Ünite 6: KBRN Savaş Ajanlarının Tespiti, Teşhisi ve İzlenmesi

Giriş

KBRN ajanlarının tanımlanması üç adımda gerçekleştirilmektedir: tespit (dedeksiyon), teşhis (tanımlama) ve izleme. KBRN ajanlarının varlığını belirlemek ve tehdit durumunda erken uyarı sağlamak için kullanılan sistemler ve yöntemler “KBRN tespiti” olarak tanımlanmaktadır. “KBRN ajanlarının teşhisi” kullanılan KBRN ajanının tanımlanmasına yönelik elde edilen bulgulardır. Olası KBRN olaylarına karşı veya KBRN olayı sonrasında bu ajanlara maruz kalan personel, cihaz, su kaynakları ve besin zincirinin ölçüm sistemleriyle sürekli olarak taranması “izleme” olarak tanımlanmaktadır.

KBRN savaş ajanlarının tespit, teşhis ve izlenmesi, tüm ulusların stratejik güvenlik planlamalarının vazgeçilmez bir parçasıdır ve temel hedefi olası bir saldırı durumunda personel, teçhizat ve kritik özvarlıkları istenmeyen sonuçlardan korumaktır. Bunu sağlamanın yolu ise hedefe uygun teknolojik donanımlar kullanılarak saldırıların bertaraf edilmesi ve karşı tedbirlerin alınmasıdır

Tespit, Teşhis ve İzleme İçin Gereksinimler

Ölçüm sistemleri KBRN ajanlarının varlığını izleyerek KBRN ajan seviyesinin konsantrasyonu, gerekli koruma ve kontaminasyon seviyesi ve kontaminasyona karşı kullanılan önlemlerin yeterli olup olmadığını gözlemlemek için kullanılmaktadır.

İdeal bir ölçüm sistemi,

• KBRN ajanlarını kabul edilebilir bir süre içinde seçici olarak algılayabilmeli,
• Sağlık riski oluşturan seviyelerde veya daha düşük konsantrasyonlardaki ajanları tespit edebilecek kadar hassas olmalı,
• Yanlış alarmlara neden olabilecek diğer faktörlerden etkilenmemeli,
• Hızlı yanıt ve geri dönüş süresine sahip olmalı,
• Yüksek konsantrasyon değerlerindeki ajanlar için en kısa sürede alarm vererek yeniden ölçüme hazır hâle gelmeli,
• Kullanımı kolay ve taşınabilir olmalı
• Verilerin kolaylıkla yorumlanabildiği bir ara yüze sahip olmalıdır.

Ölçüm sistemi seçiminde, tespit kabiliyeti ve tespit performansı göz önünde bulundurulmalıdır.

KBRN tespit kabiliyeti, ajanın herhangi bir hasara yol açmadan önce mümkün olan en kısa sürede varlığının tespit edilebilmesidir. Tespit kabiliyeti seçicilik, sensitivite (duyarlılık), cevap süresi, yanlış alarm oranı gibi parametreleri kapsar. Seçicilik sistemin ölçüm yapılacak numune içerinde yalnızca hedef ajana karşı tepki göstermesi olarak tanımlanmaktadır. Sensitivite (hassasiyet, duyarlılık) bir ölçüm sisteminde elektriksel gürültü üzerinde tekrarlanabilir bir tepki yaratabilen olası en küçük ajan miktarı olarak tanımlanır. Cevap süresi ölçüm sisteminin bir numuneyi toplamak, analiz etmek ve sonrasında ajanın varlığını belirlemek ve geri bildirim yapmak için gereksinim duyduğu zaman olarak tanımlanır. Ortamda KBRN savaş ajanı olmaması durumunda ölçüm sistemi ikaz verirse yanlış alarm pozitif, ajan varlığında sistemin ikaz vermemesi durumu ise yanlış negatif alarmlar olarak tanımlanmaktadır

Tespit performansı; ölçüm sisteminin çalışmaya hazır hâle gelme süresi, kalibrasyon gereksinimleri, taşınabilirlik, güç gereksinimleri ve maliyet gibi faktörleri kapsamaktadır. Genel olarak, bir cihazın kullanımı kolay olmalı, kısa bir süre içerisinde operasyonel kararlılığa ulaşmalı ve depolama süresinden sonra minimum sürede yeniden kalibre edilebilmelidir. Ölçüm sisteminin bulunulan ortam şartlarına uygun olarak etkin bir şekilde çalışabilmesi çok önemlidir.

