신속 에어로졸 검출기(RAAD): 공공 안전을 위한 빠르고 민감한 생물작용제 탐지

밀폐된 공간이든 개방된 공간이든 모든 공간은 유해한 공기 매개 생물작용제 살포에 취약할 수 있습니다. 조용하고 거의 보이지 않는 이 생물작용제는 영향을 완화하기 위한 조치를 취하기 전에 생물을 병들게 하거나 죽일 수 있습니다. 군중이 모이는 장소는 테러리스트가 설계한 생물전 공격의 주요 표적이고, 들판이나 숲 같은 광활한 지역도 공중 생물 공격의 희생양이 될 수 있습니다.

연구자들은 미국 군대의 생물전 작용제 조기 경보 시스템을 위한 고감도·고신뢰성 트리거인 신속 에어로졸 검출기(RAAD)를 개발했습니다. 트리거는 핵심 메커니즘입니다. 특정 위치의 주변 공기를 지속적으로 모니터링하여 위협 작용제일 수 있는 에어로졸 입자의 존재를 포착하기 때문입니다. 트리거는 검출 시스템에 입자 시료 채취를 알리고 잠재적으로 위험한 생물작용제로서 입자를 식별하는 프로세스를 개시합니다.

RAAD는 다단계 프로세스를 통해 생물전 작용제의 존재를 판단합니다. 먼저, 에어로졸 고속 회전으로 작은 입자를 골라내는 에어로졸 사이클론과 입자를 응축(농축)된 부피나 빔으로 초점화하는 공기역학적 렌즈의 결합 작용으로 에어로졸이 검출기로 흡입됩니다. 그런 다음 근적외선(NIR) 레이저 다이오드가 구조화된 트리거 빔을 생성하여 개별 에어로졸 입자의 존재, 크기, 궤적을 감지합니다. 입자가 호흡기에 악영향을 미칠 만큼 충분히 크면(약 1~10 마이크로미터), 266나노미터 자외선(UV) 레이저가 활성화되어 입자를 조명하고 다중 대역 레이저 유도 형광이 수집됩니다.

검출 프로세스는 '스펙트럴 트리거(spectral trigger)'라 불리는 내장 논리 결정으로 계속됩니다. NIR 빛 산란과 UV 형광 데이터를 사용하여 입자 구성이 위협 유사 생물작용제에 해당하는지 예측합니다. 입자가 위협 유사하면 스파크 유도 분해 분광법이 활성화되어 입자를 기화시키고 원자 방출을 수집하여 입자의 원소 구성 성분을 특성화합니다.

스파크 유도 분해 분광법이 마지막 측정 단계입니다. 이 분광 시스템은 입자의 원소 구성 성분을 측정하며, 고온 플라즈마 생성, 에어로졸 입자 기화, 에어로졸의 열적으로 들뜬 상태에서 원자 방출 측정을 포함합니다. 측정 단계는 관심 있는 각 입자에 대해 7가지 측정을 제공하는 계층적 시스템으로 통합됩니다. 초당 수백 개의 입자가 측정 프로세스에 진입하면, 작은 부분집합이 세 단계 모두에서 측정되도록 다운 선택됩니다. RAAD 알고리즘은 입자 세트의 시간적·스펙트럴 특성 변화를 데이터 스트림에서 검색합니다. 충분한 수의 위협 유사 입자가 발견되면 RAAD는 생물 에어로졸 위협이 존재한다는 경보를 발령합니다.

탐지 신뢰성을 개선하기 위해 RAAD 팀은 탄소 필터링, HEPA 필터링, 제습된 실드 공기와 퍼지 공기(외부 가스를 밀어내는 압축 공기)를 광학 구성 요소 주변에 사용하기로 했습니다. 이 접근법은 외부 공기의 오염 물질이 RAAD의 광학 표면에 침착되어 감도 저하나 거짓 경보를 유발할 수 있는 것을 방지합니다.