Kreditna slika: ESA
Dr. David Ermer s svojim podjetjem, korporacija Opti-MS, trenutno izdeluje miniaturni spektrometer letečih mas, ki lahko zazna biološke podpise z zelo veliko ločljivostjo in občutljivostjo, vendar še vedno dovolj majhen, da se lahko uporablja za robotske in človeške aplikacije v vesoljskem raziskovanju.
Ermer uporablja inovativen sistem, ki ga je razvil na državni univerzi v Mississippiju, za nadaljevanje raziskav za izdelavo in testiranje njegove naprave pa je prejel NASA-ino nagrado za inovacijsko raziskovanje malih podjetij (SBIR).
Masni spektrometer se uporablja za merjenje molekulske mase za določanje strukture in elementarne sestave molekule. Masni spektrometer z visoko ločljivostjo lahko natančno določi mase in se lahko uporablja za zaznavanje takšnih stvari, kot so fragmenti DNK / RNK, celi proteini in peptidi, prebavni fragmenti beljakovin in druge biološke molekule.
Spektrometer masovnega časa letenja (TOF-MS) deluje tako, da meri čas, ki traja, da ioni potujejo skozi vakuumsko območje naprave, znano kot leteča cev. Masna spektrometrija leta poleti temelji na dejstvu, da sta za fiksno kinetično energijo masa in hitrost ionov medsebojno povezana. "Električna polja se uporabljajo za oddajanje ionov znane kinetične energije," je pojasnil Ermer. "Če poznate kinetično energijo in poznate razdaljo, ki jo ioni prevozijo, in veste, koliko časa mora potovati, potem lahko določite maso ionov."
Ermerjeva naprava uporablja lasersko ionizacijsko lasersko desorpcijsko ionizacijo ali MALDI, kjer se laserski žarek usmeri na vzorec, ki ga je treba analizirati, in laser ionizira molekule, ki nato letijo v cev za letenje. Čas leta skozi cev je neposredno povezan z maso, lažje molekule pa imajo krajši čas leta kot težji.
Analizator in detektor masnega spektrometra sta shranjena v vakuumu, da ioni potujejo z enega konca instrumenta na drugega, ne da bi pri tem trčili z molekulami zraka, kar bi spremenilo kinetično energijo molekule.
Tipična vzorčna plošča za TOF-MS lahko vsebuje med 100-200 vzorcev, naprava pa lahko meri celotno porazdelitev mase z enim samim strelom. Zato nastane ogromno podatkov v zelo kratkem časovnem intervalu, čas leta za večino ionov pa se pojavi v mikrosekundah.
Ermerjev TOF-MS združuje razmeroma enostavno mehansko nastavitev z izjemno hitrim elektronskim pridobivanjem podatkov, skupaj z možnostjo merjenja zelo velikih mas, kar je bistveno pri biološki analizi.
Toda najbolj edinstven vid Ermerjeve naprave je njegova velikost. Komercialni masni spektrometri, ki so trenutno na voljo, so dolgi vsaj en meter in pol. To je precej velik obseg, ki ga je treba vključiti v znanstveno vozilo na kraju samem, kot so golf avtomobili, na primer Mars Exploration Rovers ali celo večji Mars Science Laboratory Rover, ki naj bi se predstavil leta 2009. Ermer je zasnoval način miniaturnizacije TOF-MS neverjetnih 4? centimetrov dolga. Ocenjuje, da bo njegova naprava imela prostornino manjšo od 0,75 litra, maso manjšo od 2 kilogramov in bo potrebovala manj kot 5 vatov moči.
Ermer je za izdelavo računalniškega modela masnega spektrometra uporabil nelinearno tehniko optimizacije. Izbiralo se je 13 parametrov, ki jih je bilo treba izbrati, vključno z razmikom različnih elementov v TOF-MS in napetostjo ionskega pospeška. Ermer je s to tehniko uspel najti nekaj edinstvenih rešitev za zelo kratek TOF-MS.