Kimyasal Savaş Ajanlarının Tespiti, Teşhisi ve İzlenmesi

Kimyasal ajanın içeriğinin belirlenmesi üç aşamalı bir işlem olarak tanımlanabilir.

• Kimyasal madde içeren ortam örneklenir.
• Tespit edilmek istenilen ajan mevcut diğer kimyasal bileşenlerden ayrılır.
• Ajanın tanımlanır.

Nokta Dedeksiyonu Teknolojileri

Bu teknolojiler kişilerin bulundukları ortamda gerçek zamanlı ölçüm yapabilmeleri için tasarlanmıştır.

İyon Mobilite Spektrometresi (IMS) gaz fazında iyonize olmuş analit moleküllerinin kütle, yük ve mobilitelerine göre ayırt edilmesine olanak sağlayan bir tekniktir. Kimyasalların çok düşük konsantrasyonlarını tespit ve teşhis edebilmektedir. Radyoaktif kaynak kullanımı, interfere etkisi ve doyuma ulaşma problemleri dezavantajlarıdır.

Alev Fotometresinde, hidrojence zengin bir alev hüzmesi içerisindeki kimyasal malzemenin dalga boyu spektrumundaki ışımalarının şiddeti ölçülerek kimyasal ajan tanımlanmaktadır. Bu yöntem ile numune bileşeni içerisindeki en baskın element hakkında bilgi edinmek mümkündür fakat teşhisi mümkün değildir.

Fotoiyonizasyon teknolojisine dayanan sistemlerde, Ultraviyole (UV) ışınları gibi yüksek enerjili fotonlar kullanılarak, moleküller pozitif yüklü iyonlara dönüştürülür ve ortamdaki gaz elektriksel olarak yüklü hale getirildiğinde iyonlar elektrik akımı üreterek dedektörde sinyale dönüşmektedirler. Oldukça yüksek maliyetli cihazlardır, yüksek duyarlılığa sahip olmalarına rağmen seçicilikleri azdır.

Elektrokimyasal yöntemler tespit edilecek numunenin moleküler kimyası ile elektrotlar arasındaki etkileşime dayanır. Oldukça duyarlı ve seçici bir yöntemdir ancak her gaz için farklı sensöre ihtiyaç duyulmaktadır. Zamanla elektrolitteki kayıplardan dolayı sensör ömürleri sınırlıdır.

Kütle duyarlı kimyasal sensör teknolojisinde hedef ajan, sensör üzerinde bulunan algılayıcı malzeme ile fiziksel olarak etkileşime girerek kaplanmış malzemenin kütlesini geri dönüşümlü olarak değiştirir ve bu kütle değişimi transduser birimi tarafından elektriksel sinyale çevrilir. Sınırlamaları ortamdaki sıcaklık ve nem koşullarından etkilenmeleridir.

Renk değişimi (kolorimetri) yöntemi, kimyasal ajanların çeşitli solüsyonlar ile etkileşime girdiğinde meydana gelen kimyasal reaksiyonlara dayanmaktadır. Bu dedektörler oldukça spesifiktir ve kit formunda kullanılmaktadır. Seçicilik, bu dedektörlerin başlıca avantajlarından biri olmasına rağmen, aynı zamanda en büyük dezavantajlardan biri hâline de dönüşebilmektedir.

