Attēla kredīts: ESA
Dr Davids Ermers ar savu uzņēmumu Opti-MS Corporation šobrīd konstruē miniatūru lidojuma masas spektrometru, kas var noteikt bioloģiskos parakstus ar ļoti augstu izšķirtspēju un jutīgumu, bet tomēr ir pietiekami mazs, lai tos izmantotu robotu un cilvēku vajadzībām. kosmosa izpētē.
Ermers izmanto inovatīvu sistēmu, kuru viņš izstrādāja Misisipi štata universitātē, un viņš ir saņēmis NASA mazā biznesa inovāciju pētījumu (SBIR) balvu, lai turpinātu savu pētījumu, lai izveidotu un pārbaudītu savu ierīci.
Masas spektrometrs tiek izmantots molekulmasas mērīšanai, lai noteiktu molekulas struktūru un elementāro sastāvu. Augstas izšķirtspējas masas spektrometrs var ļoti precīzi noteikt masas, un to var izmantot, lai noteiktu tādas lietas kā DNS / RNS fragmenti, veseli proteīni un peptīdi, sagremoti olbaltumvielu fragmenti un citas bioloģiskas molekulas.
Lidojuma masas spektrometrs (TOF-MS) darbojas, izmērot laiku, kas nepieciešams joniem, lai pārvietotos pa ierīces, kas pazīstama kā lidojuma caurule, vakuuma zonu. Lidojuma masas spektrometrijas laiks balstās uz faktu, ka fiksētai kinētiskajai enerģijai jonu masa un ātrums ir savstarpēji saistīti. “Elektriskos laukus izmanto, lai joniem dotu zināmu kinētisko enerģiju,” skaidroja Ermers. "Ja jūs zināt kinētisko enerģiju un zināt attālumu, kādā joni noiet, un zināt, cik ilgs laiks ir nepieciešams ceļojumam, tad varat noteikt jonu masu."
Ermera ierīce izmanto Matrix Assisted Laser Desorption Ionization jeb MALDI, kur lāzera stars tiek virzīts uz analizējamo paraugu un lāzers jonizē molekulas, kuras pēc tam lido lidojuma mēģenē. Lidojuma caur cauruli laiks tieši korelē ar masu, jo vieglākām molekulām ir īsāks lidojuma laiks nekā smagākām.
Masas spektrometra analizatoru un detektoru tur vakuumā, lai joniem ļautu pārvietoties no viena instrumenta gala uz otru, bez jebkādas pretestības, saskaroties ar gaisa molekulām, kas mainītu molekulas kinētisko enerģiju.
Tipiska TOF-MS parauga plāksne var saturēt no 100-200 paraugiem, un ierīce var izmērīt pilnīgu masas sadalījumu ar vienu šāvienu. Tāpēc ļoti īsā laika intervālā tiek izveidots milzīgs datu apjoms, lielākajai daļai jonu lidojuma laiks notiek mikrosekundēs.
Ermera TOF-MS apvieno salīdzinoši vienkāršu mehānisku iestatīšanu ar ārkārtīgi ātru elektronisku datu iegūšanu, kā arī spēju izmērīt ļoti lielas masas, kas ir svarīgi, veicot bioloģisko analīzi.
Bet unikālākais Ermera ierīces aspekts ir tā izmērs. Pašlaik pieejamie komerciālie masas spektrometri ir vismaz pusotra metra garumā. Tas ir diezgan liels apjoms, ko iekļaut in situ zinātniskā transportlīdzeklī, piemēram, golfa automašīnas izmēra Mars Exploration Rovers vai pat lielākajā Mars Science Laboratory Rover, kuru plānots uzsākt 2009. gadā. Ermers ir izstrādājis veidu, kā TOF-MS miniatūrizēt līdz pārsteidzošs 4? collas garš. Viņš lēš, ka viņa ierīces tilpums būs mazāks par 0,75 litriem, masa mazāka par 2 kilogramiem un tai būs nepieciešama mazāka par 5 vatiem jaudas.
Ermers izmantoja nelineāru optimizācijas paņēmienu, lai izveidotu masu spektrometra datormodeli. Bija jāizvēlas 13 parametri, ieskaitot dažādu elementu atstatumu TOF-MS un jonu paātrinājuma spriegumus. Izmantojot šo metodi, Ermers spēja atrast dažus unikālus risinājumus ļoti īsam TOF-MS.
