmfrekvens som saknar motstycke för en biologisk trigger med så hög känslighetsnivå. "Det som skiljer RAAD från sina konkurrenter är antalet, mängd, och troheten hos de mätningar som gjorts på varje enskild aerosolpartikel, " säger Tysk. Dessa flera mätningar på individuella aerosolpartiklar när de strömmar genom systemet gör det möjligt för utlösaren att exakt särskilja biologiska krigföringsmedel från omgivande luft i snabb takt. Eftersom RAAD inte namnger det specifika bioagenset som detekteras, ytterligare laboratorietester av provet skulle behöva göras för att fastställa dess exakta identitet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.