Meget følsom trigger muliggør hurtig påvisning af biologiske agenser

Enhver plads, lukket eller åben, kan være sårbare over for spredning af skadelige luftbårne biologiske agenser. Stille og næsten usynlig, disse bioagenser kan syge eller dræbe levende ting, før der kan tages skridt til at afbøde bioagenternes virkninger. Spillesteder, hvor folkemængderne samles, er primære mål for biokrigsførelse, der er udviklet af terrorister, men vidder af marker eller skove kan blive udsat for et bioangreb fra luften. Tidlig advarsel om mistænkelige biologiske aerosoler kan fremskynde afhjælpende reaktioner på udslip af biologiske agenser; jo hurtigere begynder oprydning og behandling, jo bedre er resultatet for de berørte websteder og personer.

Forskere fra MIT Lincoln Laboratory har udviklet en meget følsom og pålidelig trigger til det amerikanske militærs tidlige varslingssystem for biologiske krigsførende stoffer.

"Triggeren er nøglemekanismen i et detektionssystem, fordi dets kontinuerlige overvågning af den omgivende luft på et sted opfanger tilstedeværelsen af ​​aerosoliserede partikler, der kan være trusselsmidler, " siger Shane Tysk, hovedforsker af laboratoriets bioaerosoludløser, Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD), og et medlem af det tekniske personale i laboratoriets Advanced Materials and Microsystems Group.

Triggeren anmoder detektionssystemet om at indsamle partikelprøver og derefter initiere processen for at identificere partikler som potentielt farlige bioagenser. RAAD har demonstreret en betydelig reduktion i falske positive rater, samtidig med at den opretholder detektionsydelse, der matcher eller overgår den for nutidens bedst installerede systemer. Derudover tidlige tests har vist, at RAAD har væsentligt forbedret pålidelighed sammenlignet med aktuelt installerede systemer.

RAAD proces

RAAD bestemmer tilstedeværelsen af ​​biologiske krigsførelsesmidler gennem en flertrinsproces. Først, aerosoler trækkes ind i detektoren af ​​det kombinerede organ af en aerosolcyklon, der bruger højhastighedsrotation til at fjerne de små partikler, og en aerodynamisk linse, der fokuserer partiklerne til en kondenseret (dvs. beriget) volumen, eller stråle, af aerosol. Den aerodynamiske RAAD-linse giver mere effektiv aerosolberigelse end nogen anden luft-til-luft-koncentrator.

Derefter, en nær-infrarød (NIR) laserdiode skaber en struktureret triggerstråle, der registrerer tilstedeværelsen, størrelse, og bane for en individuel aerosolpartikel. Hvis partiklen er stor nok til at påvirke luftvejene negativt - omkring 1 til 10 mikrometer - aktiveres en 266 nanometer ultravolet (UV) laser for at belyse partiklen, og multibånd laser-induceret fluorescens opsamles.

Detektionsprocessen fortsætter som en indlejret logisk beslutning, omtalt som "spektral trigger, " bruger spredning fra NIR-lys og UV-fluorescensdata til at forudsige, om partiklens sammensætning ser ud til at svare til den for et trussellignende biomiddel. "Hvis partiklen virker trusselslignende, derefter aktiveres gnistinduceret nedbrydningsspektroskopi for at fordampe partiklen og opsamle atomare emission for at karakterisere partiklens grundstofindhold, siger Tysk.

Gnist-induceret nedbrydningsspektroskopi er det sidste måletrin. Dette spektroskopisystem måler partiklernes grundstofindhold, og dets målinger involverer at skabe et højtemperaturplasma, fordampning af aerosolpartiklerne, og måling af atomemissionen fra aerosolens termisk exciterede tilstande.

Målestadierne - struktureret triggerstråle, UV-exciteret fluorescens, og gnistinduceret nedbrydningsspektroskopi - er integreret i et trindelt system, der giver syv målinger på hver partikel af interesse. Af de hundredvis af partikler, der kommer ind i måleprocessen hvert sekund, en lille delmængde af partikler nedvælges til måling i alle tre stadier. RAAD-algoritmen søger i datastrømmen for ændringer i partikelsættets tidsmæssige og spektrale karakteristika. Hvis der findes et tilstrækkeligt antal trussellignende partikler, RAAD afgiver en alarm om, at der er en biologisk aerosoltrussel.

RAAD design fordele

"Fordi RAAD er beregnet til at blive betjent 24 timer i døgnet, syv dage om ugen i lange perioder, vi inkorporerede en række funktioner og teknologier for at forbedre systemets pålidelighed og gøre RAAD let at vedligeholde, " siger Brad Perkins, en anden medarbejder på RAADs udviklingsteam. For eksempel, Perkins fortsætter med at forklare, hele luftbehandlingsenheden er et modul, der er monteret på ydersiden af ​​RAAD'en for at muliggøre nem servicering af de emner, der sandsynligvis skal udskiftes, såsom filtre, luft-til-luft koncentratoren, og pumper, der slides ved brug.

For at forbedre detektions pålidelighed, RAAD-teamet valgte at bruge kulfiltreret, HEPA-filtreret, og affugtet beklædningsluft og skylleluft (komprimeret luft, der skubber fremmede gasser ud) omkring de optiske komponenter. Denne tilgang sikrer, at forurenende stoffer fra udeluften ikke aflejres på de optiske overflader af RAAD, potentielt forårsage reduktioner i følsomhed eller falske alarmer.

RAAD har gennemgået mere end 16, 000 timers felttest, hvor den har demonstreret en ekstremt lav falsk-alarmrate, der er hidtil uset for en biologisk udløser med et så højt niveau af følsomhed. "Det, der adskiller RAAD fra sine konkurrenter, er antallet, bred vifte, og nøjagtigheden af ​​de målinger, der er foretaget på hver enkelt aerosolpartikel, " siger Tysk. Disse multiple målinger på individuelle aerosolpartikler, når de strømmer gennem systemet, gør det muligt for udløseren nøjagtigt at skelne biologiske krigsførende midler fra omgivende luft med høj hastighed. Fordi RAAD ikke navngiver det bestemte bioagens, der er fundet, yderligere laboratorietestning af prøven skal udføres for at bestemme dens nøjagtige identitet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.