过去两年的世界事件给普通美国民众带来了许多新的担忧。供水安全、劫机者的风险以及化学和生物武器在我们海岸使用的威胁已经成为国家集体意识的首要问题。在上个月于新奥尔良举行的第225届美国化学学会全国会议上，以国内安全问题为重点的报告成为会议议程中一个引人注目的新增内容，科学家们在会上概述了检测危险化学品的新方法，并介绍了经时间检验的新技术的应用。
招募自然
国家水库是未来恐怖袭击的潜在目标。认识到这一点，《2002年生物恐怖主义法案》授权使用1.6亿美元的联邦资金用于饮用水系统的脆弱性评估。在新奥尔良，橡树岭国家实验室的埃利亚斯·格林鲍姆概述了一种独特的水库筛查方法。他的团队没有花费大量时间和精力来设计和制造复杂的传感器，而是招募了一些大自然的工人来完成这项任务：藻类。
格林鲍姆指出：“如果你观察任何河流、湖泊、水库、溪流、池塘——任何地表水——即使看起来很干净，水中也会生长藻类。”他应该知道：他在实验室的主要重点是研究这些生物的光合作用机制。由于藻类对环境的哪怕是最轻微的变化都很敏感，因此它们适合监测潜在的病原体。将藻类用作水生哨兵的想法始于911袭击事件近两年前，当时国防高级研究计划局（DARPA），即国防部的研究和开发部门，例行征集提案。“使用藻类和其他光合生物的某些生理参数来尝试检测蓄意或无意的毒素之间的联系似乎是合理的，”格林鲍姆回忆道。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您将帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在光合作用过程中，绿色植物将光能转化为化学能，但像大多数此类过程一样，这一个过程并非100%有效。损失的能量几乎在吸收入射光后立即以荧光的形式从植物中泄漏出来，或者发射出与入射光波长不同的辐射。不同的植物在不同时间显示出不同的荧光模式。ORNL 的团队使用这些所谓的荧光诱导曲线——这是藻类健康状况的衡量标准——来监测毒素。研究人员发现，对地表水中藻类荧光的实时连续测量可以有效地揭示危险化学物质的存在，因为它们会对这些生物产生影响。“在过去的几年里，现代荧光仪器仪表已经发展到可以检测未经处理的原样水中的藻类荧光的程度，”格林鲍姆说。“也就是说，您不必浓缩样品即可改善信号。”
到目前为止，实验室测试表明，藻类是危险物质的可靠指标，例如氰化物和除草剂百草枯（会破坏粘膜）以及通常与橙剂联合使用的敌草隆。格林鲍姆和他的同事还监测了来自 ORNL 附近的克林奇河的藻类，该河流为橡树岭供应饮用水，并证明了他们的技术在原理上是可行的。最近，该实验室与联合防务公司合作制造了一个原型系统，名为 AquaSentinelSM，可以部署在现场。
缩小台式仪器
ORNL 新型检测方法的关键部分甚至可能肉眼都看不到。约翰·霍普金斯大学的罗伯特·J·科特和本·D·加德纳描述了在缩小通常是实验室庞然大物的质谱仪方面取得的进展，以便将该仪器用于国土防御。质谱分析法是一种很好的快速检测和识别生物制剂的方法，它将化合物离子化，然后根据带电粒子的行为方式进行识别。“一切都有质量，”科特指出，“所以一切都可以在质谱仪中被捕获。”
但是，为了能够使用该机器识别潜在的威胁，科学家需要为感兴趣的细菌或病毒（例如炭疽或天花）提出可靠的标记物。这是因为，如果潜在的致命细菌与更良性的物质混合在一起，则所得光谱将看起来不同，并可能使有害制剂无法被检测到。因此，这些生物标志物需要保持一致，而与危险制剂混合物中包含的其他化合物无关。
为此，基因组测序应该有所帮助。“由于蛋白质和肽与基因组密切相关，因此您可以使用基因组来预测所有可能表达的蛋白质的质量，而不管它们是否表达，”科特解释说。“因此，您可以预测所有应该成为表达候选者的蛋白质，并拥有一组已知的这些物质的质量。然后，您只需要看到几个即可。”例如，在包含 40 个峰的复杂光谱中，特定细菌的已知生物标志物的五个峰匹配将构成成功的识别。
在科学家们寻找将暴露生物制剂的特定蛋白质的同时，科特和他的团队正在研究质谱仪作为现场试剂问题的另一个部分：小型化。研究人员的最新设计装有一个仅三英寸长的圆柱管，只是固定模型中管子长度的一小部分，固定模型中的管子可以达到一米以上。较小仪器的主要障碍是分辨率：由于分子碎片的飞行路径较短，因此分离非常相似的质量变得更加困难。通过改变仪器的几何形状并改变管周围的标准电场，使其不再是线性的，科学家们显着提高了机器的分辨能力。科特预测，可以用于现场环境的迷你机器的进一步改进很可能取决于真空泵等机械其他部件的制造限制。他说，尽管生物标志物的研究正在迅速进行，但该技术的实际应用可能至少还需要三年时间。
由内而外的监测
当然，理想的国土安全防御将阻止人们与有害制剂发生任何接触。但是，如果确实发生了接触，早期检测通常是受害者生存的关键。代表医疗和科学传感器公司的安东尼·W·查尼克发表了一份报告，概述了一种体内监测方法，该方法有一天可能会提醒人们体内毒素的存在。
该公司正在开发一种可以持续监测人体血糖水平的植入物。查尼克说，目前的重点是葡萄糖水平，因为糖尿病患者的市场很大。但是，未来可能会开发对血液中其他分子（例如炭疽）敏感的植入物。“国土安全的应用很容易跟进，”他评论道。
该植入物大约相当于 Tic TacR 薄荷糖的大小，旨在放置在手腕皮肤下。在这个微型设备内部（它将由佩戴在传感器上方的特殊设计的腕表供电）是一个功能性荧光计，可以检测葡萄糖分子并将信息中继到腕表面板上的显示器。到目前为止，该公司已经在兔子身上进行了测试，发现该植入物可以可靠地检测到动物血糖水平的变化。查尼克报告说，与食品和药物管理局的初步会议已经完成，人体试验可能会在年底前开始。