Vaizdo kreditas: ESA
Dr Davidas Ermeris su savo bendrove „Opti-MS Corporation“ šiuo metu konstruoja miniatiūrinį skrydžio masės spektrometrą, kuris gali aptikti labai didelę skiriamąją gebą ir jautrumą turinčius biologinius parašus, tačiau yra pakankamai mažas, kad būtų naudojamas robotuose ir žmonėse. kosmoso tyrinėjimuose.
Ermeris naudoja novatorišką sistemą, kurią sukūrė Misisipės valstijos universitete, ir jis gavo NASA smulkaus verslo inovacijų tyrimų (SBIR) apdovanojimą, kad galėtų tęsti savo prietaiso kūrimo ir bandymo tyrimus.
Masės spektrometras naudojamas išmatuoti molekulinę masę, kad būtų galima nustatyti molekulės struktūrą ir elementinę sudėtį. Didelės skiriamosios gebos masių spektrometras gali labai tiksliai nustatyti mases ir gali būti naudojamas aptikti tokius dalykus kaip DNR / RNR fragmentai, sveiki baltymai ir peptidai, suskaidyti baltymų fragmentai ir kitos biologinės molekulės.
Skrydžio masės spektrometras (TOF-MS) veikia matuojant laiką, per kurį jonai gali keliauti per prietaiso, vadinamo skrydžio vamzdeliu, vakuumo sritį. Skrydžio masės spektrometrijos laikas pagrįstas tuo, kad esant fiksuotai kinetinei energijai, jonų masė ir greitis yra tarpusavyje susiję. „Elektriniai laukai naudojami jonams gauti žinomą kinetinę energiją“, - aiškino Ermeris. „Jei žinote kinetinę energiją ir atstumą, kurį keliauja jonai, ir žinote, kiek laiko reikia nuvažiuoti, tuomet galite nustatyti jonų masę“.
Ermerio įrenginyje naudojama matricos pagalba lazerio desorbcijos jonizacija arba MALDI, kai lazerio spindulys nukreipiamas į analizuojamą mėginį, o lazeris jonizuoja molekules, kurios tada skrenda į skrydžio vamzdelį. Skrydžio per vamzdelį laikas tiesiogiai koreliuoja su mase, su lengvesnėmis molekulėmis skrydžio laikas yra trumpesnis nei sunkesnėmis.
Masės spektrometro analizatorius ir detektorius laikomas vakuume, kad jonai galėtų judėti iš vieno prietaiso galo į kitą, kad nebūtų jokio pasipriešinimo susidūrimui su oro molekulėmis, o tai pakeistų molekulės kinetinę energiją.
Įprastoje TOF-MS mėginių plokštelėje gali būti 100-200 mėginių, o prietaisas gali išmatuoti visą masės pasiskirstymą vienu smūgiu. Todėl per labai trumpą laiko tarpą sukuriami didžiuliai duomenų kiekiai, daugumai jonų skriejant mikrosekundėmis.
„Ermer TOF-MS“ suderina gana paprastą mechaninį nustatymą ir ypač greitą elektroninių duomenų gavimą kartu su galimybe išmatuoti labai dideles mases, o tai yra būtina atliekant biologinę analizę.
Tačiau unikaliausias „Ermer“ įrenginio aspektas yra jo dydis. Šiuo metu parduodami komerciniai masės spektrometrai yra mažiausiai pusantro metro ilgio. Tai gana didelis tūris, kurį galima įtraukti į in situ mokslinę transporto priemonę, tokią kaip golfo automobilio dydžio „Mars Exploration Rovers“ ar net didesnę „Mars Science Laboratory Rover“, kurią planuojama išleisti 2009 m. Ermeris sukūrė būdą, kaip sumažinti TOF-MS, kad nuostabi 4? colių ilgio. Jis skaičiuoja, kad jo prietaiso tūris bus mažesnis nei 0,75 litro, jo masė bus mažesnė nei 2 kilogramai ir jam reikės mažiau nei 5 vatų galios.
Ermeris naudojo netiesinę optimizavimo techniką, norėdamas sukurti masinio spektrometro kompiuterinį modelį. Jo įvestus parametrus turėjo pasirinkti 13 parametrų, įskaitant skirtingų elementų išdėstymą TOF-MS ir jonų pagreičio įtampą. Naudodamas šią techniką Ermer sugebėjo rasti keletą unikalių sprendimų labai trumpam TOF-MS.
