Qualsiasi spazio, chiuso o aperto, può essere vulnerabile alla dispersione di agenti biologici nocivi nell'aria. Silenzioso e quasi invisibile, questi bioagenti possono ammalare o uccidere gli esseri viventi prima che si possano adottare misure per mitigare gli effetti dei bioagenti. I luoghi in cui le folle si radunano sono i bersagli principali per gli attacchi di guerra biologica progettati dai terroristi, ma distese di campi o foreste potrebbero essere vittime di un bioattacco aereo. L'avvertimento tempestivo di aerosol biologici sospetti può accelerare le risposte correttive ai rilasci di agenti biologici; prima iniziano la pulizia e il trattamento, migliore è il risultato per i siti e le persone interessate.

I ricercatori del MIT Lincoln Laboratory hanno sviluppato un innesco altamente sensibile e affidabile per il sistema di allarme rapido dell'esercito americano per gli agenti di guerra biologica.

"Il grilletto è il meccanismo chiave in un sistema di rilevamento perché il suo monitoraggio continuo dell'aria ambiente in un luogo rileva la presenza di particelle aerosolizzate che possono essere agenti di minaccia, "dice Shane Tysk, ricercatore principale dell'innesco del bioaerosol del laboratorio, il rilevatore di aerosol ad agente rapido (RAAD), e un membro dello staff tecnico nel gruppo Advanced Materials and Microsystems del laboratorio.

Il trigger induce il sistema di rilevamento a raccogliere campioni di particelle e quindi ad avviare il processo per identificare le particelle come bioagenti potenzialmente pericolosi. Il RAAD ha dimostrato una significativa riduzione dei tassi di falsi positivi, pur mantenendo prestazioni di rilevamento che corrispondono o superano quelle dei migliori sistemi di oggi. Inoltre, i primi test hanno dimostrato che il RAAD ha notevolmente migliorato l'affidabilità rispetto ai sistemi attualmente implementati.

Processo RAAD

Il RAAD determina la presenza di agenti di guerra biologica attraverso un processo a più fasi. Primo, gli aerosol vengono trascinati nel rivelatore dall'azione combinata di un ciclone di aerosol che utilizza una rotazione ad alta velocità per eliminare le piccole particelle, e una lente aerodinamica che focalizza le particelle in un condensato (cioè, arricchito) volume, o raggio, di aerosol. La lente aerodinamica RAAD fornisce un arricchimento dell'aerosol più efficiente rispetto a qualsiasi altro concentratore aria-aria.

Quindi, un diodo laser nel vicino infrarosso (NIR) crea un raggio di innesco strutturato che rileva la presenza, dimensione, e la traiettoria di una singola particella di aerosol. Se la particella è abbastanza grande da influenzare negativamente il tratto respiratorio, da 1 a 10 micrometri circa, viene attivato un laser ultravolet (UV) da 266 nanometri per illuminare la particella, e viene raccolta la fluorescenza indotta da laser multibanda.

Il processo di rilevamento continua come una decisione logica incorporata, indicato come "trigger spettrale, " utilizza la diffusione dalla luce NIR e i dati di fluorescenza UV per prevedere se la composizione della particella sembra corrispondere a quella di un bioagente simile a una minaccia. "Se la particella sembra simile a una minaccia, quindi la spettroscopia di rottura indotta da scintilla è in grado di vaporizzare la particella e raccogliere l'emissione atomica per caratterizzare il contenuto elementare della particella, "dice Tysk.

La spettroscopia di rottura indotta da scintille è l'ultima fase di misurazione. Questo sistema di spettroscopia misura il contenuto elementare della particella, e le sue misurazioni comportano la creazione di un plasma ad alta temperatura, vaporizzare la particella di aerosol, e misurare l'emissione atomica dagli stati termicamente eccitati dell'aerosol.

Le fasi di misurazione:fascio di attivazione strutturato, fluorescenza eccitata dai raggi UV, e la spettroscopia di rottura indotta da scintilla, sono integrati in un sistema a più livelli che fornisce sette misurazioni su ciascuna particella di interesse. Delle centinaia di particelle che entrano nel processo di misurazione ogni secondo, un piccolo sottoinsieme di particelle viene selezionato per la misurazione in tutte e tre le fasi. L'algoritmo RAAD ricerca nel flusso di dati i cambiamenti nelle caratteristiche temporali e spettrali dell'insieme di particelle. Se viene trovato un numero sufficiente di particelle simili a minacce, il RAAD emette un allarme che è presente una minaccia di aerosol biologico.

Vantaggi del design RAAD

"Poiché RAAD è destinato a funzionare 24 ore al giorno, sette giorni su sette per lunghi periodi, abbiamo incorporato una serie di funzionalità e tecnologie per migliorare l'affidabilità del sistema e rendere il RAAD di facile manutenzione, "dice Brad Perkins, un altro membro dello staff del team di sviluppo RAAD. Per esempio, Perkins continua a spiegare, l'intera unità di trattamento dell'aria è un modulo montato all'esterno del RAAD per consentire una facile manutenzione degli articoli che più probabilmente necessitano di sostituzione, come filtri, il concentratore aria-aria, e pompe che si consumano con l'uso.

Per migliorare l'affidabilità del rilevamento, il team RAAD ha scelto di utilizzare filtri a carbone, con filtro HEPA, e aria di guaina deumidificata e aria di spurgo (aria compressa che espelle i gas estranei) attorno ai componenti ottici. Questo approccio garantisce che i contaminanti dall'aria esterna non si depositino sulle superfici ottiche del RAAD, potenzialmente causando riduzioni della sensibilità o falsi allarmi.

Il RAAD ha subito più di 16, 000 ore di prove sul campo, durante il quale ha dimostrato un tasso di falsi allarmi estremamente basso, senza precedenti per un trigger biologico con un livello di sensibilità così elevato. "Ciò che distingue RAAD dai suoi concorrenti è il numero, varietà, e fedeltà delle misurazioni effettuate su ogni singola particella di aerosol, " Dice Tysk. Queste misurazioni multiple su singole particelle di aerosol mentre fluiscono attraverso il sistema consentono al grilletto di discriminare con precisione gli agenti di guerra biologica dall'aria ambiente a un ritmo rapido. Poiché RAAD non nomina il particolare bioagente rilevato, sarebbero stati necessari ulteriori test di laboratorio sul campione per determinarne l'esatta identità.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.