Кредитна слика: ЕСА
Др Давид Ермер, са својом компанијом, Опти-МС Цорпоратион, тренутно гради минијатурни спектрометар за летну масу који може да детектује биолошке потписе у веома високој резолуцији и осетљивости, али је ипак довољно мали да се може користити за роботске и људске апликације. у свемирском истраживању.
Ермер користи иновативни систем који је развио на Државном универзитету у Миссиссиппију и добио је НАСА-ино награду за истраживање иновација у малом бизнису (СБИР) за наставак истраживања на изградњи и тестирању уређаја.
Масени спектрометар се користи за мерење молекуларне тежине за одређивање структуре и елементарног састава молекула. Масени спектрометар високе резолуције може прецизно одредити масе и може се користити за детекцију ствари попут фрагмената ДНК / РНК, целих протеина и пептида, фрагмената разграђених протеина и других биолошких молекула.
Спектрометар за масу лета (ТОФ-МС) делује тако што мери време које је потребно да иони путују кроз подручје вакуума уређаја познате као летна цев. Време лета масене спектрометрије заснива се на чињеници да су за фиксну кинетичку енергију маса и брзина јона међусобно повезани. "Електрична поља се користе да дају јонима познату кинетичку енергију", објаснио је Ермер. "Ако знате кинетичку енергију и знате удаљеност коју јони путују, и знате колико времена треба да путује, онда можете одредити масу јона."
Ермеров уређај користи ласерску десорпциону ласерску десорпцију или МАЛДИ, где се ласерски сноп усмери на узорак који се анализира, а ласер јонизује молекуле који затим улете у цев за летење. Време лета кроз цев је директно повезано са масом, при чему лакши молекули имају краће време лета од тежих.
Анализатор и детектор масеног спектрометра чувају се у вакууму да би иони прешли са једног краја инструмента на други, без икаквог отпора од судара са молекулама ваздуха, што би изменило кинетичку енергију молекула.
Типична плочица узорка за ТОФ-МС може да садржи између 100-200 узорака, а уређај може да мери потпуну расподелу масе једним хицем. Стога се стварају огромне количине података у врло кратком временском интервалу, при чему се време лета за већину јона дешава у микросекундама.
Ермеров ТОФ-МС комбинује релативно једноставно механичко подешавање са изузетно брзим електронским добијањем података, заједно са могућношћу мерења веома великих маса, што је од суштинске важности за биолошку анализу.
Али, најуникатнији аспект Ермеровог уређаја је његова величина. Комерцијални спектрометри масе који су тренутно доступни дугачки су најмање један и по метар. То је прилично велика количина коју треба укључити на ин-ситу научно возило попут голф возила Марс Екплоратион Роверс или чак на већем Марс Сциенце Лаборатори Ровер-у који би требало да буде представљен 2009. Ермер је осмислио начин минијатурисања ТОФ-МС-а за невероватних 4? инча дугачак. Процјењује да ће његов уређај имати запремину мању од 0,75 литара, масу мању од 2 килограма и требаће му снаге мање од 5 В.
Ермер је користио нелинеарну технику оптимизације за креирање рачунарског модела масеног спектрометра. Било је 13 параметара које је морао да одабере, укључујући размак различитих елемената у ТОФ-МС и напоне за убрзање јона. Користећи ову технику, Ермер је успео да нађе јединствена решења за врло кратак ТОФ-МС.
"Покушавам да направим Спектрометар за време масовних летова који је довољно мали да се заиста може кретати у свемир", рекао је Ермер. „Главна апликација коју НАСА гледа је тражење биолошких молекула, проналажење доказа о прошлом животу на Марсу. Они такође желе да буду способни да раде молекуларну биологију на свемирској станици, мада апликација Марс има већи приоритет. Мој уређај треба да дође у складу са свим захтевима које има НАСА, што се тиче захтева за снагом, величином и тежином. “
Ермер такође види потенцијал да се његов уређај и комерцијално користи. "Оно што имам је преносни уређај за мерење биолошких молекула", рекао је. „Ако сте били на аеродрому и пронашли бели прах, желели бисте да знате да ли је антракс или креда прашина прилично брзо. Тако да желите да мали, прилично јефтин, преносиви уређај то може да уради. " У свом приједлогу за НАСА, Ермер је изјавио, „Главна (комерцијална) апликација за минијатурни ТОФ-МС је пробир инфективних болести и биолошких узрочника. Такође верујемо да ће врхунске перформансе нашег дизајна омогућити продор на опште тржиште ТОФ-МС. “
Ермер је добио награду од 70.000 долара СБИР средином јануара и већ је изградио и тестирао већи доказ концептног дизајна, који потврђује технологију коју је конструисао за свој ТОФ-МС. "До сада су тестови прошли изузетно добро", рекао је Ермер. Открио сам молекуле до 13.000 Далтона (Далтон је алтернативно име јединице атомске масе, или аму.) Уређај ради као што је предвиђено за масе до 13.000 Далтона и резолуција масе је нешто боља од уређаја пуне величине на 13.000 Далтона. Тренутно радимо на откривању масе до 100.000 Далтона, а почетни резултати обећавају. “
„Постављање уређаја и рад су вероватно највећа препрека“, рекао је Ермер о изазовима овог пројекта. „Много је тешких ствари урађено, али електроника је заиста тешка. За овај уређај морате да генеришете високонапонске импулсе од око 16 000 волти. То је вероватно било најтеже што смо досад морали учинити. “
Детектор мултипликатора електрона је посебно дизајниран за минијатурно време лета спектрометрије од стране спољне компаније. Ермер и његова компанија дизајнирали су већину осталих делова уређаја, укључујући кућиште вакуума и ласерски екстрактор. Будући да је тако мали, израда ових делова захтева веома велику толеранцију обраде, што је такође урадила спољна компанија.
НАСА-ин програм СБИР "пружа повећане могућности за мала предузећа да учествују у истраживању и развоју, повећају запосленост и побољшају конкурентност у САД-у", наводе из НАСА-е. Неки циљеви програма су подстицање технолошких иновација и коришћење малих предузећа за задовољење савезних потреба за истраживањем и развојем. Програм има три фазе, при чему је Фаза И добила 70.000 долара за шест месеци истраживања ради утврђивања изводљивости и техничких предности. Пројекти који стижу до ИИ фазе добијају 600.000 долара за још две године развоја, а фаза ИИИ омогућава комерцијализацију производа.
Ермер је професор на Државном универзитету у Мисисипију. Истраживао је у областима везаним за масну спектрометрију од 1994. године, а за докторат на Државном универзитету у Васхингтону гледао је расподелу енергије јона које ласер ствара у различитим материјалима. За постдокторско истраживање у Вандербилту, проучавао је МАЛДИ технику помоћу инфрацрвеног ласера са слободним електронима. Више информација о Опти-МС можете наћи на ввв.опти-мс.цом.
Нанци Аткинсон је слободна списатељица и амбасадорица НАСА-е за Сунчев систем. Живи у Илиноису.