Uzaktan Algılama Teknolojileri

Kimyasal savaş ajanlarının tespiti için en çok arzu edilen konfigürasyon, personelin veya ekipmanın kimyasal ajana maruz kalma süresi en aza indirmek için dedektör ve ajan tehdidi arasındaki mesafenin maksimum olduğu sistemlerdir. Uzaktan algılama sistemlerinin kullanımı genellikle zordur ve sonuçları yorumlayabilmek için eğitimli bir operatöre gereksinim duyulur.

İnfrared (IR) spektroskopisi kızılötesi bölgedeki elektromanyetik ışımanın madde ile etkileşimini inceler. Her bir molekülün IR spektrumu kendine özgüdür ve o molekülün tanınması veya tanımlanmasında kullanılır. IR teknolojisini kullanan cihazlarla ilgili başlıca kısıtlamalar maliyet, cihazın komplikeliği ve boyutudur.

Raman teknolojisinde, madde üzerine madde moleküllerinin soğuramayacağı bir frekansta yani geçirgen olduğu bölgede monokromatik ışından oluşan güçlü bir lazer ışını gönderilerek oluşan inelastik saçılım incelenir. Raman teknolojisinin sınırlamaları; ışığın geçebileceği bir alana ihtiyaç duyduğu için mühimmat içerisindeki kimyasal ajanları tanımlayamamasıdır.

Analitik Cihazlar

Analitik cihazlar farklı moleküllerin eser miktarları arasındaki zor ayırt edilebilen çok küçük farklılıkları tespit etmek için tasarlanmışlardır ve mikro litre veya miligram mertebesinde sınırlı hacimde numune analiz edebilen cihazlardır. Laboratuvar odaklı cihazlardır ve kullanım için eğitimli teknik operatörlere ihtiyaç duyarlar.

Kütle spektrometreleri, yüklü parçacıkların manyetik ya da elektriksel bir alandan geçerken diğer yüklü parçacıklardan kütle/yük oranlarına göre ayrılmaları prensibine dayanır. Sınırlamaları maliyeti yüksek, güç gereksinimi fazla, komplike, ağır ve elde taşımaya elverişli cihazlar olmamalarıdır.

Karışım içerinde gaz hâlinde bulunan veya kolayca buharlaştırılabilen bileşenlerin birbirinden ayrılması amacıyla gaz kromatografisi yöntemi kullanılır. Bu metotta da yüksek duyarlılık ve seçicilik elde edilir. Sınırlamaları ise uçucu örneklerle çalışma zorunluluğu, ısıl olarak kararsız örnekler için uygun olmaması ve kromatografik olarak ayrılan ajanın karakterizasyonu için başka spektroskopi yöntemlerine ihtiyaç duymasıdır.

Yüksek hızda gerçekleştirilen ayırmaların yapıldığı sıvı kromatografi sistemlerine, Yüksek Basınçlı Sıvı Kromatografi (HPLC) denir. HPLC en yaygın olarak kullanılan analitik tekniklerden bir tanesidir. Yüksek basınç uygulaması nedeniyle, diğer kromatografi cihazlarına göre daha pahalı ve daha karışık olması ise dezavantajlarıdır.

Atomik Absorbsiyon Spektroskopisi (AAS) ışın kaynağından çıkan elektromanyetik dalganın gaz hâlindeki atomlar tarafından absorpsiyonu sonucu ışığın şiddetindeki azalmanın ölçülmesi ilkesine dayanır. Dezavantajı her element için (veya bir grup element) için özel bir ışık kaynağı gerektirmesidir.

Elektroforez, doğru akımın uygulandığı bir tampon çözeltide yüklü taneciklerin göç hızlarındaki farklara dayanan bir ayırma yöntemidir. Kapiler Elektroforez (CE) iyonların büyüklüğü ile yüklerinin oranına göre küçük çaplı kapilerlerde ayrılmasına olanak veren bir yöntemdir. Temel sınırlaması seçiciliğinin az olmasıdır.

