Afbeelding tegoed: ESA
Dr. David Ermer, samen met zijn bedrijf Opti-MS Corporation, bouwt momenteel een miniatuur Time of Flight-massaspectrometer die biologische handtekeningen met een zeer hoge resolutie en gevoeligheid kan detecteren, maar toch klein genoeg is om te worden gebruikt voor robot- en menselijke toepassingen in ruimteverkenning.
Ermer gebruikt een innovatief systeem dat hij heeft ontwikkeld aan de Mississippi State University en hij heeft een NASA Small Business Innovation Research (SBIR) -prijs ontvangen om zijn onderzoek voort te zetten om zijn apparaat te bouwen en te testen.
Een massaspectrometer wordt gebruikt om het molecuulgewicht te meten om de structuur en de elementaire samenstelling van een molecuul te bepalen. Een massaspectrometer met hoge resolutie kan massa's zeer nauwkeurig bepalen en kan worden gebruikt om zaken als DNA / RNA-fragmenten, hele eiwitten en peptiden, verteerde eiwitfragmenten en andere biologische moleculen te detecteren.
Een Time of Flight-massaspectrometer (TOF-MS) werkt door de tijd te meten die ionen nodig hebben om door een vacuümgebied van het apparaat dat bekend staat als de flight tube te reizen. Time of flight massaspectrometrie is gebaseerd op het feit dat voor een vaste kinetische energie de massa en de snelheid van de ionen met elkaar in verband staan. 'Elektrische velden worden gebruikt om ionen een bekende kinetische energie te geven', legt Ermer uit. 'Als je de kinetische energie kent en de afstand weet die de ionen afleggen, en weet hoe lang het duurt om te reizen, dan kun je de massa van de ionen bepalen.'
Het apparaat van Ermer maakt gebruik van Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, of MALDI, waarbij een laserstraal op het te analyseren monster wordt gericht en de laser de moleculen ioniseert die vervolgens in de vluchtbuis vliegen. De vluchttijd door de buis correleert rechtstreeks met massa, waarbij lichtere moleculen een kortere vluchttijd hebben dan zwaardere.
De analysator en detector van de massaspectrometer worden in een vacuüm gehouden om de ionen van het ene uiteinde van het instrument naar het andere te laten reizen zonder enige weerstand door botsing met luchtmoleculen, wat de kinetische energie van het molecuul zou veranderen.
Een typische monsterplaat voor een TOF-MS kan tussen de 100-200 monsters bevatten en het apparaat kan de volledige massadistributie meten met één enkele opname. Daarom worden binnen een zeer kort tijdsinterval enorme hoeveelheden gegevens gecreëerd, waarbij de vluchttijd voor de meeste ionen plaatsvindt in microseconden.
Ermer's TOF-MS combineert een relatief eenvoudige mechanische setup met extreem snelle elektronische data-acquisitie, samen met de mogelijkheid om zeer grote massa's te meten, wat essentieel is bij biologische analyse.
Maar het meest unieke aspect van Ermer's apparaat is de grootte. De commerciële massaspectrometers die momenteel beschikbaar zijn, zijn minimaal anderhalve meter lang. Dat is een vrij groot volume om op te nemen in een in-situ wetenschappelijk voertuig zoals de Mars Exploration Rovers ter grootte van een golfwagen of zelfs de grotere Mars Science Laboratory Rover die gepland staat om in 2009 te lanceren. Ermer heeft een manier bedacht om een TOF-MS te verkleinen tot een geweldige 4? inches lang. Hij schat dat zijn toestel een volume zal hebben van minder dan 0,75 liter, een massa van minder dan 2 kilogram en minder dan 5 watt aan vermogen nodig heeft.
Ermer gebruikte een niet-lineaire optimalisatietechniek om een computermodel van een massaspectrometer te maken. Er waren 13 parameters die hij moest invoeren, waaronder de afstand tussen de verschillende elementen in de TOF-MS en de ionversnellingsspanningen. Met behulp van deze techniek kon Ermer enkele unieke oplossingen vinden voor een zeer korte TOF-MS.
