Moderná ochrana proti biologickým hrozbám si vyžaduje schopnosť rýchlo identifikovať nebezpečné bioaerosoly na diaľku, bez priameho kontaktu so zdrojom kontaminácie. Bioaerosoly môžu obsahovať baktérie, vírusy, spóry alebo toxíny a predstavujú významné riziko pre civilnú ochranu aj CBRN bezpečnosť, pričom najnebezpečnejšie sú častice s veľkosťou približne 5 μm, ktoré efektívne prenikajú do dolných dýchacích ciest. Klasické analytické metódy, ako PCR alebo hmotnostná spektrometria, síce poskytujú vysokú presnosť, no vyžadujú fyzický odber vzorky a laboratórne spracovanie. Perspektívnym riešením sa preto stáva stand-off detekcia v strednej infračervenej oblasti (MIR – Mid Infrared) využívajúca metódu Differential Scattering (DISC), ktorá kombinuje vibračnú spektroskopiu s analýzou rozptylu a umožňuje dosiahnuť výrazne vyššiu chemickú selektivitu než klasické lidarové systémy.

Limity klasických lidarových systémov

Doterajšie stand-off systémy často využívajú UV fluorescenciu (UV-LIF) alebo elastický rozptyl v oblasti VIS/NIR. Tieto techniky veľmi dobre detegujú prítomnosť aerosólového oblaku, ale majú obmedzenú chemickú špecificitu. Problémom sú vysoké počty falošných poplachov spôsobených peľom, prachom, dymom alebo smogom.

Práve preto sa výskum presúva do oblasti mid-infrared (MIR) spektra, približne v rozsahu 5–12 μm. V tejto oblasti sa nachádzajú fundamentálne vibračné módy biomolekúl, ktoré vytvárajú unikátne „fingerprint“ spektrá biologických materiálov.

MIR spektroskopia a biomolekulové „odtlačky“

MIR spektroskopia umožňuje priamo pozorovať vibračné prechody chemických väzieb v biomolekulách. Každá trieda biologických zlúčenín absorbuje infračervené žiarenie pri charakteristických vlnových dĺžkach:

• Amide I a II pásy súvisia so štruktúrou proteínov a absorbujú v oblasti ~6 μm,
• lipidové štruktúry absorbujú približne medzi 6,8–7,5 μm,
• nukleové kyseliny vykazujú absorpciu v oblasti 9–10,5 μm,
• bakteriálne spóry obsahujú dipikolínovú kyselinu s výraznými pásmi okolo 10–11,5 μm.

Práve tieto absorpčné znaky umožňujú odlíšiť biologické aerosóly od bežného atmosférického pozadia.

Čo je Differential Scattering (DISC)?

Samotná absorpčná spektroskopia však pri stand-off detekcii nestačí. Signál je oslabený atmosférickou absorpciou, turbulenciami a rozptylom na pozadí. Preto vznikla metóda Differential Scattering (DISC), ktorá kombinuje molekulárnu absorpciu v MIR oblasti a elastický rozptyl závislý od vlnovej dĺžky.

DISC využíva fakt, že bioaerosóly majú rozmery porovnateľné s MIR vlnovými dĺžkami. V takom prípade už nejde o jednoduchý Rayleighov rozptyl, ale nastupujú rezonancie popísané Mieho teóriou. Rozptyl sa stáva veľmi citlivým na: veľkosť častíc, tvar, refrakčný index a vnútorné zloženie aerosólu. Výsledkom je, že biologické aerosóly nevystupujú len ako pasívne rozptyľujúce objekty, ale ako komplexné optické rezonátory.

Ako DISC zvyšuje selektivitu?

Kľúčovou myšlienkou DISC je neanalyzovať absolútnu intenzitu spätného rozptylu, ale jeho spektrálnu závislosť. Atmosférické podmienky totiž neustále menia koncentráciu aerosólu, čo komplikuje klasické meranie. DISC preto porovnáva relatívne zmeny signálu pri viacerých vlnových dĺžkach. Takýto prístup potláča vplyv zmien hustoty oblaku, zachováva informáciu o chemickom zložení a umožňuje rozlíšiť biologické častice od prachu či dymu.  Najvýraznejšie rozdiely vznikajú v okolí silných vibračných rezonancií, napríklad pri proteínových Amide pásmach alebo fosfátových vibráciách DNA/RNA.

DISC detekcia pomocou FALCON 4G

Najvyspelejšie DISC systémy dnes pracujú s pulznými CO₂ lasermi v oblasti 9–11 μm, ktorá je vhodná na detekciu biomolekulových vibrácií aj chemických látok. Medzi významné príklady patrí slovenský systém FALCON 4G spoločnosti SEC Technologies. Tento systém využíva frekvenčne laditeľný CO₂ laser, dosahuje detekčný dosah približne 6 km, umožňuje identifikáciu nebezpečných látok v reálnom čase a pracuje s DISC princípom pri viacerých diskrétnych vlnových dĺžkach. Takéto systémy predstavujú významný posun od jednoduchej detekcie aerosólového oblaku k presnému chemickému určeniu jeho zloženia.

Systémy ako FALCON 4G preto predstavujú významný prínos pre modernú CBRN ochranu, keďže stand-off biodetekcia tvorí prvú líniu obrany proti biologickým hrozbám a umožňuje včasnú identifikáciu nebezpečných aerosólov ešte pred expozíciou zasahujúcich jednotiek alebo civilného obyvateľstva.

Tento článok vznikol v rámci projektu „Inovatívny diaľkový detektor biologických látok pre bezpečnostné aplikácie – VULTURE“ (17I04-04-V05-00123), financovaného Európskou úniou prostredníctvom nástroja NextGenerationEU v rámci Plánu obnovy a odolnosti Slovenskej republiky.