Biyolojik Ajanların Tespiti, Teşhisi ve İzlenmesi

Biyosavunma, biyolojik saldırıya karşı savunma önlemlerini belirlemek ve yürürlüğe koymakla ilgili yöntemleri, planları ve prosedürleri içermektedir. Biyolojik ajanlar; boyama, koloni morfolojisi, hareketlilik, biyokimyasal ve metabolik karakterizasyon gibi yöntemleri kapsayan testlerle tespit edilebilir. Biyolojik kültür herhangi bir ajanın tanımlanması için kapsamlı bilgi sağlayan güvenilir ve oturmuş bir yöntemdir.

İmmmünolojik Yöntemler

Antijen-antikor reaksiyonlarını gösterebilmek için enzim kullanılan tüm teknikler en genel olarak enzim immunotest olarak adlandırılır. Enzim Bağlı İmmün Assay (ELISA), heterojen enzim immunotestlere örnektir. ELISA’da bir enzimle konjuge edilmiş antikor (veya antijen), substratı ile reaksiyona girerek renkli bir ürün oluşturur. ELISA, çeşitli hastalıkların teşhisinde düşük maliyetli laboratuvar ortamlarında çok sayıda numunenin taranması için yaygın olarak kullanılan basit, ekonomik, sağlam ve güvenilir bir tekniktir. Ayrıca, floresan mikroskopi gibi immünolojik testlerin bazı diğer versiyonları biyolojik ajanların tespiti için de kullanılır.

İmmünokromatografik kart testler düşük maliyetli, uzun raf ömürlü, yüksek duyarlılık ve seçiciliğe sahip, hızlı sonuç verebilen ve tüm dünyada yaygın olarak kullanılan testlerdir. Testte kullanılan nano partiküller sayesinde analiz sonucu gözle görülebildiğinden çoğu zaman ek bir cihaza gerek duyulmamaktadır. Dezavantajları ise tam kantitatif uygulamasının olmayışı, sonuçların yorumlanmasında farklılıklar olabilmesi, şerit başına tek bir analitin ölçülebilmesi ve sadece sıvı numuneler için kullanılabilmesidir.

Polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) hücre içindeki DNA’nın kendini eşlemesi mekanizmasına dayanır. Bu teknik sayesinde genomun tamamı bilinmeden ve konak hücreye gerek kalmadan sadece istenilen DNA dizisinin bilinmesiyle, o DNA parçası laboratuvar ortamında milyarlarca kez kopyalanabilir.

Matriks ile Desteklenmiş Lazer Desorpsiyon/İyonizasyon Uçuş Zamanı Kütle Spektrometresi (MALDI-TOF-MS) kültürlenmiş mikroorganizmaların hızlı, doğru ve düşük maliyetli teşhisi için yaygın olarak kabul gören bir tekniktir. Bu yöntemde mikroorganizmalara ait biyomeküllerin (protein, peptid, şeker) ve büyük organik moleküllerin (polimer, dendrimer, makromolekül) iyonize edildikten sonra elektrik ve/veya manyetik alandan geçirilerek protein profilleri çıkarılmaktadır.

Biyosensörler biyolojik bir olayı elektriksel bir sinyale dönüştüren aygıtlardır. Bir maddenin tanımlanması, bir analitin biyolojik tanıma elemanı ile etkileşimine dayanır ve bu biyolojik tepki, dönüştürücü tarafından saptanabilir bir sinyal hâline dönüştürülür. Biyosensörlerde en sık kullanılan algılayıcılar antijenler ve nükleik asit problarıdır.

Biyolojik Dedektörler

Biyolojik dedektörler, genellikle belirli ortamda biyolojik ajanları teşhis etmeden sadece varlığını belirler. Parçacık boyutunu baz alan dedektörler ve floresans tabanlı dedektörler mevcuttur.

