Comparison of 294 nm and 355 nm excitation wavelengths in UVLIF standoff detection of biological aerosols released in a semi-closed chamber

Abstract

FFI has previously developed a lidar for standoff detection of biological aerosols based on ultraviolet laser induced fluorescence, using an excitation wavelength at 355 nm. A 294 nm laser source has been developed and installed in the lidar. The FFI standoff test range, featuring a semiclosed chamber for the release of biological aerosols, allows for 210 m standoff distance. This report describes the standoff detection experiment carried out in 2011 using the semi-closed chamber, which has air curtains in both ends to confine the aerosols within the chamber. Seven different simulants for biological warfare agents were disseminated. Lidar data using both excitation wavelengths, 294 nm and 355 nm, were acquired. The measured spectra are presented and the results for the two excitation wavelengths are compared in the report. The fluorescence relative to excitation laser pulse energy is in general and in particular for the anthrax simulants higher at 294 nm excitation. However, most importantly, the mutual agent spectra differ significantly when exciting with 294 nm light compared to those at the longer excitation wavelength. Previous work using the 355 nm laser has shown that we are able to discriminate agents based on their fluorescence spectra. Even though classification is not subject to this report, it seems obvious that an excitation wavelength in the 280-290 nm spectral range will improve instrument performance in terms of lower false alarm rates. However, the increase in performance has to be traded off against increased system complexity following the use of a non-commercial laser source.

FFI har tidligere utviklet en lidar for avstandsdeteksjon av biologiske aerosoler ved bruk av ultrafiolett laserindusert fluorescens med 355 nm eksitasjonsbølgelengde. I et annet prosjekt er en 294 nm kilde utviklet og integrert i lidaren. FFI har også opparbeidet en testbane for avstandsdeteksjon med 210 m mellom standplass og utslippskammeret, som har luftgardiner i åpningene i hver ende av kammeret for å holde aerosolene innenfor. Rapporten beskriver utslippseksperimentene gjennomført høsten 2011, hvor syv ulike simulanter for biologiske agens ble spredt som aerosoler. Det ble gjort opptak både med 355 nm og 294 nm eksitasjonsbølgelengde. Målte spektre presenteres, og resultat fra de to eksitasjonsbølgelengdene sammenliknes. Fluorescensnivået relativt til energien i eksitasjonspulsen er generelt, og spesielt for miltbrannsimulantene, høyere ved bruk av 294 nm eksitasjon. Likevel er det viktigste resultatet at spektrene for alle simulantene er innbyrdes betydelig mer forskjellig ved 294 nm eksitasjon enn ved 355 nm. Prosjektet har utviklet algoritmer som klarer å klassifisere ulike agens basert på målte fluorescensspektre med 355 nm eksitasjonsbølgelengde, og det fremstår som åpenbart at en eksitasjonsbølgelengde rundt 290 nm vil bedre instrumentets ytelse i form av lavere falsk-alarm-rate, selv om det ikke er gjort klassifikasjonsforsøk på data tatt opp i dette eksperimentet. Likevel må en eventuelt forbedret ytelse i form av bruk av en ikke-kommersiell laserkilde avveies mot økt systemkompleksitet.