Πιστωτική εικόνα: ESA
Ο Δρ David Ermer, με την εταιρεία του, Opti-MS Corporation, κατασκευάζει επί του παρόντος ένα μικροσκοπικό φασματόμετρο μάζας πτήσης που μπορεί να ανιχνεύσει βιολογικές υπογραφές σε πολύ υψηλή ανάλυση και ευαισθησία, αλλά να είναι αρκετά μικρός για να χρησιμοποιηθεί για ρομποτικές και ανθρώπινες εφαρμογές στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Ο Ermer χρησιμοποιεί ένα καινοτόμο σύστημα που ανέπτυξε στο Mississippi State University και έχει λάβει ένα βραβείο NASA Small Business Innovation Research (SBIR) για να συνεχίσει την έρευνά του για να κατασκευάσει και να δοκιμάσει τη συσκευή του.
Ένα φασματόμετρο μάζας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μοριακού βάρους για τον προσδιορισμό της δομής και της στοιχειακής σύνθεσης ενός μορίου. Ένα φασματόμετρο μάζας υψηλής ανάλυσης μπορεί να προσδιορίσει με ακρίβεια τις μάζες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση πραγμάτων όπως θραύσματα DNA / RNA, πλήρεις πρωτεΐνες και πεπτίδια, θραύσματα πρωτεΐνης που έχουν υποστεί πέψη και άλλα βιολογικά μόρια.
Το φασματόμετρο μάζας χρόνου πτήσης (TOF-MS) λειτουργεί μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψουν τα ιόντα σε μια περιοχή κενού της συσκευής που είναι γνωστή ως σωλήνας πτήσης. Η φασματομετρία μάζας χρόνου πτήσης βασίζεται στο γεγονός ότι για μια σταθερή κινητική ενέργεια, η μάζα και η ταχύτητα των ιόντων είναι αλληλένδετα. «Τα ηλεκτρικά πεδία χρησιμοποιούνται για να δώσουν στα ιόντα μια γνωστή κινητική ενέργεια», εξήγησε ο Ermer. "Αν γνωρίζετε την κινητική ενέργεια και γνωρίζετε την απόσταση που ταξιδεύουν τα ιόντα και γνωρίζετε πόσο καιρό χρειάζεται για να ταξιδέψετε, τότε μπορείτε να προσδιορίσετε τη μάζα των ιόντων."
Η συσκευή της Ermer χρησιμοποιεί Matrix Assisted Laser Desorption Ionization ή MALDI, όπου μια δέσμη λέιζερ κατευθύνεται στο δείγμα προς ανάλυση και το λέιζερ ιονίζει τα μόρια που στη συνέχεια πετούν στον σωλήνα πτήσης. Ο χρόνος πτήσης μέσω του σωλήνα συσχετίζεται άμεσα με τη μάζα, με ελαφρύτερα μόρια που έχουν μικρότερο χρόνο πτήσης από τα βαρύτερα.
Ο αναλυτής και ο ανιχνευτής του φασματόμετρου μάζας διατηρούνται σε κενό για να αφήσουν τα ιόντα να κινούνται από το ένα άκρο του οργάνου στο άλλο χωρίς καμία αντίσταση να συγκρούονται με μόρια αέρα, κάτι που θα άλλαζε την κινητική ενέργεια του μορίου.
Μια τυπική πλάκα δείγματος για TOF-MS μπορεί να χωρέσει μεταξύ 100-200 δειγμάτων και η συσκευή μπορεί να μετρήσει την πλήρη κατανομή μάζας με μία μόνο λήψη. Επομένως, δημιουργούνται τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, με τον χρόνο πτήσης για τα περισσότερα ιόντα να συμβαίνουν σε μικροδευτερόλεπτα.
Το TOF-MS της Ermer συνδυάζει μια σχετικά απλή μηχανική ρύθμιση με εξαιρετικά γρήγορη λήψη ηλεκτρονικών δεδομένων, μαζί με τη δυνατότητα μέτρησης πολύ μεγάλων μαζών, κάτι που είναι απαραίτητο για τη βιολογική ανάλυση.
