Изображение предоставлено: ESA
Доктор Дэвид Эрмер со своей компанией Opti-MS Corporation в настоящее время создает миниатюрный масс-спектрометр времени полета, который может обнаруживать биологические сигнатуры с очень высоким разрешением и чувствительностью, но при этом быть достаточно маленьким, чтобы его можно было использовать в роботизированных и человеческих приложениях. в освоении космоса.
Эрмер использует инновационную систему, которую он разработал в Университете штата Миссисипи, и он получил награду NASA Small Business Innovation Research (SBIR) за продолжение исследований по созданию и тестированию своего устройства.
Масс-спектрометр используется для измерения молекулярной массы, чтобы определить структуру и элементный состав молекулы. Масс-спектрометр высокого разрешения может очень точно определять массы и может использоваться для обнаружения таких вещей, как фрагменты ДНК / РНК, цельные белки и пептиды, фрагменты расщепленного белка и другие биологические молекулы.
Масс-спектрометр времени полета (TOF-MS) работает путем измерения времени, которое требуется ионам для прохождения через вакуумную зону устройства, известного как летающая трубка. Время пролета масс-спектрометрии основано на том факте, что для фиксированной кинетической энергии масса и скорость ионов взаимосвязаны. «Электрические поля используются, чтобы дать ионам известную кинетическую энергию», объяснил Эрмер. «Если вы знаете кинетическую энергию и знаете расстояние, которое проходят ионы, и знаете, сколько времени требуется, чтобы пройти, то вы можете определить массу ионов».
Устройство Эрмера использует лазерную десорбционную ионизацию Matrix Assisted или MALDI, где лазерный луч направляется на анализируемый образец, а лазер ионизирует молекулы, которые затем попадают в полетную трубку. Время полета через трубку напрямую связано с массой, причем более легкие молекулы имеют более короткое время полета, чем более тяжелые.
Анализатор и детектор масс-спектрометра находятся в вакууме, чтобы позволить ионам перемещаться от одного конца прибора к другому без какого-либо сопротивления столкновению с молекулами воздуха, что изменило бы кинетическую энергию молекулы.
Типичная пластина для образцов для TOF-MS может вмещать от 100 до 200 образцов, и устройство может измерять полное распределение массы одним выстрелом. Поэтому огромные объемы данных создаются за очень короткий промежуток времени, а время пролета для большинства ионов составляет микросекунды.
TOF-MS от Ermer сочетает в себе относительно простую механическую настройку с чрезвычайно быстрым электронным сбором данных, а также возможность измерения очень больших масс, что крайне важно при проведении биологического анализа.
Но самым уникальным аспектом устройства Эрмера является его размер. Коммерческие масс-спектрометры, которые в настоящее время доступны, имеют длину не менее полутора метров. Это довольно большой объем, чтобы включить в него научный аппарат, такой как Mars Exploration Rovers размером с гольф-кар или даже более крупный исследовательский марсоход Mars, запланированный к запуску в 2009 году. Эрмер изобрел способ миниатюризации TOF-MS для удивительная 4? дюймов в длину. По его оценкам, его устройство будет иметь объем менее 0,75 литра, массу менее 2 кг и потреблять менее 5 Вт мощности.
Эрмер использовал метод нелинейной оптимизации для создания компьютерной модели масс-спектрометра. Было введено 13 параметров, которые он должен был выбрать, включая расстояние между различными элементами в TOF-MS и напряжения ускорения ионов. Используя эту технику, Эрмер смог найти несколько уникальных решений для очень короткой TOF-MS.
«Я пытаюсь создать масс-спектрометр« Время полета », который был бы достаточно маленьким, чтобы действительно летать в космосе», - сказал Эрмер. «Основное приложение, которое НАСА рассматривает, - поиск биологических молекул, чтобы найти доказательства прошлой жизни на Марсе. Они также хотят иметь возможность заниматься молекулярной биологией на космической станции, хотя применение Марса имеет более высокий приоритет. Мое устройство должно соответствовать всем требованиям, предъявляемым НАСА, а также требованиям к мощности, размеру и весу ».
Эрмер также считает, что его устройство будет использоваться в коммерческих целях. «У меня есть портативное устройство для измерения биологических молекул», - сказал он. «Если вы были в аэропорту и обнаружили белый порошок, вам наверняка захочется узнать, довольно ли быстро это сибирская язва или меловая пыль. Таким образом, вы хотите небольшое, довольно дешевое, портативное устройство, способное сделать это ». В своем предложении в НАСА Эрмер заявил: «Основное (коммерческое) применение для миниатюрной TOF-MS - скрининг на инфекционные заболевания и биологические агенты. Мы также считаем, что превосходные характеристики нашего дизайна позволят проникнуть на общий рынок TOF-MS ».
Эрмер получил награду SBIR в размере 70 000 долларов США в середине января и уже создал и испытал более широкое доказательство концептуального проектирования, которое подтверждает технологию, разработанную им для его TOF-MS. «Пока что испытания прошли очень хорошо», - сказал Эрмер. Я обнаружил молекулы до 13 000 Дальтон (Дальтон - альтернативное название для единицы атомной массы, или amu.) Устройство работает так, как рассчитано для масс до 13 000 Дальтон, и имеет разрешение по массе несколько лучше, чем у полноразмерного устройства при 13 000 Дальтон. В настоящее время мы работаем над обнаружением массы до 100 000 Дальтон, и первые результаты являются многообещающими ».
«Подготовка устройства к работе, вероятно, является самым большим препятствием», - сказал Эрмер о трудностях этого проекта. «Много трудного сделано, но электроника действительно сложна. Для этого устройства вы должны генерировать импульсы высокого напряжения около 16000 вольт. Возможно, это было самое трудное, что нам приходилось делать до сих пор ».
Детектор умножителя электронов специально разработан для миниатюрного времени полета спектрометрии сторонней компанией. Эрмер и его собственная компания разработали большинство других частей устройства, включая вакуумный корпус и лазерный экстрактор. Поскольку он настолько мал, для создания этих деталей требуется обработка с очень высоким допуском, что также было сделано сторонней компанией.
Программа NASIR SBIR «предоставляет расширенные возможности для малых предприятий участвовать в исследованиях и разработках, увеличить занятость и повысить конкурентоспособность США», согласно НАСА. Некоторые цели программы состоят в том, чтобы стимулировать технологические инновации и использовать малые предприятия для удовлетворения федеральных потребностей в исследованиях и разработках. Программа состоит из трех этапов: первый этап предусматривает получение 70 000 долл. США на шесть месяцев исследований для определения осуществимости и технических преимуществ. Проекты, которые переходят на этап II, получают 600 000 долл. США еще на два года разработки, а этап III обеспечивает коммерциализацию продукта.
Эрмер - профессор Государственного университета Миссисипи. Он занимается исследованиями в области, связанной с масс-спектрометрией с 1994 года, и для своей докторской диссертации в Университете штата Вашингтон он изучил распределение энергии ионов, которые генерируются в различных материалах лазером. Для своих докторских исследований в Вандербильте он изучал технику MALDI с использованием инфракрасного лазера на свободных электронах. Более подробную информацию о Opti-MS можно найти на сайте www.opti-ms.com.
Нэнси Аткинсон - внештатный автор и посол Солнечной системы НАСА. Она живет в Иллинойсе.
