高度灵敏的触发器可快速检测生物制剂

任何封闭或开放的空间都可能容易扩散有害的空气传播生物制剂。这些生物活性剂无声且几乎不可见,可在采取措施减轻生物活性剂的影响之前使人恶心或杀死生物。人群聚集的场所是恐怖分子策划的生物战袭击的主要目标,但广阔的田野或森林可能会受到空中生物攻击的伤害。对可疑生物气溶胶的早期预警可以加快对生物制剂释放的补救反应;越早开始清理和处理,对受影响的地点和人员的效果越好。

麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经为美国军方生物战剂预警系统开发了一种高度灵敏且可靠的触发器。

实验室生物气溶胶触发器Rapid的首席研究员Shane Tysk说:“触发器是检测系统中的关键机制,因为它可以持续监控某个地点的周围空气,从而发现可能是威胁因素的气溶胶颗粒。”特工气溶胶检测器(RAAD),以及实验室技术人员 先进材料与微系统小组.

触发器提示检测系统收集颗粒标本,然后启动该过程以将颗粒识别为潜在危险的生物制剂。 RAAD证明了假阳性率的显着降低,同时保持了与当今最佳部署系统相匹配或超越的检测性能。此外,早期测试表明,与当前部署的系统相比,RAAD大大提高了可靠性。

RAAD流程

RAAD通过多步过程确定生物战剂的存在。首先,通过高速旋转以清除小颗粒的气溶胶旋风分离器和将颗粒聚焦成浓缩(即富集)体积或射束的空气动力学透镜的组合机构将气溶胶吸入检测器,气雾剂RAAD空气动力学透镜比任何其他空气对空气浓缩器都能提供更有效的气溶胶富集。

然后,近红外(NIR)激光二极管产生结构化的触发光束,该光束检测单个气溶胶颗粒的存在,大小和轨迹。如果粒子大到足以对呼吸道产生不利影响(大约1到10微米),则会激活266纳米的紫外线(UV)激光来照射粒子,并收集多波段激光诱导的荧光。

作为一种嵌入式逻辑决策(称为“光谱触发”),检测过程继续进行,该决策使用来自NIR光和UV荧光数据的散射来预测粒子的组成是否看起来像威胁生物试剂的组成。泰斯克说:“如果粒子看起来像威胁一样,则可以使用火花感应击穿光谱法使粒子汽化并收集原子发射来表征粒子的元素含量。”

火花感应击穿光谱仪是最后的测量阶段。该光谱系统测量颗粒的元素含量,其测量包括产生高温等离子体,气溶胶颗粒汽化以及测量来自气溶胶热激发态的原子发射。

测量阶段-结构化的触发光束,紫外线激发的荧光和火花诱导的击穿光谱-被集成到一个分层系统中,该系统对每个感兴趣的粒子提供七次测量。每秒进入测量过程的数百个粒子中,在所有三个阶段中,一小部分粒子被向下选择进行测量。 RAAD算法在数据流中搜索粒子集的时间和光谱特征的变化。如果找到足够数量的类似威胁的颗粒,则RAAD发出警报,表明存在生物气溶胶威胁。

RAAD设计优势

“由于RAAD计划每周7天,每天24小时长期运行,因此我们采用了许多功能和技术来提高系统可靠性,并使RAAD易于维护。” RAAD开发团队。例如,Perkins继续说明,整个空气处理单元是一个模块,安装在RAAD的外部,以方便维修最可能需要更换的物品,例如过滤器,空气浓缩器和使用时会磨损的泵。

为了提高检测的可靠性,RAAD团队选择在光学组件周围使用经过碳过滤,HEPA过滤和除湿的护套空气,并使用吹扫空气(排出外部气体的压缩空气)。这种方法可确保来自外部空气的污染物不会沉积到RAAD的光学表面上,从而可能导致灵敏度降低或误报。

RAAD已经进行了超过16,000小时的现场测试,在此期间,它已经证明了极低的虚假报警率,这对于具有如此高灵敏度的生物触发来说是空前的。泰斯克说:“使RAAD在竞争者中脱颖而出的是对每个气溶胶颗粒进行测量的数量,种类和保真度。”当单个气溶胶颗粒流过系统时,对它们进行了多次测量,从而使扳机能够快速准确地将生物战剂与周围空气区分开。由于RAAD并未提供检测到的特定生物制剂的名称,因此必须对样本进行进一步的实验室测试以确定其确切身份。

RAAD是在美国国防部减少威胁机构和CBRN国防联合计划执行办公室的赞助下开发的。该技术目前正在从林肯实验室过渡到化学传感器和电子系统的生产。



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