Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD): Schnelle, empfindliche Bioagenten-Detektion für öffentliche Sicherheit

Jeder Raum, geschlossen oder offen, kann anfällig für die Verbreitung schädlicher luftgetragener biologischer Agenten sein. Lautlos und nahezu unsichtbar können diese Bioagenten Lebewesen krank machen oder töten, bevor Maßnahmen zu ihrer Eindämmung ergriffen werden können. Veranstaltungsorte, an denen Menschenmengen zusammenkommen, sind Hauptziele für Biowaffenangriffe, die von Terroristen inszeniert werden, aber auch weite Felder oder Wälder könnten Opfer eines Luft-Bioangriffs werden.

Forscher haben den Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD) entwickelt, einen hochsensitiven und zuverlässigen Auslöser für das Frühwarnsystem des US-Militärs für biologische Kriegsagents. Der Auslöser ist der Schlüsselmechanismus, da seine kontinuierliche Überwachung der Umgebungsluft an einem Ort das Vorhandensein von aerosolierten Partikeln erfasst, die Bedrohungsagenten sein könnten. Der Auslöser veranlasst das Detektionssystem, Partikelproben zu sammeln und dann den Prozess zur Identifizierung von Partikeln als potenziell gefährliche Bioagenten einzuleiten.

Der RAAD bestimmt das Vorhandensein biologischer Kriegsagents durch einen mehrstufigen Prozess. Zuerst werden Aerosole durch die kombinierte Wirkung eines Aerosolzyklons, der Hochgeschwindigkeitsrotation nutzt, um kleine Partikel auszusortieren, und einer aerodynamischen Linse, die die Partikel in ein kondensiertes (d.h. angereichertes) Volumen oder einen Strahl von Aerosol fokussiert, in den Detektor gezogen. Dann erzeugt eine Nahinfrarot (NIR) Laserdiode einen strukturierten Auslöserstrahl, der das Vorhandensein, die Größe und die Flugbahn eines einzelnen Aerosolpartikels detektiert. Wenn das Partikel groß genug ist, um die Atemwege nachteilig zu beeinflussen – ungefähr 1 bis 10 Mikrometer – wird ein 266-Nanometer-Ultraviolett (UV) Laser aktiviert, um das Partikel zu beleuchten und multiband Laser-induzierte Fluoreszenz wird gesammelt.

Der Detektionsprozess setzt sich fort als eine eingebettete Logikentscheidung, bezeichnet als „spektraler Auslöser“, nutzt Streuung vom NIR-Licht und UV-Fluoreszenzdaten, um vorherzusagen, ob die Zusammensetzung des Partikels der eines bedrohungsähnlichen Bioagents zu entsprechen scheint. Wenn das Partikel bedrohlich erscheint, wird dann funkengezündete Aufbruchsspektroskopie aktiviert, um das Partikel zu verdampfen und atomare Emission zu sammeln, um den elementaren Gehalt des Partikels zu charakterisieren.

Funkengezündete Aufbruchsspektroskopie ist die letzte Messstufe. Dieses Spektroskopiesystem misst den elementaren Gehalt des Partikels und seine Messungen beinhalten die Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas, das Verdampfen des Aerosolpartikels und die Messung der atomaren Emission aus den thermisch angeregten Zuständen des Aerosols. Die Messstufen sind in ein gestuftes System integriert, das sieben Messungen an jedem interessanten Partikel liefert. Von den hunderten Partikeln, die jede Sekunde in den Messprozess eintreten, wird eine kleine Teilmenge für Messungen in allen drei Stufen ausgewählt. Der RAAD-Algorithmus durchsucht den Datenstrom nach Änderungen in den zeitlichen und spektralen Eigenschaften des Partikelsatzes. Wenn eine ausreichende Anzahl bedrohungsähnlicher Partikel gefunden wird, gibt der RAAD einen Alarm aus, dass eine biologische Aerosolbedrohung vorhanden ist.

Um die Detektionszuverlässigkeit zu verbessern, entschied sich das RAAD-Team für die Verwendung von kohlenstoffgefilterter, HEPA-gefilterter und entfeuchteter Umhüllungsluft und Spülluft (Druckluft, die fremde Gase herausdrückt) um die optischen Komponenten. Dieser Ansatz stellt sicher, dass Verunreinigungen aus der Außenluft sich nicht auf den optischen Oberflächen des RAAD ablagern, was potenziell Empfindlichkeitsverluste oder Fehlalarme verursachen könnte.