Кредит зображення: ESA
Доктор Девід Ермер разом зі своєю компанією «Корпорація Opti-MS» зараз розробляє мініатюрний спектрометр «Політ масової маси», який може виявляти біологічні підписи з дуже високою роздільною здатністю та чутливістю, але все ж бути досить малим, щоб його можна було використовувати для роботизованих і людських додатків. в космосі.
Ермер використовує інноваційну систему, розроблену в Державному університеті Міссісіпі, і отримав нагороду NASA за інноваційні дослідження малого бізнесу (SBIR), щоб продовжити свої дослідження з розробки та тестування свого пристрою.
Мас-спектрометр використовується для вимірювання молекулярної маси для визначення структури та елементарного складу молекули. Масовий спектрометр високої роздільної здатності може дуже точно визначати маси та може бути використаний для виявлення таких речей, як фрагменти ДНК / РНК, цілі білки та пептиди, фрагменти білка, що перетравлюються, та інші біологічні молекули.
Спектрометр часового польоту (TOF-MS) працює за допомогою вимірювання часу, необхідного для пересування іонів через область вакууму пристрою, відомий як льотна трубка. Час польотної мас-спектрометрії ґрунтується на тому, що для фіксованої кінетичної енергії маса і швидкість іонів взаємопов'язані. "Електричні поля використовуються для надання іонам відомої кінетичної енергії", - пояснив Ермер. "Якщо ви знаєте кінетичну енергію і знаєте відстань, яку проходять іони, і знаєте, скільки часу потрібно пройти, то ви можете визначити масу іонів".
Пристрій Ермера використовує матричну іонізацію лазерної десорбції за допомогою матриці або MALDI, де лазерний промінь направляється на зразок, який аналізується, і лазер іонізує молекули, які потім влітають у польотну трубку. Час польоту через трубу співвідноситься безпосередньо з масою, при цьому більш легкі молекули мають коротший час польоту, ніж важчі.
Аналізатор та детектор мас-спектрометра утримують у вакуумі, щоб іони пересувалися від одного кінця інструменту до іншого без будь-якого опору від зіткнення з молекулами повітря, що могло б змінити кінетичну енергію молекули.
Типова табличка для зразків для TOF-MS може вміщувати між 100-200 пробами, і прилад може вимірювати повний розподіл маси одним пострілом. Тому величезна кількість даних створюється за дуже короткий проміжок часу, при цьому час польоту більшості іонів відбувається в мікросекундах.
Ermer's TOF-MS поєднує відносно просту механічну установку з надзвичайно швидким електронним отриманням даних, а також здатність вимірювати дуже великі маси, що важливо для біологічного аналізу.
Але найбільш унікальним аспектом пристрою Ермера є його розмір. Комерційні мас-спектрометри, які зараз доступні, мають довжину щонайменше півтора метрів. Це досить великий обсяг для включення на місцевий науковий транспортний засіб, такий як автомобіль Golf із розміром Mars Exploration Rovers або навіть більший Mars Science Laboratory Rover, який планується запустити в 2009 році. Ермер розробив спосіб мініатюризувати TOF-MS для дивовижне 4? дюйми в довжину. Він підрахував, що його пристрій матиме об'єм менше 0,75 літра, масу менше 2 кілограмів і потребуватиме менше 5 Вт потужності.
Ермер використовував техніку нелінійної оптимізації для створення комп'ютерної моделі мас-спектрометра. Він повинен був обрати 13 параметрів, які потрібно було вибрати, включаючи відстань між різними елементами в TOF-MS та напруги прискорення іонів. Використовуючи цю техніку, Ермеру вдалося знайти кілька унікальних рішень для дуже короткого TOF-MS.
"Я намагаюся створити Спектрометр Часового Польотного Маса, який достатньо малий, щоб реально знаходитися в космосі", - сказав Ермер. «Основна програма, яку розглядає НАСА, - це пошук біологічних молекул, щоб знайти докази минулого життя на Марсі. Вони також хочуть мати змогу проводити молекулярну біологію на космічній станції, хоча додатки Марса мають більш високий пріоритет. Мій пристрій повинен відповідати всім вимогам NASA, що стосується потужності, розміру та ваги. "
Ермер також бачить потенціал, щоб його пристрій також був комерційно використаний. "У мене є портативний прилад для вимірювання біологічних молекул", - сказав він. "Якщо ви були в аеропорту і знайшли білий порошок, вам хотілося б дізнатися, чи є сибірська виразка або крейдяний пил досить швидко. Тому ви хочете, щоб невеликий, досить дешевий портативний пристрій міг це робити ». У своїй пропозиції до НАСА Ермер заявив: "Основним (комерційним) застосуванням мініатюрних TOF-MS є обстеження інфекційних хвороб та біологічних агентів. Ми також віримо, що чудова ефективність нашої конструкції дозволить проникнути на загальний ринок TOF-MS ».
У середині січня Ермер отримав нагороду SBIR в розмірі 70 000 доларів США і вже створив і випробував більшу доказову концепцію дизайну, яка підтверджує технологію, розроблену для його TOF-MS. "Поки випробування пройшли надзвичайно добре", - сказав Ермер. Я виявив молекули до 13 000 дальтонів (Далтон - це альтернативна назва одиниці маси атома, або amu.) Пристрій працює так, як розрахований на маси до 13000 дальтонів і має роздільну здатність маси трохи краще, ніж повнорозмірний пристрій на 13000 дальтон. Зараз ми працюємо над виявленням маси до 100 000 дальтон, і початкові результати є багатообіцяючими ».
"Початок роботи пристрою - це, мабуть, найбільша перешкода", - сказав Ермер про проблеми цього проекту. «Багато важких речей робиться, але електроніка справді складна. Для цього пристрою ви повинні генерувати імпульси високої напруги близько 16000 вольт. Це було, мабуть, найскладнішим, що ми мали робити до цього часу ».
Електронний мультиплікатор-детектор спеціально розроблений для мініатюрного часу польотної спектрометрії зовнішньою компанією. Ермер та його власна компанія сконструювали більшість інших частин пристрою, включаючи вакуумний корпус та лазерну витяжку. Оскільки це так мало, для створення цих деталей потрібна дуже висока толерантна обробка, що також було зроблено стороною компанією.
Програма NASA SBIR "надає розширені можливості для малого бізнесу брати участь у наукових дослідженнях та розробках, збільшувати зайнятість та підвищувати конкурентоспроможність США", повідомляє NASA. Деякі цілі програми - стимулювати технологічні інновації та використовувати малий бізнес для задоволення федеральних потреб у наукових дослідженнях та розробках. Програма має три етапи. Перший етап отримав $ 70 000 за шість місяців досліджень для встановлення доцільності та технічних достоїнств. Проекти, що переходять до II фази, отримують 600 000 доларів США за два роки розвитку, а фаза III забезпечує комерціалізацію продукту.
Ермер - професор Міссісіпі державного університету. Він займається дослідженнями в галузях, що стосуються масової спектрометрії з 1994 року, а для кандидатської дисертації в Університеті штату Вашингтон розглядав розподіл енергії іонів, які генеруються в різних матеріалах лазером. Під час докторського дослідження у Вандербільті він вивчав техніку MALDI за допомогою інфрачервоного лазера з вільним електроном. Більше інформації про Opti-MS можна знайти на веб-сайті www.opti-ms.com.
Ненсі Аткінсон - позаштатна авторка і посол Сонячної системи НАСА. Вона живе в штаті Іллінойс.
