Resim kredisi: ESA
Dr. David Ermer, şirketi Opti-MS Corporation ile şu anda biyolojik imzaları çok yüksek çözünürlük ve hassasiyette algılayabilen ancak robotik ve insan uygulamaları için kullanılacak kadar küçük olabilen minyatür bir Uçuş Kütle Spektrometresi inşa ediyor. uzay araştırmaları.
Ermer, Mississippi Devlet Üniversitesi'nde geliştirdiği yenilikçi bir sistem kullanıyor ve cihazını inşa etmek ve test etmek için araştırmasına devam etmek üzere NASA Küçük İşletme Yenilik Araştırma (SBIR) ödülü aldı.
Bir molekülün yapısını ve elementel kompozisyonunu belirlemek için moleküler ağırlığı ölçmek için bir kütle spektrometresi kullanılır. Yüksek çözünürlüklü bir kütle spektrometresi kütleleri çok hassas bir şekilde belirleyebilir ve DNA / RNA fragmanları, tam proteinler ve peptitler, sindirilmiş protein fragmanları ve diğer biyolojik moleküller gibi şeyleri tespit etmek için kullanılabilir.
Bir Uçuş Süresi Kütle Spektrometresi (TOF-MS), iyonların cihazın uçuş tüpü olarak bilinen vakum alanından geçmesi için geçen süreyi ölçerek çalışır. Uçuş zamanı kütle spektrometrisi, sabit bir kinetik enerji için, iyonların kütlesi ve hızının birbiriyle ilişkili olduğu gerçeğine dayanır. Ermer, “Elektrik alanları iyonlara bilinen kinetik enerji vermek için kullanılıyor” dedi. “Kinetik enerjiyi ve iyonların kat ettiği mesafeyi biliyorsanız ve seyahat etmenin ne kadar sürdüğünü biliyorsanız, iyonların kütlesini belirleyebilirsiniz.”
Ermer’in cihazı, bir lazer ışınının analiz edilecek numuneye yönlendirildiği Matris Destekli Lazer Desorpsiyon İyonizasyonu veya MALDI kullanır ve lazer, daha sonra uçuş tüpüne uçan molekülleri iyonlaştırır. Tüp boyunca uçuş süresi doğrudan kütle ile ilişkilidir, daha hafif moleküller daha ağır olanlardan daha kısa bir uçuş süresine sahiptir.
Kütle spektrometresinin analizörü ve dedektörü, iyonların aletin bir ucundan diğer ucuna, molekülün kinetik enerjisini değiştirecek olan hava molekülleri ile çarpışmadan herhangi bir direnç olmadan hareket etmesini sağlamak için bir vakumda tutulur.
Bir TOF-MS için tipik bir numune plakası 100-200 numune arasında tutabilir ve cihaz tek bir atışla tüm kütle dağılımını ölçebilir. Bu nedenle, mikrosaniyede meydana gelen çoğu iyon için uçuş süresi ile çok kısa bir zaman aralığında çok miktarda veri oluşturulur.
Ermer’in TOF-MS, biyolojik analiz yapmak için gerekli olan çok büyük kütleleri ölçme özelliğinin yanı sıra nispeten basit bir mekanik kurulumu son derece hızlı elektronik veri toplama ile birleştirir.
Ancak Ermer’in cihazının en eşsiz yönü boyutu. Halen temin edilebilen ticari kütle spektrometreleri en az bir buçuk metre uzunluğundadır. Bu, golf arabası boyutunda Mars Keşif Gezicileri veya hatta 2009 yılında piyasaya sürülmesi planlanan daha büyük Mars Bilim Laboratuvarı Gezgini gibi yerinde bir bilimsel araca dahil etmek için oldukça büyük bir hacim. Ermer, TOF-MS'yi inanılmaz bir 4? inç uzunluğunda. Cihazının 0.75 litreden daha az bir hacme, 2 kilogramdan daha az bir kütleye sahip olacağını ve 5 watt'tan daha az güç gerektireceğini tahmin ediyor.
Ermer, kütle spektrometresinin bir bilgisayar modelini oluşturmak için doğrusal olmayan bir optimizasyon tekniği kullanmıştır. TOF-MS'deki farklı elemanların aralığı ve iyon hızlanma voltajları dahil olmak üzere seçilmesi gereken 13 parametre vardı. Ermer bu tekniği kullanarak çok kısa bir TOF-MS için benzersiz çözümler bulabildi.
