RAAD: Быстрый, чувствительный детектор биологических аэрозолей для общественной безопасности

Любое пространство, закрытое или открытое, может быть уязвимо для рассеивания вредных воздушно-переносимых биологических агентов. Беззвучные и почти невидимые, эти биологические агенты могут заразить или убить живые существа до того, как можно принять меры по смягчению их эффектов. Места, где собираются толпы, — главные цели для биологических атак, спроектированных террористами, но пространства полей или лесов могут стать жертвами воздушной биоатаки.

Исследователи разработали Быстрый детектор аэрозольных агентов (RAAD), высокочувствительный и надежный триггер для

системы раннего предупреждения США по биологическим боевых агентам. Триггер — ключевой механизм, потому что его непрерывный мониторинг окружающего воздуха в локации улавливает присутствие аэрозолизированных частиц, которые могут быть угрожающими агентами. Триггер дает сигнал системе детекции собирать образцы частиц и затем инициировать процесс идентификации частиц как потенциально опасных биологических агентов.

RAAD определяет присутствие биологических боевых агентов через многоступенчатый процесс. Во-первых, аэрозоли втягиваются в детектор комбинированным действием аэрозольного циклона, использующего высокоскоростное вращение для отсева малых частиц, и аэродинамической линзы, фокусирующей частицы в конденсированный (то есть обогащенный) объем, или пучок, аэрозоля. Затем ближний инфракрасный (NIR) лазерный диод создает структурированный триггерный луч, обнаруживающий присутствие, размер и траекторию отдельной аэрозольной частицы. Если частица достаточно велика, чтобы неблагоприятно воздействовать на дыхательный тракт — примерно 1–10 микрометров — активируется 266-нм ультрафиолетовый (UV) лазер для освещения частицы и сбора многочастотной лазерно-индуцированной флуоресценции.

Процесс детекции продолжается как встроенное логическое решение, называемое «спектральный триггер», использующее рассеяние NIR света и UV флуоресценции для предсказания, соответствует ли состав частицы угрожающему биологическому агенту. Если частица кажется угрожающей, то включается искровая индуцированная распадная спектроскопия для испарения частицы и сбора атомной эмиссии для характеристики элементного содержания частицы.

Искровая индуцированная распадная спектроскопия — финальная стадия измерения. Эта спектроскопическая система измеряет элементное содержание частицы и её измерения включают создание высокотемпературной плазмы, испарение аэрозольной частицы и измерение атомной эмиссии от термически возбужденных состояний аэрозоля. Стадии измерения интегрированы в ступенчатую систему, предоставляющую семь измерений на каждую частицу интереса. Из сотен частиц, входящих в процесс измерения каждую секунду, небольшое подмножество частиц отбирается для измерения на всех трех стадиях. Алгоритм RAAD ищет в потоке данных изменения во временных и спектральных характеристиках набора частиц. Если найдено достаточное количество угрожающих частиц, RAAD выдает тревогу о присутствии биологической аэрозольной угрозы.

Для повышения надежности детекции команда RAAD выбрала использование углерод-фильтрованного, HEPA-фильтрованного и осушенного обдувного воздуха и пержового воздуха (сжатого воздуха, выталкивающего посторонние газы) вокруг оптических компонентов. Этот подход гарантирует, что загрязнения из внешнего воздуха не оседают на оптических поверхностях RAAD, потенциально вызывая снижение чувствительности или ложные тревоги.