Detector Rápido de Aerossol de Agentes (RAAD): Detecção Rápida e Sensível de Bioagentes para Segurança Pública

Qualquer espaço, fechado ou aberto, pode ser vulnerável à dispersão de agentes biológicos nocivos transportados pelo ar. Silenciosos e quase invisíveis, esses bioagentes podem adoecer ou matar seres vivos antes que medidas possam ser tomadas para mitigar seus efeitos. Locais onde multidões se reúnem são alvos principais para ataques de bioguerra projetados por terroristas, mas extensões de campos ou florestas poderiam ser vitimadas por um bioataque aéreo.

Pesquisadores desenvolveram o Detector Rápido de Aerossol de Agentes (RAAD), um gatilho altamente sensível e confiável para o

sistema de alerta precoce dos militares dos EUA para agentes de guerra biológica. O gatilho é o mecanismo chave porque seu monitoramento contínuo do ar ambiente em um local capta a presença de partículas aerossolizadas que podem ser agentes de ameaça. O gatilho aciona o sistema de detecção para coletar espécimes de partículas e então iniciar o processo para identificar partículas como bioagentes potencialmente perigosos.

O RAAD determina a presença de agentes de guerra biológica através de um processo de múltiplas etapas. Primeiro, aerossóis são puxados para o detector pela ação combinada de um ciclone de aerossol que usa rotação de alta velocidade para separar as partículas pequenas, e uma lente aerodinâmica que foca as partículas em um volume condensado (ou seja, enriquecido), ou feixe, de aerossol. Então, um diodo laser de infravermelho próximo (NIR) cria um feixe de gatilho estruturado que detecta a presença, tamanho e trajetória de uma partícula de aerossol individual. Se a partícula for grande o suficiente para afetar adversamente o trato respiratório — aproximadamente 1 a 10 micrômetros — um laser ultravioleta (UV) de 266 nanômetros é ativado para iluminar a partícula e fluorescência induzida por laser multibanda é coletada.

O processo de detecção continua como uma decisão lógica embutida, referida como "gatilho espectral", usa espalhamento da luz NIR e dados de fluorescência UV para prever se a composição da partícula parece corresponder à de um bioagente tipo ameaça. Se a partícula parece ameaçadora, então a espectroscopia de quebra induzida por faísca é habilitada para vaporizar a partícula e coletar emissão atômica para caracterizar o conteúdo elementar da partícula.

A espectroscopia de quebra induzida por faísca é o último estágio de medição. Este sistema de espectroscopia mede o conteúdo elementar da partícula e suas medições envolvem criar um plasma de alta temperatura, vaporizar a partícula de aerossol e medir a emissão atômica dos estados termicamente excitados do aerossol. Os estágios de medição são integrados em um sistema em camadas que fornece sete medições em cada partícula de interesse. Das centenas de partículas entrando no processo de medição a cada segundo, um pequeno subconjunto de partículas é selecionado para medição em todos os três estágios. O algoritmo RAAD busca no fluxo de dados por mudanças nas características temporais e espectrais do conjunto de partículas. Se um número suficiente de partículas tipo ameaça for encontrado, o RAAD emite um alarme de que uma ameaça de aerossol biológico está presente.

Para melhorar a confiabilidade da detecção, a equipe RAAD escolheu usar ar de revestimento e purga filtrado por carbono, filtrado HEPA e desumidificado (ar comprimido que empurra gases estranhos) ao redor dos componentes ópticos. Esta abordagem garante que contaminantes do ar externo não se depositem nas superfícies ópticas do RAAD, potencialmente causando reduções na sensibilidade ou falsos alarmes.