Ermer, “Gerçekten uzaya gidecek kadar küçük bir Uçuş Zamanı Kütle Spektrometresi oluşturmaya çalışıyorum” dedi. “NASA'nın baktığı ana uygulama, Mars'ta geçmiş yaşamın kanıtını bulmak için biyolojik moleküller aramak. Mars uygulamasının önceliği daha yüksek olmasına rağmen, uzay istasyonunda moleküler biyoloji yapmak da istiyorlar. Cihazım, güç, boyut ve ağırlık gereksinimleri kadar NASA'nın sahip olduğu tüm gereksinimlere uygun olmalıdır. ”
Ermer, cihazının ticari olarak da kullanılabileceğini düşünüyor. “Sahip olduğum şey biyolojik molekülleri ölçmek için taşınabilir bir cihaz” dedi. “Havaalanındaysanız ve beyaz bir toz bulduysanız, şarbon veya tebeşir tozu olup olmadığını hızlı bir şekilde bilmek isteyeceksiniz. Bu yüzden bunu yapabilmek için küçük, oldukça ucuz, taşınabilir bir cihazın olmasını istersiniz. ” NASA'ya yaptığı teklifte Ermer, “Minyatür TOF-MS için ana (ticari) uygulama bulaşıcı hastalık ve biyolojik ajanların taranmasıdır. Ayrıca tasarımımızın üstün performansının genel TOF-MS pazarına girmesine izin vereceğine inanıyoruz. ”
Ermer, Ocak ayı ortasında 70.000 dolarlık SBIR ödülünü aldı ve TOF-MS için tasarladığı teknolojiyi doğrulayan daha büyük bir konsept tasarımı kanıtı oluşturdu ve test etti. “Şimdiye kadar testler son derece iyi gitti,” dedi Ermer. 13.000 Dalton'a kadar moleküller belirledim (Dalton, atomik kütle birimi veya amu için alternatif bir isimdir.) Cihaz, 13.000 Dalton'a kadar olan kütleler için tasarlanmış bir şekilde çalışıyor ve kütle çözünürlüğü, 13.000 Dalton'daki tam boyutlu bir cihazdan biraz daha iyi. Şu anda 100.000 Dalton'a kadar kütle tespit etmek için çalışıyoruz ve ilk sonuçlar umut vericidir. ”
“Cihazı çalıştırmak ve çalıştırmak muhtemelen en büyük engeldir,” dedi Ermer bu projenin zorlukları hakkında. “Zor işlerin çoğu yapılıyor ama elektronikler gerçekten zor. Bu cihaz için yaklaşık 16.000 voltluk yüksek voltaj darbeleri üretmelisiniz. Muhtemelen şimdiye kadar yapmak zorunda olduğumuz en zor şeydi. ”
Elektron çarpan dedektörü, dışarıdaki bir şirket tarafından minyatür uçuş spektrometresi zamanı için özel olarak tasarlanmıştır. Ermer ve kendi şirketi, vakum muhafazası ve lazer çıkarıcı dahil olmak üzere cihazın diğer kısımlarının çoğunu tasarladı. Çok küçük olduğu için, bu parçaları oluşturmak, dışarıdaki bir şirket tarafından da yapılan çok yüksek toleranslı işleme gerektirir.
NASA'ya göre NASA SBIR programı “küçük işletmelere araştırma ve geliştirmeye katılmaları, istihdamı artırmaları ve ABD'nin rekabetçiliğini artırmaları için artan fırsatlar sunuyor”. Programın bazı hedefleri teknolojik yeniliği teşvik etmek ve küçük işletmeleri federal araştırma ve geliştirme ihtiyaçlarını karşılamak için kullanmaktır. Programın üç aşaması var; Faz I, fizibilite ve teknik değer oluşturmak için altı aylık araştırma için 70.000 dolar alıyor. Faz II'ye geçen projeler, iki yıllık gelişme için 600.000 $ alır ve Faz III, ürünün ticarileştirilmesini sağlar.
Ermer, Mississippi Devlet Üniversitesi'nde profesördür. 1994 yılından bu yana kütle spektrometrisi ile ilgili alanlarda araştırmalar yapıyor ve Washington Eyalet Üniversitesi'nde doktora tezi için farklı malzemelerden üretilen iyonların enerji dağılımlarını bir lazerle inceledi. Vanderbilt'teki doktora sonrası araştırması için Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri kullanarak MALDI tekniğini inceledi. Opti-MS hakkında daha fazla bilgiyi www.opti-ms.com adresinde bulabilirsiniz.
Nancy Atkinson serbest yazar ve NASA Güneş Sistemi Elçisi'dir. Illinois'de yaşıyor.
