Aerosol-Schnelldetektor für biologische Arbeitsstoffe

Jeder geschlossene oder offene Raum kann anfällig für die Ausbreitung schädlicher biologischer Stoffe in der Luft sein. Lautlos und nahezu unsichtbar können diese Bioagenten Lebewesen krank machen oder töten, bevor Schritte unternommen werden können, um ihre Auswirkungen zu mildern. Orte, an denen sich Menschenmengen versammeln, sind Hauptziele für von Terroristen geplante Biowaffenangriffe, aber ausgedehnte Felder oder Wälder könnten Opfer eines Bioangriffs aus der Luft werden.

Forscher haben den Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD) entwickelt, einen hochempfindlichen und zuverlässigen Auslöser für die

Frühwarnsystem des US-Militärs für biologische Kampfstoffe. Der Auslöser ist der Schlüsselmechanismus, da seine kontinuierliche Überwachung der Umgebungsluft an einem Ort das Vorhandensein von aerosolisierten Partikeln aufnimmt, die Bedrohungsstoffe sein können. Der Auslöser veranlasst das Erkennungssystem, Partikelproben zu sammeln und dann den Prozess einzuleiten, um Partikel als potenziell gefährliche Bioagenten zu identifizieren.

Das RAAD bestimmt das Vorhandensein von biologischen Kampfstoffen durch einen mehrstufigen Prozess. Zuerst werden Aerosole durch die kombinierte Wirkung eines Aerosolzyklons, der die kleinen Partikel mit Hochgeschwindigkeitsrotation herausfiltert, und einer aerodynamischen Linse, die die Partikel in ein verdichtetes (d. h. angereichertes) Volumen oder einen Strahl fokussiert, in den Detektor gezogen. von Aerosol. Dann erzeugt eine Nahinfrarot (NIR)-Laserdiode einen strukturierten Triggerstrahl, der das Vorhandensein, die Größe und die Flugbahn eines einzelnen Aerosolpartikels erkennt. Wenn das Partikel groß genug ist, um die Atemwege zu beeinträchtigen – etwa 1 bis 10 Mikrometer –, wird ein 266-Nanometer-Ultraviolett (UV)-Laser aktiviert, um das Partikel zu beleuchten, und es wird eine laserinduzierte Multiband-Fluoreszenz erfasst.

Der Erkennungsprozess wird als eingebettete logische Entscheidung fortgesetzt, die als „spektraler Trigger“ bezeichnet wird und die Streuung von NIR-Licht und UV-Fluoreszenzdaten verwendet, um vorherzusagen, ob die Zusammensetzung des Partikels der eines bedrohungsähnlichen Bioagens zu entsprechen scheint. Wenn das Partikel bedrohlich erscheint, wird die funkeninduzierte Zerfallsspektroskopie aktiviert, um das Partikel zu verdampfen und Atomemissionen zu sammeln, um den Elementgehalt des Partikels zu charakterisieren.

Die funkeninduzierte Durchschlagsspektroskopie ist die letzte Messstufe. Dieses Spektroskopiesystem misst den Elementgehalt des Partikels und seine Messungen umfassen die Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas, die Verdampfung des Aerosolpartikels und die Messung der Atomemission aus den thermisch angeregten Zuständen des Aerosols. Die Messstufen sind in ein abgestuftes System integriert, das sieben Messungen für jedes interessierende Partikel liefert. Von den Hunderten von Partikeln, die jede Sekunde in den Messprozess eintreten, wird eine kleine Teilmenge von Partikeln für die Messung in allen drei Phasen herunterselektiert. Der RAAD-Algorithmus durchsucht den Datenstrom nach Änderungen in den zeitlichen und spektralen Eigenschaften des Partikelsatzes. Wenn eine ausreichende Anzahl bedrohlicher Partikel gefunden wird, gibt das RAAD einen Alarm aus, dass eine biologische Aerosolgefahr vorliegt.

Um die Erkennungszuverlässigkeit zu verbessern, entschied sich das RAAD-Team für die Verwendung von kohlegefilterter, HEPA-gefilterter und entfeuchteter Hüllluft und Spülluft (Druckluft, die Fremdgase ausstößt) um die optischen Komponenten herum. Dieser Ansatz stellt sicher, dass sich keine Verunreinigungen aus der Außenluft auf den optischen Oberflächen des RAAD ablagern und möglicherweise zu Empfindlichkeitsminderungen oder Fehlalarmen führen.