Αλλά η πιο μοναδική πτυχή της συσκευής Ermer είναι το μέγεθός της. Τα φασματόμετρα εμπορικής μάζας που διατίθενται επί του παρόντος έχουν μήκος τουλάχιστον ενάμισι μέτρα. Αυτός είναι ένας αρκετά μεγάλος όγκος για να συμπεριληφθεί σε ένα επιτόπιο επιστημονικό όχημα, όπως το Mars Exploration Rovers σε μέγεθος αυτοκινήτου γκολφ ή ακόμη και το μεγαλύτερο Mars Science Laboratory Rover που έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2009. Η Ermer έχει επινοήσει έναν τρόπο για να ελαχιστοποιήσει ένα TOF-MS για ένα καταπληκτικό 4; ίντσες. Υπολογίζει ότι η συσκευή του θα έχει όγκο μικρότερο από 0,75 λίτρα, μάζα μικρότερη από 2 κιλά και απαιτεί λιγότερη ισχύ από 5 watts.
Ο Ermer χρησιμοποίησε μια μη γραμμική τεχνική βελτιστοποίησης για να δημιουργήσει ένα μοντέλο υπολογιστή ενός φασματόμετρου μάζας. Υπήρχαν 13 παράμετροι που εισήγαγε που έπρεπε να επιλεγούν, συμπεριλαμβανομένης της απόστασης των διαφόρων στοιχείων στο TOF-MS και των τάσεων επιτάχυνσης ιόντων. Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, ο Ermer κατάφερε να βρει μερικές μοναδικές λύσεις για ένα πολύ σύντομο TOF-MS.
«Προσπαθώ να φτιάξω ένα φασματόμετρο μάζας χρόνου πτήσης που είναι αρκετά μικρό για να πάει πραγματικά στο διάστημα», είπε ο Ermer. «Η κύρια εφαρμογή που εξετάζει η NASA είναι η αναζήτηση βιολογικών μορίων, για να βρει στοιχεία για την προηγούμενη ζωή στον Άρη. Θέλουν επίσης να μπορούν να κάνουν μοριακή βιολογία στο διαστημικό σταθμό, αν και η εφαρμογή Mars έχει μεγαλύτερη προτεραιότητα. Η συσκευή μου θα πρέπει να πληροί όλες τις απαιτήσεις που έχει η NASA, όσον αφορά τις απαιτήσεις ισχύος, μεγέθους και βάρους. "
Ο Ermer βλέπει επίσης τη δυνατότητα χρήσης της συσκευής του στο εμπόριο. «Αυτό που έχω είναι μια φορητή συσκευή μέτρησης βιολογικών μορίων», είπε. «Εάν βρισκόσασταν σε αεροδρόμιο και βρήκατε μια λευκή σκόνη, θα θέλατε να μάθετε αν είναι άνθρακας ή σκόνη κιμωλίας αρκετά γρήγορα. Έτσι, θέλετε μια μικρή, αρκετά φθηνή, φορητή συσκευή να μπορεί να το κάνει αυτό. " Στην πρότασή του προς τη NASA, ο Ermer δήλωσε: «Η κύρια (εμπορική) εφαρμογή για μικροσκοπικό TOF-MS είναι ο έλεγχος μολυσματικών ασθενειών και βιολογικών παραγόντων. Πιστεύουμε επίσης ότι η ανώτερη απόδοση του σχεδιασμού μας θα επιτρέψει τη διείσδυση στη γενική αγορά TOF-MS. "
Ο Έρμερ έλαβε το βραβείο SBIR 70.000 δολαρίων στα μέσα Ιανουαρίου και έχει ήδη δημιουργήσει και δοκιμάσει μια μεγαλύτερη απόδειξη σχεδιαστικού σχεδιασμού, η οποία επικυρώνει την τεχνολογία που σχεδίασε για το TOF-MS. «Μέχρι στιγμής, οι δοκιμές έχουν πάει πολύ καλά», είπε ο Έρμερ. Έχω εντοπίσει μόρια έως 13.000 Daltons (το Dalton είναι ένα εναλλακτικό όνομα για μονάδα ατομικής μάζας ή amu.) Η συσκευή λειτουργεί όπως έχει σχεδιαστεί για μάζες έως 13.000 Daltons και έχει ανάλυση μάζας κάπως καλύτερη από μια συσκευή πλήρους μεγέθους στα 13.000 Daltons. Προς το παρόν εργαζόμαστε για την ανίχνευση μάζας έως 100.000 Daltons και τα αρχικά αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα.
