Kép jóváírása: ESA
Dr. David Ermer a társaságával, az Opti-MS Corporation-rel jelenleg egy miniatűr repülési tömegspektrométert épít fel, amely nagyon nagy felbontással és érzékenységgel képes detektálni a biológiai szignálokat, de mégis elég kicsi ahhoz, hogy robotok és emberek számára alkalmazható legyen. az űrkutatásban.
Ermer egy olyan innovatív rendszert használ, amelyet a Mississippi Állami Egyetemen fejlesztett ki, és a NASA Kisvállalkozási Innovációs Kutatási (SBIR) díjat kapott, hogy folytatja kutatásának eszközének felépítését és tesztelését.
A molekulatömeg mérésére tömegspektrométert alkalmazunk a molekula szerkezetének és elemi összetételének meghatározására. A nagy felbontású tömegspektrométer nagyon pontosan meghatározhatja a tömegeket, és felhasználható például DNS / RNS fragmensek, teljes fehérjék és peptidek, emésztett fehérje fragmensek és más biológiai molekulák kimutatására.
A repülési idő spektrométer (TOF-MS) úgy működik, hogy megmérik az időt, amíg az ionok áthaladnak a repülési csőként ismert eszköz vákuum területén. A repülés tömegspektrometria ideje azon a tényen alapul, hogy rögzített kinetikus energia esetén az ionok tömege és sebessége összefüggenek. "Az elektromos mezőket arra használják, hogy az ionok ismert kinetikus energiát adjanak" - magyarázta Ermer. "Ha ismeri a kinetikus energiát, és ismeri az ionok megtett távolságát, és tudja, mennyi ideig tart az utazás, akkor meghatározhatja az ionok tömegét."
Ermer eszköze a Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-t vagy MALDI-t használja, ahol egy lézersugarat irányítanak az analizálandó mintára, és a lézer ionizálja azokat a molekulákat, amelyek azután repülnek a repülési csőbe. A csövön történő repülés ideje közvetlenül korrelál a tömeggel, a könnyebb molekulák rövidebb repülési idejűek, mint a nehezebbek.
A tömegspektrométer analizátort és detektorát vákuumban tartjuk, hogy az ionok a készülék egyik végétől a másikig mozoghassanak anélkül, hogy ellenállnának a légmolekulákkal való ütközésnek, amely megváltoztatná a molekula kinetikus energiáját.
A TOF-MS tipikus mintadarabja 100-200 minta között lehet, és az eszköz egyetlen lökéssel mérheti a teljes tömeg eloszlást. Ezért hatalmas mennyiségű adat jön létre nagyon rövid időintervallumban, a legtöbb ion repülési ideje mikrosekundumokban fordul elő.
Az Ermer TOF-MS-je egy viszonylag egyszerű mechanikus beállítást és a rendkívül gyors elektronikus adatgyűjtést ötvözi a nagyon nagy tömegek mérésének képességével, ami elengedhetetlen a biológiai elemzéshez.
De Ermer készülékének legegyedibb aspektusa a mérete. A jelenleg elérhető kereskedelmi tömegspektrométerek legalább másfél méter hosszúak. Ez egy meglehetősen nagy mennyiség, amelyet bele lehet foglalni egy olyan in situ tudományos járműbe, mint például a golfkocsi méretű Mars Exploration Rovers vagy akár a nagyobb Mars Science Laboratory Rover, amelyet 2009-ben terveznek elindítani. Ermer kidolgozott egy módszert egy TOF-MS miniatürizálására. egy csodálatos 4? hüvelyk hosszú. Becslései szerint eszközének térfogata kevesebb, mint 0,75 liter, tömege kevesebb, mint 2 kg, és kevesebb, mint 5 watt teljesítményt igényel.
Ermer nemlineáris optimalizálási technikát alkalmazott egy tömegspektrométer számítógépes modelljének elkészítéséhez. 13 bevitt paramétert választott ki, beleértve a TOF-MS különböző elemeinek távolságát és az iongyorsítási feszültségeket. Ennek a technikának az alkalmazásával az Ermer képes volt megtalálni néhány egyedi megoldást egy nagyon rövid TOF-MS-hez.
