Elke ruimte, gesloten of open, kunnen kwetsbaar zijn voor de verspreiding van schadelijke biologische agentia in de lucht. Stil en bijna onzichtbaar, deze bioagentia kunnen levende wezens ziek maken of doden voordat er stappen kunnen worden ondernomen om de effecten van de bioagentia te verminderen. Locaties waar menigten samenkomen, zijn de belangrijkste doelwitten voor biowarfare-aanvallen die zijn opgezet door terroristen, maar uitgestrekte velden of bossen kunnen het slachtoffer worden van een bioaanval vanuit de lucht. Vroegtijdige waarschuwing van verdachte biologische aërosolen kan de remediërende reacties op het vrijkomen van biologische agentia versnellen; hoe sneller de schoonmaak en de behandeling beginnen, hoe beter het resultaat voor de getroffen sites en mensen.

Onderzoekers van het MIT Lincoln Laboratory hebben een zeer gevoelige en betrouwbare trigger ontwikkeld voor het vroege waarschuwingssysteem van het Amerikaanse leger voor biologische oorlogsvoering.

"De trigger is het belangrijkste mechanisme in een detectiesysteem omdat de voortdurende bewaking van de omgevingslucht op een locatie de aanwezigheid van vernevelde deeltjes oppikt die mogelijk bedreigingen vormen, " zegt Shane Tysk, hoofdonderzoeker van de bioaerosoltrigger van het laboratorium, de Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD), en lid van de technische staf van de Advanced Materials and Microsystems Group van het laboratorium.

De trigger activeert het detectiesysteem om deeltjesspecimens te verzamelen en vervolgens het proces te starten om deeltjes te identificeren als potentieel gevaarlijke bioagentia. De RAAD heeft een significante vermindering van het aantal valse positieven aangetoond, terwijl de detectieprestaties gelijk zijn aan of beter zijn dan die van de best geïmplementeerde systemen van vandaag. Aanvullend, vroege tests hebben aangetoond dat de RAAD de betrouwbaarheid aanzienlijk heeft verbeterd in vergelijking met de momenteel gebruikte systemen.

RAAD-proces

De RAAD stelt de aanwezigheid van biologische strijdmiddelen vast via een meerstappenproces. Eerst, aërosolen worden in de detector getrokken door het gecombineerde optreden van een aërosolcycloon die hogesnelheidsrotatie gebruikt om de kleine deeltjes te verwijderen, en een aerodynamische lens die de deeltjes focust tot een gecondenseerde (d.w.z. verrijkt) volume, of straal, van aërosol. De aerodynamische lens van RAAD zorgt voor een efficiëntere aerosolverrijking dan welke andere lucht-luchtconcentrator dan ook.

Vervolgens, een nabij-infrarood (NIR) laserdiode creëert een gestructureerde triggerstraal die de aanwezigheid detecteert, maat, en traject van een individueel aërosoldeeltje. Als het deeltje groot genoeg is om de luchtwegen nadelig te beïnvloeden - ongeveer 1 tot 10 micrometer - wordt een 266 nanometer ultravolet (UV) laser geactiveerd om het deeltje te verlichten, en multiband laser-geïnduceerde fluorescentie wordt verzameld.

Het detectieproces gaat verder als een ingebedde logische beslissing, aangeduid als de "spectrale trigger, " gebruikt verstrooiing van het NIR-licht en UV-fluorescentiegegevens om te voorspellen of de samenstelling van het deeltje lijkt te corresponderen met die van een bedreigingachtig bio-agens. "Als het deeltje bedreigingachtig lijkt, dan wordt vonk-geïnduceerde afbraakspectroscopie mogelijk gemaakt om het deeltje te verdampen en atomaire emissie te verzamelen om de elementaire inhoud van het deeltje te karakteriseren, ' zegt Tijs.

Vonk-geïnduceerde doorslagspectroscopie is de laatste meetfase. Dit spectroscopiesysteem meet de elementaire inhoud van het deeltje, en de metingen ervan omvatten het creëren van een plasma op hoge temperatuur, het verdampen van het aerosoldeeltje, en het meten van de atomaire emissie van de thermisch aangeslagen toestanden van de aerosol.

De meetfasen—gestructureerde triggerstraal, UV-opgewekte fluorescentie, en vonk-geïnduceerde doorslagspectroscopie - zijn geïntegreerd in een gelaagd systeem dat zeven metingen op elk deeltje van belang levert. Van de honderden deeltjes die elke seconde het meetproces binnenkomen, een kleine subset van deeltjes wordt naar beneden geselecteerd voor meting in alle drie de fasen. Het RAAD-algoritme zoekt in de datastroom naar veranderingen in de temporele en spectrale kenmerken van de deeltjesset. Als er voldoende dreigingachtige deeltjes worden gevonden, de RAAD geeft een alarm af dat er sprake is van biologische aërosoldreiging.

Voordelen van RAAD-ontwerp:

"Omdat RAAD bedoeld is om 24 uur per dag in bedrijf te zijn, zeven dagen per week gedurende lange perioden, we hebben een aantal functies en technologieën ingebouwd om de betrouwbaarheid van het systeem te verbeteren en de RAAD gemakkelijk te onderhouden te maken, " zegt Brad Perkins, een andere medewerker van het RAAD-ontwikkelteam. Bijvoorbeeld, Perkins legt uit, de gehele luchtbehandelingsunit is een module die aan de buitenkant van de RAAD is gemonteerd om gemakkelijk onderhoud mogelijk te maken van de items die waarschijnlijk moeten worden vervangen, zoals filters, de lucht-luchtconcentrator, en pompen die slijten door gebruik.

Om de detectiebetrouwbaarheid te verbeteren, het RAAD-team koos ervoor om koolstofgefilterde, HEPA-gefilterd, en ontvochtigde omhullende lucht en spoellucht (perslucht die vreemde gassen naar buiten duwt) rond de optische componenten. Deze aanpak zorgt ervoor dat verontreinigingen uit de buitenlucht zich niet afzetten op de optische oppervlakken van de RAAD, mogelijk leiden tot vermindering van de gevoeligheid of valse alarmen.

De RAAD heeft meer dan 16 ondergaan, 000 uur praktijktesten, waarbij het een extreem laag percentage valse alarmen heeft laten zien dat ongekend is voor een biologische trigger met zo'n hoog niveau van gevoeligheid. "Wat RAAD onderscheidt van zijn concurrenten is het aantal, verscheidenheid, en getrouwheid van de metingen die op elk afzonderlijk aerosoldeeltje zijn gedaan, ", zegt Tysk. Deze meerdere metingen aan individuele aerosoldeeltjes terwijl ze door het systeem stromen, stellen de trigger in staat om biologische oorlogsvoeringsmiddelen in een snel tempo nauwkeurig te onderscheiden van de omgevingslucht. Omdat RAAD de specifieke gedetecteerde bioagent niet noemt, verder laboratoriumonderzoek van het monster zou moeten worden gedaan om de exacte identiteit te bepalen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.