"Η ενεργοποίηση και η λειτουργία της συσκευής είναι πιθανώς το μεγαλύτερο εμπόδιο", δήλωσε ο Ermer για τις προκλήσεις αυτού του έργου. «Πολλά από τα σκληρά πράγματα έχουν γίνει, αλλά τα ηλεκτρονικά είναι πραγματικά δύσκολα. Για αυτήν τη συσκευή πρέπει να δημιουργήσετε παλμούς υψηλής τάσης περίπου 16.000 βολτ. Αυτό ήταν ίσως το πιο δύσκολο πράγμα που έπρεπε να κάνουμε μέχρι τώρα. "
Ο ανιχνευτής πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων έχει σχεδιαστεί ειδικά για μικροσκοπικό χρόνο φασματομετρίας πτήσης από εξωτερική εταιρεία. Ο Ermer και η δική του εταιρεία σχεδίασαν τα περισσότερα από τα άλλα μέρη της συσκευής, συμπεριλαμβανομένου του περιβλήματος κενού και του εξολκέα λέιζερ. Δεδομένου ότι είναι τόσο μικρό, η δημιουργία αυτών των ανταλλακτικών απαιτεί κατεργασία πολύ υψηλής ανοχής, η οποία έγινε επίσης από μια εξωτερική εταιρεία.
Το πρόγραμμα SBIR της NASA «παρέχει αυξημένες ευκαιρίες στις μικρές επιχειρήσεις να συμμετάσχουν στην έρευνα και ανάπτυξη, να αυξήσουν την απασχόληση και να βελτιώσουν την ανταγωνιστικότητα των ΗΠΑ», σύμφωνα με τη NASA. Ορισμένοι στόχοι του προγράμματος είναι η τόνωση της τεχνολογικής καινοτομίας και η χρήση μικρών επιχειρήσεων για την κάλυψη ομοσπονδιακών ερευνητικών και αναπτυξιακών αναγκών. Το πρόγραμμα έχει τρεις φάσεις, με τη Φάση Ι να λαμβάνει 70.000 $ για έξι μήνες έρευνας για να αποδείξει τη σκοπιμότητα και την τεχνική αξία. Τα έργα που φτάνουν στη Φάση II λαμβάνουν 600.000 $ για δύο ακόμη χρόνια ανάπτυξης και η Φάση III παρέχει εμπορευματοποίηση του προϊόντος.
Ο Έρμερ είναι καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Μισισιπή. Κάνει έρευνα σε τομείς που σχετίζονται με τη φασματομετρία μάζας από το 1994 και για τη διδακτορική του διατριβή στο Washington State University, εξέτασε τις ενεργειακές κατανομές ιόντων που παράγονται σε διαφορετικά υλικά με λέιζερ. Για τη μεταδιδακτορική του έρευνα στο Vanderbilt, σπούδασε την τεχνική MALDI χρησιμοποιώντας ένα υπέρυθρο λέιζερ δωρεάν ηλεκτρονίων. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το Opti-MS μπορείτε να βρείτε στη διεύθυνση www.opti-ms.com.
Η Nancy Atkinson είναι ανεξάρτητη συγγραφέας και πρέσβης της Solar System. Ζει στο Ιλλινόις.
