Kujutise krediit: ESA
Dr David Ermer koos oma ettevõtte Opti-MS Corporationiga ehitab praegu miniatuurset mass-spektromeetrit, mis suudab tuvastada bioloogilisi signatuure väga suure eraldusvõime ja tundlikkusega, kuid on siiski piisavalt väike, et kasutada neid robotite ja inimeste jaoks kosmoseuuringutes.
Ermer kasutab innovaatilist süsteemi, mille ta välja töötas Mississippi Riiklikus Ülikoolis, ja ta on saanud NASA väikeettevõtluse innovatsiooniuuringute (SBIR) auhinna, et jätkata oma uurimistööga oma seadme ehitamiseks ja testimiseks.
Molekulmassi mõõtmiseks kasutatakse massispektromeetrit, et määrata molekuli struktuur ja elementaarne koostis. Kõrglahutusega massispektromeeter saab masse väga täpselt kindlaks määrata ja seda saab kasutada DNA / RNA fragmentide, täisvalkude ja peptiidide, lagundatud valgufragmentide ja muude bioloogiliste molekulide tuvastamiseks.
Lennu massispektromeeter (TOF-MS) mõõdab aega, mis kulub ioonidel liikumiseks läbi lennutoru tuntud seadme vaakumiala. Lennu massispektromeetria aeg põhineb asjaolul, et fikseeritud kineetilise energia korral on ioonide mass ja kiirus omavahel seotud. "Elektrivälju kasutatakse ioonidele teadaoleva kineetilise energia andmiseks," selgitas Ermer. "Kui teate kineetilist energiat ja ioonide läbimiskaugust ning teate, kui kaua reisil kulub, saate määrata ioonide massi."
Ermeri seade kasutab Matrix Assisted Laser Desorption Ionization ehk MALDI, kus laserkiir suunatakse analüüsitavale proovile ja laser ioniseerib molekule, mis seejärel lendavad lennutorusse. Toru kaudu lendamise aeg korreleerub otseselt massiga, kergematel molekulidel on lühem lennuaeg kui raskematel.
Massispektromeetri analüsaatorit ja detektorit hoitakse vaakumis, et ioonid saaksid instrumendi ühest otsast teise liikuda ilma õhumolekulidega kokkupõrke takistuseta, mis muudaks molekuli kineetilist energiat.
TOF-MS tüüpiline prooviplaat mahutab 100-200 proovi ja seade suudab mõõta kogu massi jaotumist ühe võttega. Seetõttu luuakse väga lühikese ajavahemiku jooksul tohutul hulgal andmeid, enamiku ioonide lennuaeg toimub mikrosekundites.
Ermeri TOF-MS ühendab suhteliselt lihtsa mehaanilise seadistuse ja ülikiire elektroonilise andmete hankimise ning võimaluse mõõta väga suuri masse, mis on bioloogilise analüüsi tegemisel hädavajalik.
Kuid Ermeri seadme kõige unikaalsem külg on selle suurus. Praegu müügil olevad massispektromeetrid on vähemalt poolteist meetrit pikad. See on üsna suur maht, et lisada see in-situ teadussõidukisse, näiteks golfiauto suuruses Mars Exploration Rovers või isegi suuremasse Mars Science Laboratory Roverisse, mis plaanitakse turule tooma 2009. aastal. Ermer on välja töötanud viisi, kuidas TOF-MS minimeerida hämmastav 4? tolli pikk. Tema hinnangul on tema seadme maht alla 0,75 liitri, mass alla 2 kilogrammi ja selle energiatarve on alla 5 vatti.
Ermer kasutas massispektromeetri arvutimudeli loomiseks mittelineaarset optimeerimise tehnikat. Sisendisse tuli valida 13 parameetrit, sealhulgas erinevate elementide vahekaugus TOF-MS-is ja ioonkiirenduspinged. Seda tehnikat kasutades suutis Ermer leida unikaalseid lahendusi väga lühikese TOF-MS jaoks.
