Le détecteur d'aérosol à agent rapide a été photographié avec une règle de 12 pouces pour illustrer l'échelle. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
N'importe quel espace, fermé ou ouvert, peuvent être vulnérables à la dispersion d'agents biologiques nocifs en suspension dans l'air. Silencieux et presque invisible, ces bioagents peuvent rendre malades ou tuer les êtres vivants avant que des mesures ne soient prises pour atténuer les effets des bioagents. Les lieux où les foules se rassemblent sont des cibles de choix pour les frappes de guerre biologique conçues par des terroristes, mais des étendues de champs ou de forêts pourraient être victimes d'une bioattaque aérienne. L'alerte précoce des aérosols biologiques suspects peut accélérer les réponses correctives aux rejets d'agents biologiques; plus tôt le nettoyage et le traitement commencent, meilleur sera le résultat pour les sites et les personnes affectées.
Les chercheurs du MIT Lincoln Laboratory ont développé un déclencheur très sensible et fiable pour le système d'alerte précoce de l'armée américaine pour les agents de guerre biologique.
"Le déclencheur est le mécanisme clé d'un système de détection car sa surveillance continue de l'air ambiant dans un endroit détecte la présence de particules en aérosol qui peuvent être des agents de menace, " dit Shane Tysk, chercheur principal du déclencheur bioaérosol du laboratoire, le Détecteur d'Aérosol à Agent Rapide (RAAD), et membre du personnel technique du groupe Matériaux et microsystèmes avancés du laboratoire.
Le déclencheur indique au système de détection de collecter des échantillons de particules, puis de lancer le processus d'identification des particules en tant que bioagents potentiellement dangereux. Le RAAD a démontré une réduction significative des taux de faux positifs tout en maintenant des performances de détection qui correspondent ou dépassent celles des meilleurs systèmes déployés d'aujourd'hui. En outre, les premiers tests ont montré que le RAAD a considérablement amélioré la fiabilité par rapport aux systèmes actuellement déployés.
Processus RAAD
Le RAAD détermine la présence d'agents de guerre biologique par le biais d'un processus en plusieurs étapes. D'abord, les aérosols sont attirés dans le détecteur par l'agence combinée d'un cyclone d'aérosol qui utilise une rotation à grande vitesse pour éliminer les petites particules, et une lentille aérodynamique qui concentre les particules dans un condensé (c'est-à-dire, enrichi) volume, ou poutre, d'aérosol. La lentille aérodynamique RAAD fournit un enrichissement en aérosol plus efficace que tout autre concentrateur air-air.
Puis, une diode laser proche infrarouge (NIR) crée un faisceau de déclenchement structuré qui détecte la présence, Taille, et la trajectoire d'une particule d'aérosol individuelle. Si la particule est suffisamment grosse pour affecter négativement les voies respiratoires (environ 1 à 10 micromètres), un laser ultravolet (UV) de 266 nanomètres est activé pour illuminer la particule, et la fluorescence induite par laser multibande est collectée.
Cette illustration du système RAAD montre ses différents modules qui sont montés à la périphérie du système pour un accès facile pour la maintenance ou le remplacement. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Le processus de détection se poursuit comme une décision logique embarquée, appelé "déclencheur spectral, " utilise la diffusion de la lumière NIR et des données de fluorescence UV pour prédire si la composition de la particule semble correspondre à celle d'un bioagent semblable à une menace. " Si la particule semble semblable à une menace, puis la spectroscopie de rupture induite par étincelle est activée pour vaporiser la particule et collecter l'émission atomique pour caractériser le contenu élémentaire de la particule, " dit Tysk.
La spectroscopie par claquage par étincelles est la dernière étape de mesure. Ce système de spectroscopie mesure le contenu élémentaire de la particule, et ses mesures consistent à créer un plasma à haute température, vaporiser la particule d'aérosol, et mesurer l'émission atomique des états excités thermiquement de l'aérosol.
Les étages de mesure — faisceau de déclenchement structuré, Fluorescence excitée par les UV, et la spectroscopie de claquage induite par étincelle - sont intégrés dans un système à plusieurs niveaux qui fournit sept mesures sur chaque particule d'intérêt. Sur les centaines de particules entrant dans le processus de mesure chaque seconde, un petit sous-ensemble de particules est sélectionné pour la mesure dans les trois étapes. L'algorithme RAAD recherche dans le flux de données des changements dans les caractéristiques temporelles et spectrales de l'ensemble de particules. Si un nombre suffisant de particules menaçantes sont détectées, le RAAD émet une alarme indiquant qu'une menace d'aérosol biologique est présente.
Avantages de la conception RAAD
« Parce que le RAAD est destiné à fonctionner 24 heures sur 24, sept jours sur sept pendant de longues périodes, nous avons intégré un certain nombre de fonctionnalités et de technologies pour améliorer la fiabilité du système et rendre le RAAD facile à entretenir, " dit Brad Perkins, un autre membre du personnel de l'équipe de développement RAAD. Par exemple, Perkins poursuit en expliquant, l'ensemble de l'unité de traitement d'air est un module qui est monté à l'extérieur du RAAD pour permettre un entretien facile des éléments les plus susceptibles d'avoir besoin d'être remplacés, tels que les filtres, le concentrateur air-air, et des pompes qui s'usent à l'usage.
Pour améliorer la fiabilité de la détection, l'équipe RAAD a choisi d'utiliser des filtres à charbon, filtré HEPA, et l'air de gainage déshumidifié et l'air de purge (air comprimé qui chasse les gaz étrangers) autour des composants optiques. Cette approche garantit que les contaminants de l'air extérieur ne se déposent pas sur les surfaces optiques du RAAD, pouvant entraîner des réductions de sensibilité ou de fausses alarmes.
Le RAAD en a subi plus de 16, 000 heures d'essais sur le terrain, au cours de laquelle il a démontré un taux de fausses alarmes extrêmement faible, sans précédent pour un déclencheur biologique avec un niveau de sensibilité aussi élevé. "Ce qui distingue RAAD de ses concurrents, c'est le nombre, variété, et la fidélité des mesures effectuées sur chaque particule d'aérosol individuelle, " dit Tysk. Ces multiples mesures sur les particules d'aérosol individuelles lorsqu'elles traversent le système permettent au déclencheur de distinguer avec précision les agents de guerre biologique de l'air ambiant à un rythme rapide. Parce que RAAD ne nomme pas l'agent biologique détecté, d'autres tests de laboratoire de l'échantillon devraient être effectués pour déterminer son identité exacte.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
