Obrazový kredit: ESA
Dr. David Ermer se svou společností Opti-MS Corporation v současné době staví miniaturní hmotnostní spektrometr času, který dokáže detekovat biologické podpisy ve velmi vysokém rozlišení a citlivosti, ale přesto být dostatečně malý na to, aby byl použit pro robotické a lidské aplikace. ve výzkumu vesmíru.
Ermer používá inovativní systém, který vyvinul na Mississippi State University, a získal cenu NASA Small Business Innovation Research (SBIR), aby pokračoval ve svém výzkumu v oblasti budování a testování svého zařízení.
Hmotnostní spektrometr se používá k měření molekulové hmotnosti k určení struktury a elementárního složení molekuly. Hmotnostní spektrometr s vysokým rozlišením může určit hmotnosti velmi přesně a může být použit k detekci takových věcí, jako jsou fragmenty DNA / RNA, celé proteiny a peptidy, štěpené proteinové fragmenty a další biologické molekuly.
Hmotnostní spektrometr času letu (TOF-MS) pracuje tak, že měří čas, který ionty potřebují k pohybu ve vakuové oblasti zařízení známého jako letová trubice. Hmotnostní spektrometrie doby letu je založena na skutečnosti, že pro pevnou kinetickou energii je hmota a rychlost iontů vzájemně propojena. "Elektrická pole se používají k tomu, aby ionty získaly známou kinetickou energii," vysvětlil Ermer. "Pokud znáte kinetickou energii a znáte vzdálenost, kterou ionty cestují, a víte, jak dlouho trvá cestování, pak můžete určit hmotnost iontů."
Ermerovo zařízení používá Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, neboli MALDI, kde laserový paprsek směřuje k analyzovanému vzorku a laser ionizuje molekuly, které pak létají do letové trubice. Čas letu trubicí koreluje přímo s hmotou, s lehčími molekulami, které mají kratší dobu letu než těžší.
Analyzátor a detektor hmotnostního spektrometru jsou udržovány ve vakuu, aby nechaly ionty cestovat z jednoho konce přístroje na druhý bez jakéhokoli odporu z kolize s molekulami vzduchu, což by změnilo kinetickou energii molekuly.
Typická deska pro vzorky pro TOF-MS pojme 100 až 200 vzorků a zařízení může změřit úplné rozložení hmoty jediným výstřelem. Proto se ve velmi krátkém časovém intervalu vytváří obrovské množství dat, přičemž doba letu většiny iontů se vyskytuje v mikrosekundách.
Ermer's TOF-MS kombinuje relativně jednoduché mechanické nastavení s extrémně rychlým elektronickým sběrem dat a schopností měřit velmi velké hmotnosti, což je nezbytné při provádění biologických analýz.
Ale nejunikátnějším aspektem Ermerova zařízení je jeho velikost. V současnosti dostupné komerční hmotnostní spektrometry jsou dlouhé nejméně jeden a půl metru. To je docela velký objem, který lze zahrnout do vědeckého vozidla na místě, jako je golfový vůz velikosti Mars Exploration Rovers nebo dokonce větší Mars Science Laboratory Rover, který měl být uveden na trh v roce 2009. Ermer vymyslel způsob, jak miniaturizovat TOF-MS úžasný 4? palce dlouho. Odhaduje, že jeho zařízení bude mít objem menší než 0,75 litru, hmotnost menší než 2 kilogramy a vyžaduje méně než 5 wattů energie.
Ermer použil nelineární optimalizační techniku k vytvoření počítačového modelu hmotnostního spektrometru. Bylo nutné vybrat 13 parametrů, včetně rozestupu různých prvků v TOF-MS a napětí iontové akcelerace. Pomocí této techniky byl Ermer schopen najít některá jedinečná řešení pro velmi krátké TOF-MS.