"Es cenšos izveidot lidojuma masas spektrometru, kas ir pietiekami mazs, lai patiesībā dotos kosmosā," sacīja Ermers. “Galvenais NASA apskatītais pielietojums ir bioloģisko molekulu meklēšana, lai atrastu pierādījumus par iepriekšējo dzīvi uz Marsa. Viņi arī vēlas, lai spētu veikt molekulāro bioloģiju kosmosa stacijā, kaut arī Marsa lietojumam ir augstāka prioritāte. Manai ierīcei jāattiecas uz visām NASA prasībām, ciktāl tas attiecas uz jaudas, lieluma un svara prasībām. ”
Ermers arī saskata potenciālu, lai viņa ierīci varētu izmantot arī komerciāli. "Man ir portatīva ierīce bioloģisko molekulu mērīšanai," viņš teica. “Ja jūs atradāties lidostā un atradāt baltu pulveri, jūs drīz zināt, vai tas ir Sibīrijas mērs vai krīta putekļi. Tātad jūs vēlaties, lai maza, diezgan lēta, pārnēsājama ierīce varētu to izdarīt. ” Savā priekšlikumā NASA Ermers paziņoja: “Galvenais (komerciālais) miniatūru TOF-MS lietojums ir infekcijas slimību un bioloģisko ierosinātāju skrīnings. Mēs arī uzskatām, ka izcilākie mūsu dizaina rādītāji ļaus iekļūt vispārējā TOF-MS tirgū. ”
Ermers janvāra vidū saņēma $ 70 000 SBIR balvu. Viņš jau ir izveidojis un pārbaudījis lielāku koncepcijas dizaina pierādījumu, kas apstiprina tehnoloģiju, kuru viņš izstrādājis savai TOF-MS. "Līdz šim testi ir gājuši ļoti labi," sacīja Ermers. Esmu atklājis molekulas līdz 13 000 daltoniem (Daltons ir atoma masas vienības alternatīvs nosaukums vai amu.) Ierīce darbojas kā paredzēta masām līdz 13 000 daltoniem, un tās masas izšķirtspēja ir nedaudz labāka nekā pilna izmēra ierīcei pie 13 000 daltonu. Pašlaik mēs strādājam pie masas noteikšanas līdz 100 000 daltoniem, un sākotnējie rezultāti ir daudzsološi. ”
“Iespējams, lielākais šķērslis ir ierīces uzstādīšana un darbība,” Ermers sacīja par šī projekta izaicinājumiem. “Darīts ir daudz smagu lietu, bet elektronika ir patiešām sarežģīta. Šai ierīcei jums jāģenerē augstsprieguma impulsi aptuveni 16 000 voltu. Tas, iespējams, bija grūtākais, kas mums līdz šim bija darīts. ”
Elektronu pavairotāju detektors ir īpaši izstrādāts miniatūram lidojuma spektrometrijas laikam, ko veic ārējs uzņēmums. Ermers un viņa paša uzņēmums projektēja lielāko daļu citu ierīces daļu, ieskaitot vakuuma apvalku un lāzera ekstraktoru. Tā kā tas ir tik mazs, šo detaļu izveidošanai ir nepieciešama ļoti augstas pielaides apstrāde, ko arī veica ārējs uzņēmums.
Saskaņā ar NASA teikto NASA SBIR programma “nodrošina lielākas iespējas mazajiem uzņēmumiem piedalīties pētniecībā un attīstībā, palielināt nodarbinātību un uzlabot ASV konkurētspēju”. Daži programmas mērķi ir stimulēt tehnoloģiskos jauninājumus un izmantot mazos uzņēmumus, lai apmierinātu federālās pētniecības un attīstības vajadzības. Programmai ir trīs fāzes, no kurām I fāze sešu mēnešu pētījumu laikā saņem 70 000 USD, lai noskaidrotu iespējamību un tehniskos nopelnus. Projekti, kas nonāk II fāzē, saņem 600 000 USD par vēl diviem attīstības gadiem, un III fāze nodrošina produkta komercializāciju.
Ermers ir Misisipi štata universitātes profesors. Kopš 1994. gada viņš veic pētījumus jomās, kas saistītas ar masu spektrometriju, un viņa promocijas darbā Vašingtonas štata universitātē viņš apskatīja jonu enerģijas sadalījumu, ko lāzers rada dažādos materiālos. Pēcdoktorantūras pētījumiem Vanderbiltā viņš pētīja MALDI metodi, izmantojot infrasarkano staru brīvo elektronu lāzeru. Plašāku informāciju par Opti-MS var atrast vietnē www.opti-ms.com.
Nensija Atkinsone ir ārštata rakstniece un NASA Saules sistēmas vēstniece. Viņa dzīvo Ilinoisā.