"Poskušam zgraditi spektrometer časa letenja mase, ki je dovolj majhen, da lahko dejansko zaide v vesolje," je dejal Ermer. "Glavna aplikacija, ki jo gleda NASA, je iskanje bioloških molekul in iskanje dokazov o preteklem življenju na Marsu. Prav tako želijo na vesoljski postaji opraviti molekularno biologijo, čeprav ima aplikacija Mars večjo prednost. Moja naprava mora izpolnjevati vse zahteve, ki jih ima NASA, kar zadeva zahteve glede moči, velikosti in teže. "
Ermer prav tako vidi potencial, da se njegova naprava tudi komercialno uporablja. "Imam prenosno napravo za merjenje bioloških molekul," je dejal. "Če bi bili na letališču in našli bel prah, bi radi izvedeli, ali je antraks ali kreden prah dokaj hitro. Torej želite majhno, dokaj poceni prenosno napravo, da lahko to storite. " Ermer je v svojem predlogu za NASO izjavil: "Glavna (komercialna) aplikacija za miniaturni TOF-MS je presejanje nalezljivih bolezni in bioloških povzročiteljev. Verjamemo tudi, da bo vrhunska zmogljivost našega dizajna omogočila prodor na splošni trg TOF-MS. "
Ermer je prejel nagrado SBIR v višini 70.000 dolarjev sredi januarja in že je sestavil in preizkusil večji dokaz konceptualnega oblikovanja, ki potrjuje tehnologijo, ki jo je zasnoval za svoj TOF-MS. "Doslej so bili testi izjemno uspešni," je dejal Ermer. Zaznal sem molekule do 13.000 Daltonov (Dalton je nadomestno ime za atomsko masno enoto ali amu.) Naprava deluje kot zasnovana za mase do 13.000 Daltonov in ima ločljivost mase nekoliko boljšo kot naprava s polno velikostjo pri 13.000 Daltonih. Trenutno delamo na odkrivanju mase do 100.000 Daltonov in začetni rezultati so obetavni. "
"Najprimernejša ovira je najbrž zagona naprave," je Ermer povedal o izzivih tega projekta. "Veliko težkih stvari je narejenih, a elektronika je res težka. Za to napravo morate generirati visokonapetostne impulze približno 16.000 voltov. To je bilo verjetno najtežje, kar smo doslej morali storiti. "
Detektor množilcev elektronov je posebej zasnovan za miniaturni čas spektrometrije leta zunanjega podjetja. Ermer in njegovo lastno podjetje sta zasnovala večino drugih delov naprave, vključno z vakuumskim ohišjem in laserskim ekstraktorjem. Ker je tako malo, je za izdelavo teh delov potrebna zelo velika tolerančna obdelava, kar je izvedlo tudi zunanje podjetje.
NASA-jev program SBIR "ponuja malim podjetjem večje možnosti za sodelovanje v raziskavah in razvoju, povečanje zaposlenosti in izboljšanje konkurenčnosti ZDA," pravi NASA. Nekateri cilji programa so spodbuditi tehnološke inovacije in mala podjetja uporabiti za potrebe zveznih raziskav in razvoja. Program ima tri faze, faza I pa je za šestmesečno raziskovanje prejela 70.000 dolarjev za ugotovitev izvedljivosti in tehničnih prednosti. Projekti, ki pridejo v fazo II, prejmejo 600.000 dolarjev za še dve leti razvoja, faza III pa ponuja komercializacijo izdelka.
Ermer je profesor na državni univerzi v Mississippiju. Raziskave na področjih, povezanih z masno spektrometrijo, opravlja od leta 1994, za doktorsko disertacijo na Washingtonski državni univerzi pa si je ogledal porazdelitev energije ionov, ki jih v različnih materialih ustvarja laser. Za podoktorsko raziskovanje v Vanderbiltu je preučeval tehniko MALDI z uporabo infrardečega laserja brez elektronov. Več informacij o Opti-MS najdete na spletni strani www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson je samostojna pisateljica in NASA-jeva ambasadorka za sončni sistem. Živi v Illinoisu.
