Źródło zdjęcia: ESA
Dr David Ermer wraz ze swoją firmą Opti-MS Corporation buduje obecnie miniaturowy spektrometr masowy czasu lotu, który może wykrywać podpisy biologiczne przy bardzo wysokiej rozdzielczości i czułości, ale jednocześnie być wystarczająco mały, aby można go było stosować w robotach i zastosowaniach ludzkich w eksploracji kosmosu.
Ermer używa innowacyjnego systemu, który opracował na Mississippi State University, i otrzymał nagrodę NASA Small Business Innovation Research (SBIR), aby kontynuować badania nad budową i testowaniem swojego urządzenia.
Spektrometr masowy służy do pomiaru masy cząsteczkowej w celu określenia struktury i składu pierwiastkowego cząsteczki. Spektrometr masowy o wysokiej rozdzielczości może bardzo precyzyjnie określać masy i może być stosowany do wykrywania takich rzeczy, jak fragmenty DNA / RNA, całe białka i peptydy, strawione fragmenty białka i inne cząsteczki biologiczne.
Spektrometr masowy czasu lotu (TOF-MS) działa, mierząc czas, w którym jony przemieszczają się przez obszar próżni urządzenia zwanego tubą lotniczą. Czas lotu spektrometrii masowej opiera się na fakcie, że dla stałej energii kinetycznej masa i prędkość jonów są ze sobą powiązane. „Pola elektryczne są wykorzystywane do nadawania jonom znanej energii kinetycznej” - wyjaśnił Ermer. „Jeśli znasz energię kinetyczną i znasz odległość, jaką pokonują jony, i wiesz, jak długo trwa podróż, możesz określić masę jonów.”
Urządzenie Ermera wykorzystuje jonizację desorpcji laserowej Matrix Assisted Laser lub MALDI, w której wiązka laserowa jest kierowana na próbkę, która ma być analizowana, a laser jonizuje cząsteczki, które następnie lecą do tuby. Czas lotu przez rurkę koreluje bezpośrednio z masą, przy czym lżejsze cząsteczki mają krótszy czas lotu niż cięższe.
Analizator i detektor spektrometru mas są utrzymywane w próżni, aby jony mogły przemieszczać się z jednego końca instrumentu na drugi bez żadnego oporu spowodowanego zderzeniem z cząsteczkami powietrza, co zmieniłoby energię kinetyczną cząsteczki.
Typowa płytka próbki dla TOF-MS może pomieścić od 100-200 próbek, a urządzenie może zmierzyć pełny rozkład masy za pomocą jednego strzału. Dlatego ogromne ilości danych są tworzone w bardzo krótkim przedziale czasu, a czas lotu dla większości jonów występuje w mikrosekundach.
TOF-MS firmy Ermer łączy stosunkowo prostą konfigurację mechaniczną z niezwykle szybką elektroniczną akwizycją danych, a także możliwością pomiaru bardzo dużych mas, co jest niezbędne przy przeprowadzaniu analiz biologicznych.
Ale najbardziej unikalnym aspektem urządzenia Ermera jest jego rozmiar. Dostępne obecnie komercyjne spektrometry masowe mają co najmniej półtora metra długości. To dość duża objętość do umieszczenia na pojeździe naukowym in-situ, takim jak samochód golfowy Mars Exploration Rovers wielkości samochodu golfowego, a nawet większy Mars Science Laboratory Rover, którego premiera planowana jest na 2009 rok. Ermer opracował sposób miniaturyzacji TOF-MS, aby niesamowite 4? cale długości. Szacuje, że jego urządzenie będzie miało objętość mniejszą niż 0,75 litra, masę mniejszą niż 2 kilogramy i będzie wymagać mniej niż 5 watów mocy.
Ermer zastosował nieliniową technikę optymalizacji do stworzenia komputerowego modelu spektrometru mas. Do wyboru było 13 parametrów, w tym odstępy między różnymi elementami w TOF-MS i napięcia przyspieszenia jonów. Korzystając z tej techniki, Ermer był w stanie znaleźć unikalne rozwiązania dla bardzo krótkiego TOF-MS.
