Кредит за изображение: ESA
Д-р Дейвид Ермер със своята компания, Opti-MS Corporation, в момента създава миниатюрен времеви спектрометър за полетна маса, който може да открива биологични подписи с много висока разделителна способност и чувствителност, но все пак е достатъчно малък, за да бъде използван за роботизирани и човешки приложения в космическото изследване.
Ермер използва иновативна система, която е разработил в Държавния университет в Мисисипи, и е получил наградата на НАСА за иновации за малък бизнес (SBIR), за да продължи изследванията си за изграждане и тестване на неговото устройство.
Масов спектрометър се използва за измерване на молекулното тегло за определяне на структурата и елементарния състав на молекулата. Масов спектрометър с висока разделителна способност може да определи много точно масите и може да се използва за откриване на такива неща като фрагменти от ДНК / РНК, цели протеини и пептиди, разградени протеинови фрагменти и други биологични молекули.
Спектрометър за време на полетна маса (TOF-MS) работи, като измерва времето, необходимо за преминаване на йони през вакуумната зона на устройството, известна като полетна тръба. Масспектрометрията на времето на полет се основава на факта, че за фиксирана кинетична енергия, масата и скоростта на йоните са взаимно свързани. "Електрическите полета се използват за даване на йони с известна кинетична енергия", обясни Ермер. "Ако знаете кинетичната енергия и знаете разстоянието, което изминават йоните, и знаете колко време отнема, тогава можете да определите масата на йоните."
Устройството на Ермер използва матрична йонизация с асистирана лазерна десорбция или MALDI, където лазерен лъч е насочен към пробата, която трябва да бъде анализирана, а лазерът йонизира молекулите, които след това летят в тръбата на полета. Времето на полет през тръбата корелира директно с масата, като по-леките молекули имат по-кратко време на полет от по-тежките.
Анализаторът и детекторът на масспектрометъра се държат във вакуум, за да оставят йоните да преминават от единия край на инструмента до другия, без никакво съпротивление от сблъскване с молекулите на въздуха, което би променило кинетичната енергия на молекулата.
Типичната пробна плоча за TOF-MS може да побере между 100-200 проби и устройството може да измерва пълното разпределение на масата с една единична изстрел. Следователно огромни количества данни се създават в много кратък интервал от време, като времето на полета за повечето йони се случва в микросекунди.
TOF-MS на Ermer комбинира сравнително проста механична настройка с изключително бързо електронно събиране на данни, заедно с възможността за измерване на много големи маси, което е от съществено значение при извършването на биологичен анализ.
Но най-уникалният аспект на устройството на Ermer е неговият размер. Търговските масови спектрометри, които се предлагат в момента, са с дължина поне един и половина метра. Това е доста голям обем, който да се включва на място на научно превозно средство, като например Голф автомобила Mars Exploration Rovers или дори по-големия Mars Science Laboratory Rover, планирано да бъде пуснато през 2009 г. Ермер е измислил начин да миниатюризира TOF-MS, за да невероятно 4? сантиметри дълги. Той изчислява, че устройството му ще има обем по-малък от 0,75 литра, маса по-малка от 2 килограма и ще изисква мощност под 5 вата.
Ермер използва нелинейна техника за оптимизация, за да създаде компютърен модел на масспектрометър. Имаше 13 параметри, които той трябваше да бъде избран, включително разстоянието на различните елементи в TOF-MS и напреженията на ускорението на йони. Използвайки тази техника, Ermer успя да намери някои уникални решения за много кратък TOF-MS.
„Опитвам се да построя Спектрометър за време на полетна маса, който е достатъчно малък, за да отиде в космоса“, каза Ермер. „Основното приложение, което НАСА разглежда е да търси биологични молекули, за да намери доказателства за миналия живот на Марс. Те също искат да могат да правят молекулярна биология на космическата станция, въпреки че приложението на Марс има по-голям приоритет. Устройството ми трябва да влиза в съответствие с всички изисквания на НАСА, що се отнася до изискванията за мощност, размер и тегло. “
Ермер също вижда потенциал устройството му да бъде използвано и за търговски цели. "Това, което имам, е преносимо устройство за измерване на биологични молекули", каза той. „Ако бяхте на летище и открихте бял прах, ще искате да знаете дали това е антракс или креда прах доста бързо. Така че искате малко, сравнително евтино, преносимо устройство, за да можете да направите това. " В предложението си към НАСА Ермер заявява: „Основното (търговско) приложение за миниатюрни TOF-MS е скринингът на инфекциозни заболявания и биологични причинители. Ние също така вярваме, че превъзходните характеристики на нашия дизайн ще позволят навлизане в общия пазар на TOF-MS. "
Ермер получи наградата SBIR в размер на 70 000 долара в средата на януари и вече е изградил и изпробвал по-голямо доказателство за концептуален дизайн, което валидира технологията, която е проектирал за своя TOF-MS. "Досега тестовете са преминали изключително добре", каза Ермер. Открих молекули до 13 000 далтона (Dalton е алтернативно наименование на единица за атомна маса или amu.) Устройството работи както е проектирано за маси до 13 000 далтона и има разделителна способност на масата малко по-добра от пълноразмерното устройство на 13 000 далтона. В момента работим върху откриването на маса до 100 000 далтона и първоначалните резултати са обещаващи. "
„Стартирането и работата на устройството е може би най-голямото препятствие“, каза Ермер за предизвикателствата на този проект. „Много трудни неща са направени, но електрониката е наистина трудна. За това устройство трябва да генерирате импулси с високо напрежение от около 16 000 волта. Това вероятно беше най-трудното нещо, което трябваше да направим досега. "
Електронният умножител детектор е специално проектиран за миниатюрно време на полетна спектрометрия от външна компания. Ермер и неговата собствена компания проектираха повечето от другите части на устройството, включително вакуумния корпус и лазерния екстрактор. Тъй като е толкова малък, създаването на тези части изисква много висока толерантна обработка, която също беше извършена от външна компания.
Програмата на НАСА SBIR „предоставя по-големи възможности на малките предприятия да участват в научноизследователска и развойна дейност, да увеличат заетостта и да подобрят конкурентоспособността на САЩ“, според НАСА. Някои цели на програмата са да стимулира технологичните иновации и да използва малките предприятия за задоволяване на федералните нужди за научни изследвания и развитие. Програмата има три фази, като фаза I получава 70 000 долара за шест месеца изследвания за установяване на осъществимост и технически достойнства. Проектите, достигащи до фаза II, получават 600 000 долара за още две години на развитие, а фаза III осигурява комерсиализация на продукта.
Ермер е професор в държавния университет в Мисисипи. Той прави изследвания в области, свързани с масовата спектрометрия от 1994 г., а за докторската си дисертация в Университета на Вашингтон, той разглежда енергийните разпределения на йони, които се генерират в различни материали с лазер. За своето следдокторско изследване във Вандербилт той изучава техниката MALDI с помощта на лазер с инфрачервен безплатен електрон. Повече информация за Opti-MS можете да намерите на www.opti-ms.com.
Нанси Аткинсън е писател на свободна практика и посланик на Слънчевата система на НАСА. Тя живее в Илинойс.