"Ik probeer een Time of Flight-massaspectrometer te bouwen die klein genoeg is om daadwerkelijk de ruimte in te gaan", zei Ermer. 'De belangrijkste toepassing waar NASA naar kijkt, is het zoeken naar biologische moleculen om bewijs te vinden van het vorige leven op Mars. Ze willen ook moleculaire biologie kunnen doen in het ruimtestation, hoewel de Mars-applicatie een hogere prioriteit heeft. Mijn apparaat zou moeten voldoen aan alle vereisten die NASA heeft, wat betreft de vereisten op het gebied van vermogen, afmetingen en gewicht. "
Ermer ziet ook mogelijkheden om zijn apparaat ook commercieel te gebruiken. 'Wat ik heb, is een draagbaar apparaat om biologische moleculen te meten', zei hij. "Als je op een luchthaven was en een wit poeder vond, wil je vrij snel weten of het miltvuur of krijtstof is. Dus je wilt een klein, redelijk goedkoop, draagbaar apparaat om dat te kunnen doen. ' In zijn voorstel aan NASA verklaarde Ermer: “De belangrijkste (commerciële) toepassing voor miniatuur TOF-MS is de screening van infectieziekten en biologische agentia. We zijn ook van mening dat de superieure prestaties van ons ontwerp penetratie in de algemene TOF-MS-markt mogelijk zullen maken. ”
Ermer ontving half januari de SBIR-prijs van $ 70.000 en heeft al een groter proof of concept-ontwerp gebouwd en getest, dat de technologie valideert die hij voor zijn TOF-MS heeft ontworpen. 'Tot dusver zijn de tests buitengewoon goed verlopen', zei Ermer. Ik heb moleculen gedetecteerd tot 13.000 Dalton (Dalton is een alternatieve naam voor atomaire massa-eenheid, of amu.) Het apparaat werkt zoals ontworpen voor massa's tot 13.000 Dalton en heeft een massaresolutie die iets beter is dan een apparaat van volledige grootte met 13.000 Dalton. We zijn momenteel bezig met het detecteren van massa tot 100.000 dalton en de eerste resultaten zijn veelbelovend. ”
"Het apparaat in gebruik nemen is waarschijnlijk de grootste hindernis", zei Ermer over de uitdagingen van dit project. “Er worden veel moeilijke dingen gedaan, maar de elektronica is echt moeilijk. Voor dit apparaat moet je hoogspanningspulsen genereren van ongeveer 16.000 volt. Dat was waarschijnlijk het moeilijkste dat we tot nu toe hebben moeten doen. "
De elektronenvermenigvuldiger is speciaal ontworpen voor miniatuurtijd van vluchtspectrometrie door een extern bedrijf. Ermer en zijn eigen bedrijf ontwierpen de meeste andere onderdelen van het apparaat, waaronder de vacuümbehuizing en de lasertrekker. Omdat het zo klein is, vereist het maken van deze onderdelen een bewerking met een zeer hoge tolerantie, wat ook werd gedaan door een extern bedrijf.
Het NASA SBIR-programma "biedt kleine bedrijven meer mogelijkheden om deel te nemen aan onderzoek en ontwikkeling, de werkgelegenheid te vergroten en het concurrentievermogen van de VS te verbeteren", aldus NASA. Enkele doelstellingen van het programma zijn het stimuleren van technologische innovatie en het gebruik van kleine bedrijven om te voorzien in federale onderzoeks- en ontwikkelingsbehoeften. Het programma bestaat uit drie fasen: fase I ontvangt $ 70.000 voor zes maanden onderzoek om haalbaarheid en technische verdiensten vast te stellen. Projecten die fase II bereiken, ontvangen $ 600.000 voor nog twee jaar ontwikkeling en fase III zorgt voor commercialisering van het product.
Ermer is professor aan de Mississippi State University. Hij doet sinds 1994 onderzoek op het gebied van massaspectrometrie en voor zijn proefschrift aan de Washington State University keek hij naar de energieverdelingen van ionen die door een laser in verschillende materialen worden opgewekt. Voor zijn postdoctoraal onderzoek aan Vanderbilt bestudeerde hij de MALDI-techniek met behulp van een infraroodvrije elektronenlaser. Meer informatie over Opti-MS is te vinden op www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson is een freelance schrijver en NASA Solar System Ambassador. Ze woont in Illinois.
