Obrazový kredit: ESA
David Ermer so svojou spoločnosťou Opti-MS Corporation v súčasnosti buduje miniatúrny hmotnostný spektrometer času, ktorý dokáže detekovať biologické podpisy vo veľmi vysokom rozlíšení a citlivosti, ale napriek tomu musí byť dostatočne malý na použitie v robotických a ľudských aplikáciách. vo výskume vesmíru.
Ermer používa inovatívny systém, ktorý vyvinul na Mississippi State University a získal ocenenie NASIR Small Business Innovation Research (SBIR), aby mohol pokračovať vo výskume pri vývoji a testovaní svojho zariadenia.
Hmotnostný spektrometer sa používa na meranie molekulovej hmotnosti na stanovenie štruktúry a elementárneho zloženia molekuly. Hmotnostný spektrometer s vysokým rozlíšením môže veľmi presne určiť hmotnosti a môže sa použiť na detekciu takých vecí, ako sú fragmenty DNA / RNA, celé proteíny a peptidy, fragmenty štiepených proteínov a ďalšie biologické molekuly.
Hmotnostný spektrometer s časom letu (TOF-MS) pracuje tak, že meria čas potrebný na to, aby ióny prešli cez vákuovú oblasť zariadenia známeho ako letová trubica. Hmotnostná spektrometria času letu je založená na skutočnosti, že pre pevnú kinetickú energiu je hmotnosť a rýchlosť iónov vzájomne prepojená. "Elektrické polia sa používajú na dodanie iónov známej kinetickej energii," vysvetlil Ermer. "Ak poznáte kinetickú energiu a poznáte vzdialenosť, ktorú ióny cestujú, a viete, ako dlho trvá cestovanie, potom môžete určiť hmotnosť iónov."
Ermerove zariadenie používa Matrix Assisted Laser Desorption Ionization alebo MALDI, kde je laserový lúč nasmerovaný na analyzovanú vzorku a laser ionizuje molekuly, ktoré potom lietajú do letovej trubice. Čas letu trubicou koreluje priamo s hmotnosťou, pričom ľahšie molekuly majú kratší čas letu ako ťažšie.
Analyzátor a detektor hmotnostného spektrometra sa udržiavajú vo vákuu, aby nechali ióny putovať z jedného konca prístroja na druhý bez toho, aby došlo k akémukoľvek odporu pred zrážkou s molekulami vzduchu, čo by zmenilo kinetickú energiu molekuly.
Typická doska na vzorky pre TOF-MS môže pojať medzi 100-200 vzorkami a zariadenie môže zmerať úplné rozloženie hmoty pomocou jediného výstrelu. Preto sa vo veľmi krátkom časovom intervale vytvára obrovské množstvo údajov, pričom čas letu väčšiny iónov sa vyskytuje v mikrosekundy.
Ermerov TOF-MS kombinuje relatívne jednoduché mechanické nastavenie s extrémne rýchlym elektronickým získavaním údajov, spolu so schopnosťou merať veľmi veľké množstvá, čo je nevyhnutné pri uskutočňovaní biologickej analýzy.
Ale najunikátnejším aspektom Ermerovho zariadenia je jeho veľkosť. V súčasnosti dostupné komerčné hmotnostné spektrometre sú dlhé najmenej jeden a pol metra. Je to pomerne veľký objem, ktorý je možné zahrnúť do vedeckého vozidla in-situ, ako je napríklad golfový automobil s veľkosťou Mars Exploration Rovers alebo dokonca väčšie výskumné laboratórium Mars Science Laboratory Rover, ktoré sa plánuje uviesť na trh v roku 2009. Ermer navrhol spôsob miniaturizácie TOF-MS na úžasný 4? palce dlhé. Odhaduje, že jeho zariadenie bude mať objem menší ako 0,75 litra, hmotnosť menšiu ako 2 kilogramy a bude vyžadovať menej ako 5 wattov energie.
Ermer použil nelineárnu optimalizačnú techniku na vytvorenie počítačového modelu hmotnostného spektrometra. Musí sa zvoliť 13 parametrov, ktoré museli byť vybrané, vrátane rozmiestnenia rôznych prvkov v TOF-MS a napätí na urýchlenie iónov. Pomocou tejto techniky bol Ermer schopný nájsť niekoľko jedinečných riešení pre veľmi krátke TOF-MS.
