Kredit gambar: ESA
David Ermer, bersama syarikatnya, Opti-MS Corporation, kini sedang membina Spektrometer Massa Penerbangan Miniatur yang dapat mengesan tanda tangan biologi pada resolusi dan kepekaan yang sangat tinggi, namun cukup kecil untuk digunakan untuk aplikasi robot dan manusia. dalam penerokaan angkasa lepas.
Ermer menggunakan sistem inovatif yang dikembangkannya di Mississippi State University, dan dia telah menerima anugerah Penyelidikan Inovasi Perniagaan Kecil NASA (SBIR) untuk meneruskan penyelidikannya untuk membina dan menguji perantinya.
Spektrometer jisim digunakan untuk mengukur berat molekul untuk menentukan struktur dan komposisi unsur molekul. Spektrometer jisim resolusi tinggi dapat menentukan jisim dengan tepat, dan dapat digunakan untuk mengesan perkara seperti serpihan DNA / RNA, protein dan peptida keseluruhan, serpihan protein yang dicerna, dan molekul biologi lain.
Spectrometer Massa Penerbangan (TOF-MS) berfungsi dengan mengukur masa yang diperlukan ion untuk bergerak melalui kawasan vakum peranti yang dikenali sebagai tiub penerbangan. Spektrometri jisim penerbangan berdasarkan pada fakta bahawa untuk tenaga kinetik tetap, jisim dan halaju ion saling berkaitan. "Medan elektrik digunakan untuk memberi ion tenaga kinetik yang diketahui," jelas Ermer. "Sekiranya anda mengetahui tenaga kinetik dan mengetahui jarak ion bergerak, dan mengetahui berapa lama perjalanan, maka anda dapat menentukan jisim ion."
Peranti Ermer menggunakan Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, atau MALDI, di mana sinar laser diarahkan pada sampel yang akan dianalisis, dan laser mengionkan molekul yang kemudian terbang ke tiub penerbangan. Waktu penerbangan melalui tiub berkorelasi langsung dengan jisim, dengan molekul yang lebih ringan mempunyai waktu penerbangan yang lebih pendek daripada yang lebih berat.
Penganalisis dan pengesan spektrometer jisim dikosongkan untuk membiarkan ion bergerak dari satu hujung instrumen ke ujung yang lain tanpa rintangan daripada bertembung dengan molekul udara, yang akan mengubah tenaga kinetik molekul.
Plat sampel khas untuk TOF-MS boleh memuat antara 100-200 sampel, dan peranti dapat mengukur taburan jisim lengkap dengan satu pukulan tunggal. Oleh itu, sejumlah besar data dibuat dalam selang waktu yang sangat singkat, dengan waktu penerbangan untuk kebanyakan ion berlaku dalam mikrodetik.
TOF-MS Ermer menggabungkan penyediaan mekanikal yang agak mudah dengan pemerolehan data elektronik yang sangat pantas, bersama dengan keupayaan untuk mengukur jisim yang sangat besar, yang penting dalam melakukan analisis biologi.
Tetapi aspek yang paling unik dari peranti Ermer adalah ukurannya. Spektrometer jisim komersial yang kini tersedia sekurang-kurangnya satu setengah meter. Jumlah itu cukup besar untuk disertakan dalam kenderaan saintifik in-situ seperti Mars Exploration Rovers berukuran kereta golf atau bahkan Mars Science Laboratory Rover yang lebih besar yang dijadualkan dilancarkan pada tahun 2009. Ermer telah merancang cara untuk meminimumkan TOF-MS untuk 4 yang mengagumkan? panjang inci. Dia menganggarkan bahawa perantinya akan mempunyai isipadu kurang dari 0,75 liter, jisim kurang dari 2 kilogram dan memerlukan kuasa kurang dari 5 watt.
Ermer menggunakan teknik pengoptimuman tak linier untuk membuat model komputer spektrometer massa. Ada 13 parameter yang dia masukkan yang harus dipilih, termasuk jarak elemen yang berlainan dalam TOF-MS dan voltan pecutan ion. Dengan menggunakan teknik ini, Ermer dapat mencari beberapa penyelesaian unik untuk TOF-MS yang sangat pendek.