„Staram się zbudować spektrometr masowy czasu lotu, który jest wystarczająco mały, aby faktycznie lecieć w kosmosie” - powiedział Ermer. „Główną aplikacją, na którą patrzy NASA, jest poszukiwanie molekuł biologicznych w celu znalezienia dowodów na przeszłe życie na Marsie. Chcą także mieć możliwość wykonywania biologii molekularnej na stacji kosmicznej, chociaż aplikacja Mars ma wyższy priorytet. Moje urządzenie powinno spełniać wszystkie wymagania NASA w zakresie wymagań dotyczących mocy, rozmiaru i wagi. ”
Ermer dostrzega również potencjał komercyjnego wykorzystania swojego urządzenia. „Mam przenośne urządzenie do pomiaru cząsteczek biologicznych” - powiedział. „Jeśli byłeś na lotnisku i znalazłeś biały proszek, będziesz chciał dowiedzieć się, czy jest to wąglik lub pył kredowy dość szybko. Chcesz, aby małe, dość tanie, przenośne urządzenie było w stanie to zrobić. ” W swojej propozycji dla NASA Ermer stwierdził: „Głównym (komercyjnym) zastosowaniem miniaturowego TOF-MS jest badanie przesiewowe chorób zakaźnych i czynników biologicznych. Wierzymy również, że doskonała wydajność naszego projektu pozwoli na penetrację ogólnego rynku TOF-MS. ”
Ermer otrzymał nagrodę SBIR w wysokości 70 000 $ w połowie stycznia, a już zbudował i przetestował większy dowód koncepcji, który potwierdza technologię, którą zaprojektował dla swojego TOF-MS. „Jak dotąd testy potoczyły się bardzo dobrze” - powiedział Ermer. Wykryłem cząsteczki o masie do 13 000 daltonów (Dalton to alternatywna nazwa dla jednostki masy atomowej lub amu.) Urządzenie działa zgodnie z przeznaczeniem dla mas do 13 000 daltonów i ma rozdzielczość masową nieco lepszą niż urządzenie pełnowymiarowe przy 13 000 daltonów. Obecnie pracujemy nad wykryciem masy do 100 000 daltonów, a wstępne wyniki są obiecujące. ”
„Uruchomienie urządzenia jest prawdopodobnie największą przeszkodą”, powiedział Ermer o wyzwaniach tego projektu. „Wiele trudnych rzeczy zostało zrobionych, ale elektronika jest naprawdę trudna. Dla tego urządzenia musisz wygenerować impulsy wysokiego napięcia o wartości około 16 000 woltów. To chyba najtrudniejsza rzecz, jaką do tej pory musieliśmy zrobić. ”
Detektor multiplikatora elektronów został specjalnie zaprojektowany na potrzeby miniaturowej spektrometrii lotów przez firmę zewnętrzną. Ermer i jego firma zaprojektowali większość innych części urządzenia, w tym obudowę próżni i ekstraktor laserowy. Ponieważ jest tak mały, tworzenie tych części wymaga obróbki o bardzo wysokiej tolerancji, co zostało również wykonane przez firmę zewnętrzną.
Według NASA program NASA SBIR „zapewnia małym firmom większe możliwości udziału w badaniach i rozwoju, zwiększeniu zatrudnienia i poprawie konkurencyjności USA”. Niektóre cele programu to stymulowanie innowacji technologicznych i wykorzystanie małych firm do zaspokojenia federalnych potrzeb w zakresie badań i rozwoju. Program składa się z trzech etapów, przy czym faza I otrzymuje 70 000 USD za sześć miesięcy badań w celu ustalenia wykonalności i zalet technicznych. Projekty przechodzące do fazy II otrzymują 600 000 USD na kolejne dwa lata rozwoju, a faza III zapewnia komercjalizację produktu.
Ermer jest profesorem na Mississippi State University. Prowadzi badania w dziedzinach związanych ze spektrometrią mas od 1994 roku, a dla swojej rozprawy doktorskiej na Uniwersytecie Stanowym w Waszyngtonie przyjrzał się rozkładom energii jonów wytwarzanych przez laser w różnych materiałach. W ramach badań podoktoranckich w Vanderbilt studiował technikę MALDI za pomocą lasera na swobodnych elektronach w podczerwieni. Więcej informacji o Opti-MS można znaleźć na stronie www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson jest niezależnym pisarzem i ambasadorem Układu Słonecznego NASA. Ona mieszka w Illinois.