"Megpróbálom egy olyan repülési idős spektrométert felépíteni, amely elég kicsi ahhoz, hogy valóban az űrbe menjen" - mondta Ermer. „A NASA által vizsgált legfontosabb alkalmazás a biológiai molekulák keresése, hogy bizonyítékokat találjanak a Marson korábbi életéről. Azt is akarják, hogy képes legyen molekuláris biológiát végezni az űrállomáson, bár a Mars alkalmazás prioritása nagyobb. A készülékemnek az összes olyan követelménynek meg kell felelnie, amely a NASA-nak teljesítménnyel, méretével és súlyával kapcsolatos. ”
Ermer azt is látja, hogy készüléke kereskedelmi szempontból is használható. "Van egy hordozható eszköz a biológiai molekulák mérésére" - mondta. „Ha egy repülőtéren találtál egy fehér port, akkor azt szeretné megtudni, hogy ez antrax vagy krétapor elég gyorsan. Tehát azt szeretné, hogy egy kicsi, meglehetősen olcsó, hordozható eszköz képes legyen erre. ” A NASA-hoz intézett javaslatában Ermer kijelentette: „A miniatűr TOF-MS fő (kereskedelmi) alkalmazása a fertőző betegségek és a biológiai ágensek szűrése. Úgy gondoljuk továbbá, hogy kivitelezésünk kiváló teljesítménye lehetővé teszi a behatolást a TOF-MS általános piacára. ”
Ermer január közepén megkapta a 70 000 dolláros SBIR-díjat, és már épített és tesztelt a koncepciótervezés nagyobb bizonyítékát, amely validálja azt a technológiát, amelyet a TOF-MS számára tervezett. "Eddig a tesztek rendkívül jól mentek" - mondta Ermer. Legfeljebb 13 000 dalton molekulákat fedeztem fel (a Dalton az atomtömeg-egység alternatív neve, vagy amu.) A készülék úgy működik, mint a 13 000 dalton tömegűek, és a tömegfelbontása valamivel jobb, mint egy teljes méretű készülék esetén 13 000 dalton. Jelenleg azon dolgozunk, hogy felmérjük a 100 000 dalton tömeget, és a kezdeti eredmények ígéretesek. ”
"Valószínűleg a legnagyobb akadály az eszköz üzembe helyezése és működtetése" - mondta Ermer a projekt kihívásairól. „Sok nehéz dolgot megtettünk, de az elektronika nagyon nehéz. Ehhez a készülékhez nagyfeszültségű impulzusokat kell generálnia, körülbelül 16 000 volt. Ez talán a legnehezebb dolog, amit eddig meg kellett tennünk. ”
Az elektron multiplikátor érzékelőt kifejezetten egy külső cég repülési spektrometria miniatűr idejére tervezték. Ermer és saját vállalata megtervezte a készülék többi részének nagy részét, beleértve a vákuumházat és a lézeres elszívót. Mivel ilyen kicsi, ezeknek az alkatrészeknek a létrehozása nagyon nagy tolerancia megmunkálást igényel, amit egy külső cég is elvégezett.
A NASA SBIR programja „nagyobb lehetőségeket kínál a kisvállalkozások számára a kutatásban és fejlesztésben való részvételre, a foglalkoztatás növelésére és az Egyesült Államok versenyképességének javítására” - mondta a NASA. A program néhány célja a technológiai innováció ösztönzése és a kisvállalkozások felhasználása a szövetségi kutatási és fejlesztési igények kielégítésére. A program három szakaszból áll: az I. fázis 70 000 dollárt kap hat hónapos kutatásra, a megvalósíthatóság és a műszaki érdemek megállapítása érdekében. A II. Fázisba jutó projektek további két év fejlesztés után 600 000 dollárt kapnak, a III. Fázis biztosítja a termék forgalmazását.
Ermer a Mississippi Állami Egyetem professzora. 1994 óta kutatásokat végez a tömegspektrometriával kapcsolatos területeken, és a Washingtoni Állami Egyetemen folytatott doktori értekezéséhez a különböző anyagokban lézer által generált ionok energiaeloszlását vizsgálta. Vanderbilt-ban végzett posztdoktori kutatása során a MALDI technikát tanulmányozta egy infravörös szabad elektron lézer segítségével. További információ az Opti-MS-ről a www.opti-ms.com oldalon található.
Nancy Atkinson szabadúszó író és a NASA Naprendszer nagykövete. Illinoisban él.