„Aš bandau sukurti skrydžio masės spektrometrą, kuris būtų pakankamai mažas, kad iš tikrųjų galėtų vykti į kosmosą“, - teigė Ermeris. „Pagrindinė NASA nagrinėjama programa yra biologinių molekulių paieška, siekiant surasti buvusio gyvenimo Marse įrodymus. Jie taip pat nori sugebėti atlikti molekulinę biologiją kosminėje stotyje, nors Marso taikymas turi didesnį prioritetą. Mano prietaisas turėtų atitikti visus NASA keliamus reikalavimus, atsižvelgiant į galios, dydžio ir svorio reikalavimus. “
Ermeris taip pat mato, kad jo prietaisas gali būti naudojamas ir komerciškai. „Aš turiu nešiojamąjį prietaisą biologinėms molekulėms matuoti“, - sakė jis. „Jei buvote oro uoste ir radote baltų miltelių, norėsite sužinoti, ar tai juodligės, ar kreidos dulkės, gana greitai. Taigi norite, kad mažas, gana pigus, nešiojamas įrenginys galėtų tai padaryti. “ Savo pasiūlyme NASA Ermer teigė: „Pagrindinis (komercinis) taikymas miniatiūrinėms TOF-MS yra infekcinių ligų ir biologinių veiksnių tikrinimas. Mes taip pat tikime, kad puikūs mūsų dizaino rezultatai leis įsiskverbti į bendrą TOF-MS rinką “.
Ermeris sausio mėn. Viduryje gavo 70 000 USD SBIR apdovanojimą. Jis jau sukūrė ir išbandė didesnį koncepcijos projekto įrodymą, patvirtinantį jo TOF-MS sukurtą technologiją. „Iki šiol bandymai praėjo labai gerai“, - teigė Ermeris. Aš aptikau molekulių iki 13 000 daltonų (Daltonas yra alternatyvus atominės masės vieneto pavadinimas arba amu.) Įrenginys veikia taip, kaip sukurta masėms iki 13 000 daltonų, o jo masės skiriamoji geba yra šiek tiek geresnė nei viso dydžio prietaiso, esant 13 000 daltonų. Šiuo metu dirbame siekdami nustatyti 100 000 daltonų masę, o pirminiai rezultatai yra daug žadantys. “
„Turbūt didžiausia kliūtis yra įrenginio parengimas ir veikimas“, - apie šio projekto iššūkius pasakojo Ermeris. „Atlikta daug sunkių dalykų, tačiau elektronika yra tikrai sunki. Šiam įrenginiui turite generuoti apie 16 000 voltų aukštos įtampos impulsus. Tai turbūt buvo sunkiausias dalykas, kurį mums teko padaryti iki šiol “.
Elektronų daugintuvo detektorius yra specialiai sukurtas miniatiūriniam skrydžio spektrometrijos laikui išorinėje įmonėje. Ermeris ir jo paties įmonė suprojektavo daugumą kitų prietaiso dalių, įskaitant vakuuminį korpusą ir lazerio ištraukėją. Kadangi jis yra toks mažas, norint sukurti šias dalis, reikia labai aukšto tolerancijos apdirbimo, kurį taip pat atliko išorinė įmonė.
NASA teigia, kad NASA SBIR programa „suteikia daugiau galimybių mažoms įmonėms dalyvauti moksliniuose tyrimuose ir plėtroje, didinti užimtumą ir gerinti JAV konkurencingumą“. Kai kurie programos tikslai yra skatinti technologines naujoves ir naudoti mažas įmones federalinių tyrimų ir plėtros poreikiams tenkinti. Programa susideda iš trijų etapų, iš kurių I etapas gauna 70 000 USD už šešis mėnesius trunkančius tyrimus, kad būtų galima nustatyti įgyvendinamumą ir techninius privalumus. II etapui skirti projektai gauna dar 600 000 USD už dvejus metus trukusį vystymąsi, o III etapas - produkto komercializavimą.
Ermeris yra Misisipės valstybinio universiteto profesorius. Nuo 1994 m. Jis tiria masinės spektrometrijos sritis, o daktaro disertacijai Vašingtono valstijos universitete nagrinėjo jonų, kuriuos lazeris sukuria skirtingose medžiagose, energijos pasiskirstymą. Vykdydamas podoktorantūros tyrimus Vanderbilte, jis ištyrė MALDI metodą, naudodamas laisvąjį infraraudonųjų spindulių elektronų lazerį. Daugiau informacijos apie Opti-MS galite rasti tinklalapyje www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson yra laisvai samdoma rašytoja ir NASA Saulės sistemos ambasadorė. Ji gyvena Ilinojaus valstijoje.