„Snažím sa vybudovať hmotnostný spektrometer času letu, ktorý je dostatočne malý na to, aby skutočne vstúpil do vesmíru,“ povedal Ermer. „Hlavnou aplikáciou, na ktorú sa NASA pozerá, je hľadanie biologických molekúl, aby sa našli dôkazy o minulom živote na Marse. Chcú tiež byť schopní robiť molekulárnu biológiu na vesmírnej stanici, hoci aplikácia Mars má vyššiu prioritu. Moje zariadenie by malo spĺňať všetky požiadavky, ktoré má NASA, pokiaľ ide o požiadavky na výkon, veľkosť a hmotnosť. “
Ermer tiež vidí potenciál komerčného použitia svojho zariadenia. „Čo mám, je prenosné zariadenie na meranie biologických molekúl,“ povedal. „Keby ste boli na letisku a našli ste biely prášok, budete chcieť vedieť, či je to antrax alebo kriedový prach pomerne rýchlo. Takže chcete, aby to malé, pomerne lacné prenosné zariadenie dokázalo urobiť. “ Ermer vo svojom návrhu NASA uviedol: „Hlavnou (komerčnou) aplikáciou miniatúrneho TOF-MS je skríning infekčných chorôb a biologických pôvodcov. Sme tiež presvedčení, že vynikajúci výkon nášho dizajnu umožní preniknúť na všeobecný trh TOF-MS. “
Ermer získal cenu SBIR 70 000 dolárov v polovici januára a už postavil a otestoval väčší dôkaz koncepcie dizajnu, ktorý potvrdzuje technológiu, ktorú navrhol pre svoj TOF-MS. "Doposiaľ testy prešli veľmi dobre," povedal Ermer. Zistil som molekuly až do 13 000 Daltonov (Dalton je alternatívny názov pre atómovú hmotnostnú jednotku alebo amu.) Zariadenie pracuje tak, ako je navrhnuté pre masy do 13 000 Daltonov a má rozlíšenie hmoty o niečo lepšie ako úplné zariadenie pri 13 000 Daltonoch. V súčasnosti pracujeme na zisťovaní množstva až do 100 000 daltonov a počiatočné výsledky sú sľubné. “
„Uvedenie zariadenia do prevádzky je pravdepodobne najväčšou prekážkou,“ povedal Ermer o výzvach tohto projektu. „Je vykonaných veľa ťažkých vecí, ale elektronika je skutočne ťažká. Pre toto zariadenie musíte generovať vysokonapäťové impulzy asi 16 000 voltov. To bola pravdepodobne najťažšia vec, ktorú sme doteraz museli urobiť. “
Detektor elektrónového multiplikátora je špeciálne navrhnutý pre miniatúrny čas letovej spektrometrie od vonkajšej spoločnosti. Ermer a jeho vlastná spoločnosť navrhli väčšinu ďalších častí zariadenia, vrátane vákuového krytu a laserového extraktora. Keďže je to tak malé, vytvorenie týchto častí vyžaduje obrábanie s veľmi vysokou toleranciou, čo urobila aj vonkajšia spoločnosť.
Program NASA SBIR „poskytuje malým podnikom väčšie príležitosti na účasť na výskume a vývoji, na zvýšení zamestnanosti a na zlepšení konkurencieschopnosti USA“, tvrdí NASA. Niektoré ciele programu sú stimulovať technologické inovácie a využívať malé podniky na splnenie federálnych potrieb v oblasti výskumu a vývoja. Program má tri fázy. Fáza I dostáva 70 000 dolárov na šesť mesiacov výskumu, aby sa stanovila realizovateľnosť a technická výhoda. Projekty, ktoré sa dostanú do fázy II, dostanú 600 000 dolárov na ďalšie dva roky vývoja a fáza III poskytuje komercializáciu produktu.
Ermer je profesorom na Mississippi State University. Výskum v oblastiach súvisiacich s hmotnostnou spektrometriou sa venuje od roku 1994 a pre svoju dizertačnú prácu na Washingtonskej štátnej univerzite sa zaoberal distribúciou energie iónov, ktoré sú generované laserom v rôznych materiáloch. Pre svoj postdoktorandský výskum na Vanderbilt študoval techniku MALDI pomocou infračerveného voľného elektrónového lasera. Viac informácií o Opti-MS nájdete na www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson je spisovateľ na voľnej nohe a veľvyslanec NASA Solar System Ambassador. Žije v Illinois.