"Proovin ehitada lennumassispektromeetri, mis on piisavalt väike, et tegelikult kosmosesse minna," ütles Ermer. „Peamine rakendus, mida NASA vaatab, on bioloogiliste molekulide otsimine, et leida tõendeid varasema elu kohta Marsil. Samuti soovivad nad olla võimelised kosmosejaamas molekulaarbioloogiat tegema, ehkki Marsi rakendusel on suurem prioriteet. Minu seade peaks vastama kõigile NASA nõuetele, sealhulgas võimsuse, suuruse ja kaalu nõuetele. ”
Samuti näeb Ermer potentsiaali, et tema seadet saab kasutada ka ärilisel eesmärgil. "Mul on kaasaskantav seade bioloogiliste molekulide mõõtmiseks," ütles ta. „Kui asusite lennujaamas ja leidsite valget pulbrit, siis tahaksite teada saada, kas see on siberi katk või kriiditolm üsna kiiresti. Nii et soovite, et väike, üsna odav kaasaskantav seade saaks seda teha. ” Oma ettepanekus NASA-le ütles Ermer: “Miniatuurse TOF-MS peamine (kaubanduslik) rakendus on nakkushaiguste ja bioloogiliste mõjurite sõeluuring. Samuti usume, et meie disaini suurepärased toimivused võimaldavad tungida TOF-MS üldisele turule. ”
Ermer sai jaanuari keskel SBIR-i auhinnaks 70 000 dollarit. Ta on juba ehitanud ja katsetanud kontseptsiooni väljatöötamise suuremat tõendit, mis kinnitab tema TOF-MS jaoks kavandatud tehnoloogiat. "Siiani on testid läinud väga hästi," sõnas Ermer. Olen tuvastanud molekule kuni 13 000 daltonit (Dalton on aatommassiühiku alternatiivnimi või amu.) Seade töötab nii, nagu on ette nähtud massideks kuni 13 000 daltonit ja selle massi lahutusvõime on mõnevõrra parem kui täissuuruses seadme puhul 13 000 daltonit. Praegu tegeleme 100 000 daltonini ulatuva massi tuvastamisega ja esialgsed tulemused on paljulubavad. ”
“Seadme kasutuselevõtmine ja käitamine on ilmselt suurim takistus,” rääkis Ermer selle projekti väljakutsetest. “Tehakse palju raskeid asju, kuid elektroonika on tõesti keeruline. Selle seadme jaoks peate genereerima umbes 16 000 volti kõrgepinge impulsse. See oli ilmselt kõige raskem asi, mida seni teinud oleme. "
Elektronide kordistamisdetektor on spetsiaalselt loodud välise ettevõtte poolt teostatavaks lennuspektromeetria miniatuurseks kasutamiseks. Ermer ja tema enda ettevõte kavandasid enamiku seadme muudest osadest, sealhulgas vaakumkorpuse ja laseriekstraktori. Kuna see on nii väike, nõuab nende osade loomine väga suure tolerantsiga töötlemist, mida tegi ka väline ettevõte.
NASA andmetel pakub NASA SBIR-programm "väikeettevõtetele suuremaid võimalusi uurimis- ja arendustegevuses osalemiseks, tööhõive suurendamiseks ja USA konkurentsivõime parandamiseks". Programmi mõned eesmärgid on stimuleerida tehnoloogilisi uuendusi ja kasutada väikeettevõtteid föderaalsete teadus- ja arendustegevuse vajaduste rahuldamiseks. Programmil on kolm etappi: I etapp saab kuuekuulise uurimistöö eest 70 000 dollarit, et teha kindlaks teostatavus ja tehnilised eelised. II etappi jõudvad projektid saavad veel kaks aastat arendustööd 600 000 dollarit ja III etapp pakub toote turustamist.
Ermer on Mississippi Riikliku Ülikooli professor. Ta on teadusuuringuid teinud massispektromeetriaga seotud valdkondades alates 1994. aastast ja Washingtoni osariigi ülikoolis doktoritöö jaoks vaatles laserite abil erinevates materjalides tekkivate ioonide energiajaotust. Vanderbiltis järeldoktorina uurinud MALDI tehnikat, kasutades infrapunavaba elektronide laserit. Lisateavet Opti-MS kohta leiate veebisaidilt www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson on vabakutseline kirjanik ja NASA päikesesüsteemi suursaadik. Ta elab Illinoisis.
