Bildkredit: ESA
Dr. David Ermer, med sitt företag, Opti-MS Corporation, bygger för närvarande en miniatyr Time of Flight Mass Spectrometer som kan upptäcka biologiska signaturer med mycket hög upplösning och känslighet, men ändå vara tillräckligt små för att användas för robotiska och mänskliga applikationer i rymdutforskning.
Ermer använder ett innovativt system som han utvecklade vid Mississippi State University och han har fått en NASA Small Business Innovation Research (SBIR) utmärkelsen för att fortsätta sin forskning för att bygga och testa sin enhet.
En masspektrometer används för att mäta molekylvikten för att bestämma strukturen och elementkompositionen i en molekyl. En högupplösta masspektrometer kan bestämma massor mycket exakt och kan användas för att detektera sådant som DNA / RNA-fragment, hela proteiner och peptider, smälta proteinfragment och andra biologiska molekyler.
En tid för flygmassespektrometer (TOF-MS) fungerar genom att mäta tiden det tar för joner att resa genom ett vakuumområde i enheten som kallas flygröret. Tid för flygmassans spektrometri baseras på det faktum att för en fast kinetisk energi är massan och hastigheten för jonerna sammanhängande. "Elektriska fält används för att ge joner en känd kinetisk energi," förklarade Ermer. "Om du känner till den kinetiska energin och känner till avståndet som jonerna rör sig och vet hur lång tid det tar att resa, kan du bestämma jonen."
Ermers enhet använder Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, eller MALDI, där en laserstråle riktas mot provet som ska analyseras, och lasern joniserar molekylerna som sedan flyger in i flygröret. Flygtiden genom röret korrelerar direkt med massan, med lättare molekyler som har en kortare flygtid än tyngre.
Masspektrometerns analysator och detektor hålls i ett vakuum för att låta jonerna röra sig från ena änden av instrumentet till den andra utan något motstånd från att kollidera med luftmolekyler, vilket skulle förändra molekylens kinetiska energi.
En typisk provplatta för en TOF-MS kan innehålla mellan 100-200 sampel, och enheten kan mäta hela massfördelningen med ett enda skott. Därför skapas enorma mängder data inom ett mycket kort tidsintervall, med flygtiden för de flesta joner som inträffar i mikrosekunder.
Ermers TOF-MS kombinerar en relativt enkel mekanisk installation med extremt snabb elektronisk datainsamling, tillsammans med förmågan att mäta mycket stora massor, vilket är avgörande för biologisk analys.
Men den mest unika aspekten av Ermers enhet är dess storlek. De kommersiella masspektrometrarna som för närvarande är tillgängliga är minst en och en halv meter långa. Det är en ganska stor volym att inkludera på ett vetenskapligt fordon på plats som golfbilsstorleken Mars Exploration Rovers eller till och med det större Mars Science Laboratory Rover som planeras lanseras 2009. Ermer har utvecklat ett sätt att miniatyrera en TOF-MS till en fantastisk 4? tum lång. Han uppskattar att hans enhet kommer att ha en volym på mindre än 0,75 liter, en massa på mindre än 2 kg och kräver mindre än 5 watt effekt.
Ermer använde en icke-linjär optimeringsteknik för att skapa en datormodell av en masspektrometer. Det fanns 13 parametrar som han matade in som måste väljas, inklusive avståndet mellan de olika elementen i TOF-MS och jonaccelerationsspänningarna. Med denna teknik kunde Ermer hitta några unika lösningar för en mycket kort TOF-MS.
"Jag försöker bygga en Time of Flight-masspektrometer som är tillräckligt liten för att faktiskt gå i rymden," sade Ermer. ”Den huvudsakliga applikationen som NASA tittar på är att söka efter biologiska molekyler för att hitta bevis på tidigare liv på Mars. De vill också kunna göra molekylärbiologi på rymdstationen, även om Mars-applikationen har högre prioritet. Min enhet borde komma under alla de krav som NASA har, vad gäller kraven på ström, storlek och vikt. ”
Ermer ser också potential för att hans enhet kan användas kommersiellt också. "Det jag har är en bärbar enhet för att mäta biologiska molekyler," sade han. ”Om du var på en flygplats och hittade ett vitt pulver, skulle du vilja veta om det är miltbrand eller kritstoft ganska snabbt. Så du vill att en liten, ganska billig, bärbar enhet ska kunna göra det. ” I sitt förslag till NASA, sade Ermer, ”Den huvudsakliga (kommersiella) ansökan för miniatyr TOF-MS är screening av infektionssjukdomar och biologiska medel. Vi tror också att vår överlägsna prestanda kommer att möjliggöra penetrering till den allmänna TOF-MS-marknaden. "
Ermer mottog $ 70 000 SBIR-utmärkelsen i mitten av januari och har redan byggt och testat ett större bevis på konceptdesign, vilket validerar tekniken som han designade för sin TOF-MS. "Hittills har testerna gått väldigt bra," sade Ermer. Jag har upptäckt molekyler upp till 13 000 Dalton (Dalton är ett alternativt namn för atommasseenheten, eller amu.) Enheten fungerar som utformad för massor upp till 13 000 Dalton och har massupplösning något bättre än en fullstor enhet på 13 000 Dalton. Vi arbetar för närvarande med att upptäcka massor till 100 000 Dalton och de första resultaten är lovande. ”
"Att komma igång med enheten är förmodligen det största hinderet," sade Ermer om utmaningarna med detta projekt. ”Mycket av de svåra sakerna görs, men elektroniken är verkligen svår. För den här enheten måste du generera högspänningspulser på cirka 16 000 volt. Det var förmodligen det svåraste vi hittills har gjort. ”
Elektronmultiplikatordetektorn är speciellt designad för miniatyrtid av flygspektrometri av ett externt företag. Ermer och hans eget företag designade de flesta av de andra delarna av enheten, inklusive vakuumhuset och laseravsugaren. Eftersom det är så litet kräver det att skapa dessa delar mycket hög toleransbearbetning, vilket också gjordes av ett externt företag.
NASA SBIR-programmet "ger ökade möjligheter för små företag att delta i forskning och utveckling, att öka sysselsättningen och förbättra den amerikanska konkurrenskraften", enligt NASA. Vissa mål med programmet är att stimulera teknisk innovation och att använda små företag för att tillgodose federala forsknings- och utvecklingsbehov. Programmet har tre faser, där fas I får 70 000 $ för sex månaders forskning för att fastställa genomförbarhet och teknisk merit. Projekt som går till fas II får $ 600 000 för ytterligare två års utveckling och fas III tillhandahåller kommersialisering av produkten.
Ermer är professor vid Mississippi State University. Han har forskat inom fält relaterade till masspektrometri sedan 1994, och för sin doktorsavhandling vid Washington State University såg han på energidistributionerna av joner som genereras i olika material med en laser. För sin postdoktorska forskning vid Vanderbilt studerade han MALDI-tekniken med hjälp av en infraröd gratis elektronlaser. Mer information om Opti-MS finns på www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson är frilansförfattare och NASA Solar System Ambassador. Hon bor i Illinois.