"Snažím se postavit hmotnostní hmotnostní spektrometr Time of Flight, který je dostatečně malý na to, aby skutečně vstoupil do vesmíru," řekl Ermer. „Hlavní aplikací, na kterou se NASA dívá, je hledání biologických molekul, aby se našly důkazy o minulém životě na Marsu. Chtějí také být schopni provádět molekulární biologii na vesmírné stanici, ačkoli aplikace Mars má vyšší prioritu. Moje zařízení by mělo splňovat všechny požadavky, které má NASA, pokud jde o požadavky na výkon, velikost a hmotnost. “
Ermer také vidí potenciál pro komerční využití tohoto zařízení. "Co mám, je přenosné zařízení pro měření biologických molekul," řekl. "Kdybys byl na letišti a našel bílý prášek, budeš chtít vědět, jestli je to antrax nebo křídový prach poměrně rychle." Takže chcete, aby to malé, docela levné, přenosné zařízení dokázalo. “ Ermer ve svém návrhu NASA uvedl: „Hlavní (komerční) aplikací miniaturního TOF-MS je screening infekčních chorob a biologických původců. Věříme také, že vynikající výkon našeho designu umožní proniknutí na obecný trh TOF-MS. “
Ermer získal cenu SBIR 70 000 USD v polovině ledna a již postavil a otestoval větší důkaz koncepčního designu, který potvrzuje technologii, kterou navrhl pro svůj TOF-MS. "Doposud testy prošly velmi dobře," řekl Ermer. Zjistil jsem molekuly až do 13 000 Daltonů (Dalton je alternativní název pro atomovou hmotnostní jednotku nebo amu.) Zařízení pracuje tak, jak bylo navrženo pro hmotnosti do 13 000 Daltonů, a má hmotnostní rozlišení o něco lepší než zařízení v plné velikosti na 13 000 Daltonech. V současné době pracujeme na detekci hmotnosti až 100 000 daltonů a počáteční výsledky jsou slibné. “
"Uvedení zařízení do provozu je pravděpodobně největší překážkou," řekl Ermer o výzvách tohoto projektu. "Mnoho těžkých věcí je hotovo, ale elektronika je opravdu obtížná." Pro toto zařízení musíte generovat vysokonapěťové impulsy asi 16 000 voltů. To byla pravděpodobně ta nejtěžší věc, kterou jsme zatím museli udělat. “
Detektor elektronového multiplikátoru je speciálně navržen pro miniaturní dobu letové spektrometrie od vnější společnosti. Ermer a jeho vlastní společnost navrhli většinu ostatních částí zařízení, včetně vakuového krytu a laserového extraktoru. Vzhledem k tomu, že je tak malý, vyžaduje vytvoření těchto součástí obrábění s velmi vysokou tolerancí, což provedla také externí společnost.
Program NASA SBIR „poskytuje malým podnikům větší příležitosti k účasti na výzkumu a vývoji, ke zvýšení zaměstnanosti a ke zlepšení konkurenceschopnosti USA“, uvádí NASA. Mezi některé cíle programu patří stimulace technologických inovací a využití malých podniků k uspokojení federálních potřeb výzkumu a vývoje. Program má tři fáze, přičemž fáze I dostává po dobu šesti měsíců výzkumu částku 70 000 USD, aby byla stanovena proveditelnost a technické přínosy. Projekty, které se dostanou do fáze II, obdrží za další dva roky vývoje 600 000 dolarů a fáze III poskytuje komercializaci produktu.
Ermer je profesorem na Mississippi State University. Od roku 1994 se věnuje výzkumu v oborech souvisejících s hmotnostní spektrometrií a pro svoji doktorskou práci na Washington State University se zabýval rozložením energie iontů, které jsou generovány laserem v různých materiálech. Pro svůj postdoktorský výzkum na Vanderbiltu studoval techniku MALDI pomocí infračerveného volného elektronového laseru. Více informací o Opti-MS naleznete na www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson je spisovatel na volné noze a velvyslanec NASA Solar System Ambassador. Žije v Illinois.
