過去兩年的世界事件給普通美國民眾帶來了許多新的擔憂。供水安全、劫機者的風險以及化學和生物武器在我們海岸使用的威脅已經成為國家集體意識的首要問題。在上個月於新奧爾良舉行的第225屆美國化學學會全國會議上，以國內安全問題為重點的報告成為會議議程中一個引人注目的新增內容，科學家們在會上概述了檢測危險化學品的新方法，並介紹了經時間檢驗的新技術的應用。
招募自然
國家水庫是未來恐怖襲擊的潛在目標。認識到這一點，《2002年生物恐怖主義法案》授權使用1.6億美元的聯邦資金用於飲用水系統的脆弱性評估。在新奧爾良，橡樹嶺國家實驗室的埃利亞斯·格林鮑姆概述了一種獨特的水庫篩查方法。他的團隊沒有花費大量時間和精力來設計和製造複雜的感測器，而是招募了一些大自然的工人來完成這項任務：藻類。
格林鮑姆指出：“如果你觀察任何河流、湖泊、水庫、溪流、池塘——任何地表水——即使看起來很乾淨，水中也會生長藻類。”他應該知道：他在實驗室的主要重點是研究這些生物的光合作用機制。由於藻類對環境的哪怕是最輕微的變化都很敏感，因此它們適合監測潛在的病原體。將藻類用作水生哨兵的想法始於911襲擊事件近兩年前，當時國防高階研究計劃局（DARPA），即國防部的研究和開發部門，例行徵集提案。“使用藻類和其他光合生物的某些生理引數來嘗試檢測蓄意或無意的毒素之間的聯絡似乎是合理的，”格林鮑姆回憶道。
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在光合作用過程中，綠色植物將光能轉化為化學能，但像大多數此類過程一樣，這一個過程並非100%有效。損失的能量幾乎在吸收入射光後立即以熒光的形式從植物中洩漏出來，或者發射出與入射光波長不同的輻射。不同的植物在不同時間顯示出不同的熒光模式。ORNL 的團隊使用這些所謂的熒光誘導曲線——這是藻類健康狀況的衡量標準——來監測毒素。研究人員發現，對地表水中藻類熒光的即時連續測量可以有效地揭示危險化學物質的存在，因為它們會對這些生物產生影響。“在過去的幾年裡，現代熒光儀器儀表已經發展到可以檢測未經處理的原樣水中的藻類熒光的程度，”格林鮑姆說。“也就是說，您不必濃縮樣品即可改善訊號。”
到目前為止，實驗室測試表明，藻類是危險物質的可靠指標，例如氰化物和除草劑百草枯（會破壞粘膜）以及通常與橙劑聯合使用的敵草隆。格林鮑姆和他的同事還監測了來自 ORNL 附近的克林奇河的藻類，該河流為橡樹嶺供應飲用水，並證明了他們的技術在原理上是可行的。最近，該實驗室與聯合防務公司合作製造了一個原型系統，名為 AquaSentinelSM，可以部署在現場。
縮小臺式儀器
ORNL 新型檢測方法的關鍵部分甚至可能肉眼都看不到。約翰·霍普金斯大學的羅伯特·J·科特和本·D·加德納描述了在縮小通常是實驗室龐然大物的質譜儀方面取得的進展，以便將該儀器用於國土防禦。質譜分析法是一種很好的快速檢測和識別生物製劑的方法，它將化合物離子化，然後根據帶電粒子的行為方式進行識別。“一切都有質量，”科特指出，“所以一切都可以在質譜儀中被捕獲。”
但是，為了能夠使用該機器識別潛在的威脅，科學家需要為感興趣的細菌或病毒（例如炭疽或天花）提出可靠的標記物。這是因為，如果潛在的致命細菌與更良性的物質混合在一起，則所得光譜將看起來不同，並可能使有害製劑無法被檢測到。因此，這些生物標誌物需要保持一致，而與危險製劑混合物中包含的其他化合物無關。
為此，基因組測序應該有所幫助。“由於蛋白質和肽與基因組密切相關，因此您可以使用基因組來預測所有可能表達的蛋白質的質量，而不管它們是否表達，”科特解釋說。“因此，您可以預測所有應該成為表達候選者的蛋白質，並擁有一組已知的這些物質的質量。然後，您只需要看到幾個即可。”例如，在包含 40 個峰的複雜光譜中，特定細菌的已知生物標誌物的五個峰匹配將構成成功的識別。
在科學家們尋找將暴露生物製劑的特定蛋白質的同時，科特和他的團隊正在研究質譜儀作為現場試劑問題的另一個部分：小型化。研究人員的最新設計裝有一個僅三英寸長的圓柱管，只是固定模型中管子長度的一小部分，固定模型中的管子可以達到一米以上。較小儀器的主要障礙是解析度：由於分子碎片的飛行路徑較短，因此分離非常相似的質量變得更加困難。透過改變儀器的幾何形狀並改變管周圍的標準電場，使其不再是線性的，科學家們顯著提高了機器的分辨能力。科特預測，可以用於現場環境的迷你機器的進一步改進很可能取決於真空泵等機械其他部件的製造限制。他說，儘管生物標誌物的研究正在迅速進行，但該技術的實際應用可能至少還需要三年時間。
由內而外的監測
當然，理想的國土安全防禦將阻止人們與有害製劑發生任何接觸。但是，如果確實發生了接觸，早期檢測通常是受害者生存的關鍵。代表醫療和科學感測器公司的安東尼·W·查尼克發表了一份報告，概述了一種體內監測方法，該方法有一天可能會提醒人們體內毒素的存在。
該公司正在開發一種可以持續監測人體血糖水平的植入物。查尼克說，目前的重點是葡萄糖水平，因為糖尿病患者的市場很大。但是，未來可能會開發對血液中其他分子（例如炭疽）敏感的植入物。“國土安全的應用很容易跟進，”他評論道。
該植入物大約相當於 Tic TacR 薄荷糖的大小，旨在放置在手腕皮膚下。在這個微型裝置內部（它將由佩戴在感測器上方的特殊設計的腕錶供電）是一個功能性熒光計，可以檢測葡萄糖分子並將資訊中繼到腕錶面板上的顯示器。到目前為止，該公司已經在兔子身上進行了測試，發現該植入物可以可靠地檢測到動物血糖水平的變化。查尼克報告說，與食品和藥物管理局的初步會議已經完成，人體試驗可能會在年底前開始。