Bildekreditt: ESA
Dr. David Ermer, med sitt selskap, Opti-MS Corporation, konstruerer for tiden et miniatyr Time of Flight Mass Spectrometer som kan oppdage biologiske signaturer med veldig høy oppløsning og følsomhet, men likevel være små nok til å brukes til robotiske og menneskelige applikasjoner i romutforskning.
Ermer bruker et innovativt system som han utviklet ved Mississippi State University, og han har mottatt en NASA Small Business Innovation Research (SBIR) pris for å fortsette forskningen sin for å bygge og teste enheten hans.
Et massespektrometer brukes til å måle molekylvekt for å bestemme strukturen og elementarsammensetningen til et molekyl. Et høyoppløselig massespektrometer kan bestemme masser veldig presist, og kan brukes til å oppdage slike ting som DNA / RNA-fragmenter, hele proteiner og peptider, fordøyde proteinfragmenter og andre biologiske molekyler.
En Time of Flight-massespektrometer (TOF-MS) fungerer ved å måle tiden det tar for ioner å reise gjennom et vakuumområde på enheten kjent som flyrøret. Massespektrometri for flytid er basert på det faktum at for en fast kinetisk energi henger sammen massen og hastigheten til ionene. "Elektriske felt brukes til å gi ioner en kjent kinetisk energi," forklarte Ermer. "Hvis du kjenner kinetisk energi og vet avstanden til ionene beveger seg, og vet hvor lang tid det tar å reise, kan du bestemme massen til ionene."
Ermers enhet bruker Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, eller MALDI, der en laserstråle er rettet mot prøven som skal analyseres, og laseren ioniserer molekylene som deretter flyr inn i flyrøret. Flytidspunktet gjennom røret korrelerer direkte med masse, med lettere molekyler som har kortere flytid enn tyngre.
Analysatoren og detektoren til massespektrometeret holdes i et vakuum for å la ionene bevege seg fra den ene enden av instrumentet til den andre uten motstand fra å kollidere med luftmolekyler, noe som vil endre den kinetiske energien til molekylet.
En typisk prøveplate for en TOF-MS kan inneholde mellom 100-200 prøver, og enheten kan måle den komplette massedistribusjonen med ett enkelt skudd. Derfor lages enorme datamengder i løpet av veldig kort tidsintervall, med flytiden for de fleste ioner som forekommer i mikrosekunder.
Ermers TOF-MS kombinerer et relativt enkelt mekanisk oppsett med ekstremt raskt elektronisk datainnsamling, sammen med muligheten til å måle veldig store masser, noe som er avgjørende for biologisk analyse.
Men det mest unike aspektet av Ermers enhet er størrelsen. De kommersielle massespektrometre som for øyeblikket er tilgjengelige, er minst halvannen meter lange. Det er et ganske stort volum å ta med på et vitenskapelig kjøretøy som stedet, som golfbiler i størrelse Mars Exploration Rovers eller til og med større Mars Science Laboratory Rover som planlagt ble lansert i 2009. Ermer har tenkt en måte å miniaturisere en TOF-MS til en fantastisk 4? inches lang. Han anslår at enheten hans vil ha et volum på mindre enn 0,75 liter, en masse på under 2 kg og krever mindre enn 5 watt strøm.
Ermer benyttet en ikke-lineær optimaliseringsteknikk for å lage en datamaskinmodell av et massespektrometer. Det var 13 parametere han skrev inn som måtte velges, inkludert avstanden mellom de forskjellige elementene i TOF-MS og ioneakselerasjonsspenningene. Ved å bruke denne teknikken kunne Ermer finne noen unike løsninger for en veldig kort TOF-MS.
"Jeg prøver å bygge et Time of Flight-massespektrometer som er lite nok til å faktisk gå i verdensrommet," sa Ermer. "Den viktigste applikasjonen som NASA ser på er å søke etter biologiske molekyler for å finne bevis på tidligere liv på Mars. De ønsker også å kunne gjøre molekylærbiologi på romstasjonen, selv om Mars-applikasjonen har en høyere prioritet. Enheten min skal komme inn under alle kravene som NASA har, så langt kravene til kraft, størrelse og vekt. "
Ermer ser også potensiale for at enheten hans også kan brukes kommersielt. "Det jeg har er en bærbar enhet for å måle biologiske molekyler," sa han. "Hvis du var på en flyplass og fant et hvitt pulver, vil du vite om det er miltbrann eller krittstøv ganske raskt. Så du vil at en liten, ganske billig, bærbar enhet skal kunne gjøre det. ” I sitt forslag til NASA uttalte Ermer: “Den viktigste (kommersielle) søknaden for miniatyr TOF-MS er screening av smittsom sykdom og biologiske stoffer. Vi tror også at den overlegne ytelsen til vårt design vil tillate penetrering i det generelle TOF-MS-markedet. "
Ermer mottok SBIR-prisen på 70 000 dollar i midten av januar, og har allerede bygget og testet et større bevis på konseptdesign, som validerer teknologien som han designet for sin TOF-MS. "Så langt har testene gått veldig bra," sa Ermer. Jeg har oppdaget molekyler opptil 13 000 Dalton (Dalton er et alternativt navn for atommasseenhet, eller amu.) Enheten fungerer som designet for masser opp til 13.000 Dalton og har masseoppløsningen noe bedre enn en enhet i full størrelse på 13.000 Dalton. Vi jobber for tiden med å oppdage masse til 100.000 Dalton og de første resultatene er lovende. ”
"Å komme enheten i gang er sannsynligvis det største hinderet," sa Ermer om utfordringene med dette prosjektet. “Mange av de vanskelige tingene er gjort, men elektronikken er virkelig vanskelig. For denne enheten må du generere høyspenningspulser på omtrent 16.000 volt. Det var sannsynligvis det vanskeligste vi har hatt til nå. "
Elektronmultiplikatordetektoren er spesialdesignet for miniatyrtid av flyspektrometri av et eksternt selskap. Ermer og hans eget selskap designet de fleste av de andre delene av enheten, inkludert vakuumhuset og laseravtrekkeren. Siden det er så lite, krever det å lage disse delene veldig høy toleranse-maskinering, noe som også ble gjort av et eksternt selskap.
NASA SBIR-programmet "gir økte muligheter for små bedrifter til å delta i forskning og utvikling, til å øke sysselsettingen og forbedre amerikansk konkurranseevne," ifølge NASA. Noen mål med programmet er å stimulere til teknologisk innovasjon, og å bruke små bedrifter for å møte føderale forsknings- og utviklingsbehov. Programmet har tre faser, med fase I som mottar $ 70 000 for seks måneders forskning for å etablere gjennomførbarhet og teknisk fortjeneste. Prosjekter som går over til fase II mottar $ 600 000 for ytterligere to år med utvikling, og fase III gir kommersialisering av produktet.
Ermer er professor ved Mississippi State University. Han har forsket på felt relatert til massespektrometri siden 1994, og for sin doktorgradsavhandling ved Washington State University så han på energifordelingene til ioner som genereres i forskjellige materialer av en laser. For sin postdoktoriske undersøkelse ved Vanderbilt studerte han MALDI-teknikken ved hjelp av en infrarød gratis elektronlaser. Mer informasjon om Opti-MS finner du på www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson er frilansskribent og NASA Solar System Ambassador. Hun bor i Illinois.
