Billedkredit: ESA
Dr. David Ermer med sit firma, Opti-MS Corporation, er i øjeblikket ved at konstruere et miniature Time of Flight-massespektrometer, der kan registrere biologiske signaturer i en meget høj opløsning og følsomhed, men alligevel være lille nok til at blive brugt til robot- og menneskelige applikationer i rumforskning.
Ermer bruger et innovativt system, som han udviklede ved Mississippi State University, og han har modtaget en NASA Small Business Innovation Research (SBIR) pris for at fortsætte sin forskning med at bygge og teste hans enhed.
Et massespektrometer bruges til at måle molekylvægt til bestemmelse af molekylets struktur og elementære sammensætning. Et massespektrometer med høj opløsning kan bestemme masser meget præcist og kan bruges til at detektere sådanne ting som DNA / RNA-fragmenter, hele proteiner og peptider, fordøjede proteinfragmenter og andre biologiske molekyler.
En Time of Flight-massespektrometer (TOF-MS) fungerer ved at måle den tid, det tager for ioner at rejse gennem et vakuumområde på enheden, der kaldes flyrøret. Massespektrometri for flyvningstidspunktet er baseret på det faktum, at for en fast kinetisk energi er massen og hastigheden af ionerne indbyrdes forbundet. ”Elektriske felter bruges til at give ioner en kendt kinetisk energi,” forklarede Ermer. "Hvis du kender den kinetiske energi og kender afstanden, ionerne rejser, og ved, hvor lang tid det tager at rejse, kan du bestemme ionenes masse."
Ermers enhed bruger Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, eller MALDI, hvor en laserstråle er rettet mod prøven, der skal analyseres, og laseren ioniserer molekylerne, der derefter flyver ind i flyrøret. Tidspunktet for flyvning gennem røret korrelerer direkte med masse, med lettere molekyler med en kortere flyvetid end tungere.
Massespektrometerets analysator og detektor holdes i et vakuum for at lade ioner bevæge sig fra den ene ende af instrumentet til den anden uden nogen modstand fra at kollidere med luftmolekyler, hvilket ville ændre molekylets kinetiske energi.
En typisk prøveplade til en TOF-MS kan indeholde mellem 100-200 prøver, og enheden kan måle den komplette massefordeling med et enkelt skud. Derfor oprettes enorme mængder data inden for et meget kort tidsinterval, hvor flyvetidspunktet for de fleste ioner forekommer i mikrosekunder.
Ermers TOF-MS kombinerer en relativt enkel mekanisk opsætning med ekstremt hurtig elektronisk dataindsamling sammen med evnen til at måle meget store masser, hvilket er vigtigt for at udføre biologisk analyse.
Men det mest unikke aspekt af Ermers enhed er dens størrelse. De kommercielle massespektrometre, der i øjeblikket er tilgængelige, er mindst halvanden meter lange. Det er en forholdsvis stor mængde at medtage på et videnskabeligt køretøj, som f.eks. Den golfbilstore Mars Exploration Rovers eller endda det større Mars Science Laboratory Rover, der planlægges lanceret i 2009. Ermer har udtænkt en måde at miniaturisere en TOF-MS til en forbløffende 4? inches lang. Han estimerer, at hans enhed vil have et volumen på mindre end 0,75 liter, en masse på mindre end 2 kg og kræver mindre end 5 watt strøm.
Ermer brugte en ikke-lineær optimeringsteknik til at skabe en computermodel af et massespektrometer. Der var 13 parametre, som han indtastede, der skulle vælges, inklusive afstanden mellem de forskellige elementer i TOF-MS og ionaccelerationsspændingen. Ved hjælp af denne teknik var Ermer i stand til at finde nogle unikke løsninger til en meget kort TOF-MS.
”Jeg prøver at bygge et Time of Flight-massespektrometer, der er lille nok til faktisk at gå i rummet,” sagde Ermer. ”Den vigtigste applikation, som NASA ser på, er at søge efter biologiske molekyler for at finde bevis på tidligere liv på Mars. De vil også være i stand til at gøre molekylærbiologi på rumstationen, selvom Mars-applikationen har en højere prioritet. Min enhed skal komme ind under alle de krav, som NASA har, hvad angår kravene til strøm, størrelse og vægt. ”
Ermer ser også potentiale for, at hans enhed også kan bruges kommercielt. ”Hvad jeg har er en bærbar enhed til at måle biologiske molekyler,” sagde han. ”Hvis du var i en lufthavn og fandt et hvidt pulver, vil du gerne vide, om det er miltbrand eller kridtstøv ret hurtigt. Så du vil have en lille, forholdsvis billig, bærbar enhed til at kunne gøre det. ” I sit forslag til NASA sagde Ermer, ”Den vigtigste (kommercielle) ansøgning om miniature TOF-MS er screening af infektionssygdomme og biologiske stoffer. Vi tror også, at den overlegne ydelse af vores design tillader penetration i det generelle TOF-MS-marked. ”
Ermer modtog $ 70.000 i SBIR-prisen i midten af januar og har allerede bygget og testet et større bevis for konceptdesign, hvilket validerer den teknologi, han designede til sin TOF-MS. ”Indtil videre har testene været meget gode,” sagde Ermer. Jeg har detekteret molekyler op til 13.000 Dalton (Dalton er et alternativt navn på atommasseenheden eller amu.) Enheden fungerer som designet til masser op til 13.000 Dalton og har masseopløsningen noget bedre end en enhed i fuld størrelse ved 13.000 Dalton. Vi arbejder i øjeblikket på at registrere masse ud til 100.000 Dalton, og de første resultater er lovende. ”
”At få enheden op og køre er sandsynligvis den største hindring,” sagde Ermer om udfordringerne ved dette projekt. ”Meget af de hårde ting er gjort, men elektronikken er virkelig vanskelig. Til denne enhed skal du generere højspændingsimpulser på ca. 16.000 volt. Det var sandsynligvis det sværeste, vi har været nødt til at gøre indtil videre. ”
Elektronmultiplikatordetektoren er specielt designet til miniature tid for flyvespektrometri af et eksternt firma. Ermer og hans eget firma designet de fleste af de andre dele af enheden, inklusive vakuumhuset og laserekstraktoren. Da det er så lille, kræver oprettelse af disse dele meget høj tolerancebearbejdning, hvilket også blev udført af et eksternt firma.
NASA SBIR-programmet "giver øgede muligheder for små virksomheder til at deltage i forskning og udvikling, for at øge beskæftigelsen og forbedre den amerikanske konkurrenceevne," ifølge NASA. Nogle mål med programmet er at stimulere teknologisk innovation og at bruge små virksomheder til at imødekomme føderale forsknings- og udviklingsbehov. Programmet har tre faser, hvor fase I modtager $ 70.000 til seks måneders forskning for at etablere gennemførlighed og teknisk fortjeneste. Projekter, der går videre til fase II, modtager $ 600.000 til yderligere to års udvikling, og fase III giver kommercialisering af produktet.
Ermer er professor ved Mississippi State University. Han har forsket inden for områder, der er relateret til massespektrometri siden 1994, og til sin ph.d.-afhandling ved Washington State University kiggede han på energifordelingen af ioner, der genereres i forskellige materialer af en laser. Til sin postdoktoriske undersøgelse ved Vanderbilt studerede han MALDI-teknikken ved hjælp af en infrarød gratis elektronlaser. Mere information om Opti-MS kan findes på www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson er freelance forfatter og NASA Solar System Ambassador. Hun bor i Illinois.