Uzaktan Algılama Teknolojileri

Uzaktan algılama teknolojileri biyolojik ajanları bırakıldıkları noktadan uzakta algılamak üzere tasarlanmıştır. Bu sistemlerde biyolojik ajanların algılanması için lazer ışık kaynağı kullanılmaktadır ve LIDAR (Light Detection and Ranging- Işık Saptama ve Uzaklık Tayini) sistemi bu amaç için uygun görülmektedir. Uzaktaki hedefe (aerosol, toz, polen, bulut) radyo dalgaları yerine mikro saniye aralıklı kısa atımlı lazer ışınları gönderen LIDAR, lazerin hedeften ne sürede geri sektiğine bakarak taranan hedefin konumunu, hızını ve yönünü belirlemektedir.

Nükleer ve Radyolojik Savaş Ajanlarının Tespiti, Teşhisi ve İzlenmesi

Tüm nükleer algılama teknolojileri, uranyum ve toryum gibi doğal olarak oluşabilen veya nükleer reaktörde üretilen çeşitli fisyon ürünleri ve plütonyum gibi insan yapımı olan radyoaktif nüklitlerin bozunumundan kaynaklanan emisyonları tespit edecek şekilde tasarlanmıştır.

Gaz İyonizasyon Dedektörleri

Bu dedektörler iyonize parçacıkların varlığının tespit edilmesi ve iyonize radyasyonu ölçen radyasyon koruma uygulamalarında kullanılmaktadır.

İyonizasyon odasının çalışma prensibi, radyasyonun gaz ortam içerisinde meydana getirdiği iyonların toplanması işlemine dayanmaktadır. İyonizasyon odaları, çok büyük akım meydana getiren radyoaktif kaynakların tespitinde kullanılır.

Orantılı sayaç X-ışınları, gamma ışınları ve diğer iyonlaştırıcı radyasyonunun algılanması ve yüklü parçacıkların sayımı için kullanılan gaz ile dolu bir elektronik cihazdır. Bu cihaz ile iyonlaştırıcı radyasyonun çeşitli formları arasında ayrım yapmak mümkündür.

Geiger-Müller sayacı, iyonize olmuş gazlardaki parçacıkları tespit etmek ve ölçmek amacıyla radyolojik koruma ve radyasyon dozimetresi gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılan bir parçacık dedektörü olup beta ve gamma parçacıklarını algılamaktadır.

Gamma Işını Dedektörleri

Gamma ısınlarının algılanması için tercih edilen sintilasyon dedektörlerinde yüksek enerjili yüklü parçacıkların çarpmasıyla düşük enerjili fotonlar yayınlayan kristaller (sintilatörler) kullanılmaktır. Gamma ışınları yüklü parçacıklar üretir ve bu parçacıklar sintilatör ile etkileşir. Kristalin ürettiği düşük enerjili fotonlar ise daha sonra foto-çoğaltıcı tüpler tarafından toplanır. Foton sayısı ile kristale gelen gamma ışınlarının sayısı orantılı olduğu için, çıkış voltajı direk olarak gelen gamma ışını şiddeti ile orantılıdır.

Yarıiletken dedektörler, negatif yük (elektron) veya pozitif yük (boşluk) taşıyıcıları fazla olan n ve p tipi materyaller temas ettirilerek elde edilir. Yarıiletken dedektörlerin en yaygın kullanılanları, Ge(Li), Si(Li) dedektörleridir.

Nötron Dedektörleri

Nötron dedektörleri genellikle nötron enerjisini daha kolay tespit edilebilen yüklü bir parçacığa dönüştürme prensibine dayanmaktadır

Bor florür (BF ₃ ) orantılı sayaçlar, Boron-10 izotopu ile zenginleştirilmiş BF ₃ gazı ile dolu orantılı sayaçlardır. Dedektörde meydana gelen reaksiyon sonrasında ortaya çıkan lityum çekirdeği ve alfa parçacığı gaz dolu ortamda ikincil iyonizasyona neden olacak kadar yüksek enerjiye sahiptirler ve ikincil iyonizasyonlar dedekte edilebilirler.

³ He orantılı sayaçlar termal nötronların tespiti için en uygun olan standart nötron detektörleridir. Nötronlar, sonucunda bir proton ve bir triton oluşan reaksiyon sonucunda tespit edilir.