MIT-Schnell-Agent-Aerosol-Detektor: Hochempfindlicher Auslöser ermöglicht die schnelle Detektion biologischer Kampfstoffe.

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Der am Lincoln Laboratory entwickelte Schnellwirkstoff-Aerosoldetektor hat eine ausgezeichnete Genauigkeit bei der Identifizierung toxischer biologischer Partikel in der Luft gezeigt.

Jeder Raum, ob geschlossen oder offen, kann anfällig für die Verbreitung schädlicher, in der Luft schwebender biologischer Stoffe sein. Diese Bioagenten sind geräuschlos und fast unsichtbar und können Lebewesen krank machen oder töten, bevor Schritte unternommen werden können, um die Auswirkungen der Bioagenten zu mildern. Orte, an denen sich Menschenmassen versammeln, sind Hauptziele für von Terroristen geplante Biokriegsschläge, aber weite Felder oder Wälder könnten Opfer eines Bioangriffs aus der Luft werden. Eine frühzeitige Warnung vor verdächtigen biologischen Aerosolen kann die Abhilfemaßnahmen bei Freisetzungen biologischer Kampfstoffe beschleunigen; je früher mit der Säuberung und Behandlung begonnen wird, desto besser ist das Ergebnis für die betroffenen Standorte und Menschen.

Forscher des MIT-Lincoln-Labors haben einen hochempfindlichen und zuverlässigen Auslöser für das Frühwarnsystem des US-Militärs für biologische Kampfstoffe entwickelt.

“Der Auslöser ist der Schlüsselmechanismus in einem Detektionssystem, weil seine kontinuierliche Überwachung der Umgebungsluft an einem Ort das Vorhandensein von aerosolisierten Partikeln aufspürt, die Bedrohungsstoffe sein könnten”, sagt Shane Tysk, Hauptermittler des Laboratoriums für den Bioaerosol-Auslöser, den Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD), und Mitglied des technischen Personals in der Gruppe für fortgeschrittene Materialien und Mikrosysteme des Labors.

Der Auslöser veranlasst das Detektionssystem, Partikelproben zu sammeln und dann den Prozess zur Identifizierung von Partikeln als potenziell gefährliche Bioagenten einzuleiten. Das RAAD hat eine signifikante Reduzierung der falsch-positiven Raten bei gleichzeitiger Beibehaltung einer Detektionsleistung gezeigt, die der der besten heute eingesetzten Systeme entspricht oder diese sogar übertrifft. Darüber hinaus haben frühe Tests gezeigt, dass das RAAD im Vergleich zu derzeit eingesetzten Systemen eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit aufweist.

RAAD-Verfahren

Das RAAD stellt das Vorhandensein biologischer Kampfstoffe durch einen mehrstufigen Prozess fest. Zunächst werden die Aerosole durch die kombinierte Wirkung eines Aerosolzyklons, der die kleinen Partikel durch Hochgeschwindigkeitsrotation aussortiert, und einer aerodynamischen Linse, die die Partikel in ein kondensiertes (d.h. angereichertes) Volumen oder einen Strahl von Aerosol fokussiert, in den Detektor gezogen. Die aerodynamische Linse des RAAD bietet eine effizientere Aerosolanreicherung als jeder andere Luft-Luft-Konzentrator.

Dann erzeugt eine Nahinfrarot-Laserdiode (NIR) einen strukturierten Triggerstrahl, der die Anwesenheit, Größe und Flugbahn eines einzelnen Aerosolpartikels erfasst. Wenn das Partikel groß genug ist, um die Atemwege nachteilig zu beeinflussen – etwa 1 bis 10 Mikrometer – wird ein 266-Nanometer-Ultraviolettlaser (UV-Laser) aktiviert, um das Partikel zu beleuchten, und die laserinduzierte Mehrbandfluoreszenz wird gesammelt.

Der Detektionsprozess setzt sich als eine eingebettete logische Entscheidung fort, die als “spektraler Trigger” bezeichnet wird und die Streuung des NIR-Lichts und der UV-Fluoreszenzdaten nutzt, um vorherzusagen, ob die Zusammensetzung des Partikels der eines bedrohlichen Bioagens zu entsprechen scheint. “Wenn das Partikel bedrohlich zu sein scheint, dann wird die funkeninduzierte Aufschlussspektroskopie eingesetzt, um das Partikel zu verdampfen und die atomare Emission zu erfassen, um den Elementargehalt des Partikels zu charakterisieren”, sagt Tysk.

Die funkeninduzierte Aufschlussspektroskopie ist die letzte Messstufe. Dieses Spektroskopiesystem misst den Elementargehalt des Partikels, und die Messungen umfassen die Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas, das Verdampfen des Aerosolpartikels und die Messung der atomaren Emission aus den thermisch angeregten Zuständen des Aerosols.

Die Messstufen – strukturierter Triggerstrahl, UV-angeregte Fluoreszenz und funkeninduzierte Aufschlussspektroskopie – sind in ein abgestuftes System integriert, das sieben Messungen an jedem interessierenden Partikel ermöglicht. Von den Hunderten von Partikeln, die jede Sekunde in den Messprozess eintreten, wird eine kleine Teilmenge von Partikeln für die Messung in allen drei Stufen herunterselektiert. 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 das RAAD einen Alarm aus, dass eine biologische Aerosolbedrohung vorliegt.

Vorteile des RAAD-Designs

“Da das RAAD über lange Zeiträume 24 Stunden am Tag und sieben Tage in der Woche betrieben werden soll, haben wir eine Reihe von Funktionen und Technologien integriert, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern und das RAAD einfach zu warten”, sagt Brad Perkins, ein weiterer Mitarbeiter des RAAD-Entwicklungsteams. Zum Beispiel, so Perkins weiter, ist die gesamte Luftaufbereitungseinheit ein Modul, das an der Außenseite des RAAD montiert ist, um eine einfache Wartung der Elemente zu ermöglichen, die am ehesten ausgetauscht werden müssen, wie z.B. Filter, der Luft-Luft-Konzentrator und Pumpen, die sich durch den Gebrauch abnutzen.

Um die Detektionszuverlässigkeit zu verbessern, entschied sich das RAAD-Team für die Verwendung von kohlenstoffgefilterter, HEPA-gefilterter und entfeuchteter Ummantelungsluft und Spülluft (Druckluft, die Fremdgase ausstößt) um die optischen Komponenten. Dieser Ansatz stellt sicher, dass Verunreinigungen aus dem

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