"Saya berusaha membangun Spektrometer Massa Penerbangan yang cukup kecil untuk benar-benar masuk ke angkasa," kata Ermer. "Aplikasi utama yang dilihat NASA adalah mencari molekul biologi, untuk mencari bukti kehidupan masa lalu di Marikh. Mereka juga ingin dapat melakukan biologi molekul di stesen angkasa, walaupun aplikasi Mars mempunyai keutamaan yang lebih tinggi. Peranti saya harus memenuhi semua keperluan yang dimiliki oleh NASA, sejauh mana keperluan kuasa, saiz, dan berat badan. "
Ermer juga melihat potensi perantinya untuk digunakan secara komersial juga. "Apa yang saya ada adalah alat mudah alih untuk mengukur molekul biologi," katanya. "Sekiranya anda berada di lapangan terbang dan menjumpai serbuk putih, anda pasti ingin mengetahui apakah itu debu antraks atau kapur dengan cepat. Oleh itu, anda mahukan peranti mudah alih yang kecil dan cukup murah untuk dapat melakukannya. " Dalam proposalnya kepada NASA, Ermer menyatakan, “Aplikasi (komersial) utama untuk TOF-MS mini adalah penyaringan penyakit berjangkit dan agen biologi. Kami juga percaya bahawa prestasi reka bentuk yang unggul akan memungkinkan penembusan ke pasaran TOF-MS umum. "
Ermer menerima penghargaan SBIR $ 70,000 pada pertengahan Januari, dan telah membina dan menguji bukti reka bentuk konsep yang lebih besar, yang mengesahkan teknologi yang dirancangnya untuk TOF-MS-nya. "Setakat ini, ujian telah berjalan dengan baik," kata Ermer. Saya telah mengesan molekul hingga 13,000 Daltons (Dalton adalah nama alternatif untuk unit jisim atom, atau amu.) Peranti ini beroperasi seperti yang dirancang untuk jisim hingga 13,000 Daltons dan mempunyai resolusi jisim yang agak lebih baik daripada peranti berukuran penuh pada 13,000 Daltons. Kami sedang berusaha untuk mengesan massa hingga 100,000 Dalton dan hasil awalnya menjanjikan. "
"Memasang dan menjalankan peranti mungkin merupakan rintangan terbesar," kata Ermer mengenai cabaran projek ini. "Banyak perkara sukar dilakukan, tetapi elektroniknya sangat sukar. Untuk peranti ini, anda mesti menghasilkan denyutan voltan tinggi sekitar 16,000 volt. Itu mungkin perkara paling sukar yang harus kami lakukan setakat ini. "
Pengesan pengganda elektron direka khas untuk spektrometri penerbangan miniatur oleh syarikat luar. Ermer dan syarikatnya sendiri merancang sebahagian besar alat lain, termasuk perumahan vakum dan pengekstrak laser. Oleh kerana sangat kecil, pembuatan bahagian ini memerlukan pemesinan toleransi yang sangat tinggi, yang juga dilakukan oleh syarikat luar.
Program SBIR NASA "memberikan peningkatan peluang bagi usaha kecil untuk berpartisipasi dalam penyelidikan dan pengembangan, untuk meningkatkan pekerjaan, dan untuk meningkatkan daya saing A.S.," menurut NASA. Beberapa objektif program ini adalah untuk mendorong inovasi teknologi, dan menggunakan perniagaan kecil untuk memenuhi keperluan penyelidikan dan pembangunan persekutuan. Program ini mempunyai tiga fasa, dengan Tahap I menerima $ 70,000 selama enam bulan penyelidikan untuk menentukan kelayakan dan prestasi teknikal. Projek yang membuatnya ke Tahap II menerima $ 600,000 untuk pembangunan dua tahun lagi, dan Fasa III menyediakan pengkomersialan produk.
Ermer adalah seorang profesor di Mississippi State University. Dia telah melakukan penyelidikan dalam bidang yang berkaitan dengan spektrometri massa sejak tahun 1994, dan untuk tesis PhD di Washington State University, dia melihat pengedaran tenaga ion yang dihasilkan dalam bahan yang berbeza dengan laser. Untuk penyelidikan pasca doktoral di Vanderbilt, dia mempelajari teknik MALDI menggunakan Laser Elektron Bebas Inframerah. Maklumat lebih lanjut mengenai Opti-MS boleh didapati di www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson adalah penulis lepas dan Duta Sistem Suria NASA. Dia tinggal di Illinois.
