Tín dụng hình ảnh: ESA
Tiến sĩ David Ermer, cùng với công ty của mình, Opti-MS Corporation, hiện đang chế tạo Máy quang phổ khối thời gian bay thu nhỏ có thể phát hiện chữ ký sinh học ở độ phân giải và độ nhạy rất cao, nhưng đủ nhỏ để sử dụng cho các ứng dụng robot và người trong thám hiểm không gian.
Ermer đang sử dụng một hệ thống sáng tạo mà ông đã phát triển tại Đại học bang Mississippi và ông đã nhận được giải thưởng Nghiên cứu đổi mới doanh nghiệp nhỏ của NASA (SBIR) để tiếp tục nghiên cứu để chế tạo và thử nghiệm thiết bị của mình.
Máy quang phổ khối được sử dụng để đo trọng lượng phân tử để xác định cấu trúc và thành phần nguyên tố của phân tử. Máy quang phổ khối có độ phân giải cao có thể xác định khối lượng rất chính xác và có thể được sử dụng để phát hiện những thứ như đoạn DNA / RNA, toàn bộ protein và peptide, đoạn protein được tiêu hóa và các phân tử sinh học khác.
Máy quang phổ khối thời gian bay (TOF-MS) hoạt động bằng cách đo thời gian để các ion di chuyển qua khu vực chân không của thiết bị được gọi là ống bay. Thời gian của phổ khối lượng chuyến bay dựa trên thực tế là đối với một động năng cố định, khối lượng và vận tốc của các ion có liên quan đến nhau. Các lĩnh vực điện điện tử được sử dụng để cung cấp cho các ion một động năng đã biết, Tiết Ermer giải thích. Nếu bạn biết động năng và biết quãng đường mà các ion di chuyển và biết thời gian di chuyển là bao lâu, thì bạn có thể xác định khối lượng của các ion.
Thiết bị Ermer từ sử dụng phương pháp ion hóa giải hấp thụ tia laser hoặc MALDI, trong đó một chùm tia laser hướng vào mẫu cần phân tích, và tia laser làm ion hóa các phân tử sau đó bay vào ống bay. Thời gian bay qua ống tương quan trực tiếp đến khối lượng, với các phân tử nhẹ hơn có thời gian bay ngắn hơn các hạt nặng hơn.
Máy phân tích và máy dò của máy quang phổ khối được giữ trong chân không để cho các ion di chuyển từ đầu này sang đầu kia mà không có bất kỳ lực cản nào khi va chạm với các phân tử không khí, điều này sẽ làm thay đổi động năng của phân tử.
Một tấm mẫu điển hình cho TOF-MS có thể chứa từ 100-200 mẫu và thiết bị có thể đo phân phối khối lượng hoàn chỉnh chỉ với một lần chụp. Do đó, một lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong một khoảng thời gian rất ngắn, với thời gian bay cho hầu hết các ion xảy ra trong vài giây.
Ermer khuyết TOF-MS kết hợp một thiết lập cơ học tương đối đơn giản với việc thu thập dữ liệu điện tử cực nhanh, cùng với khả năng đo khối lượng rất lớn, điều cần thiết trong phân tích sinh học.
Nhưng khía cạnh độc đáo nhất của thiết bị Ermer, là kích thước của nó. Máy quang phổ khối thương mại hiện có sẵn dài ít nhất một mét rưỡi. Đó là một khối lượng khá lớn để bao gồm trên một phương tiện khoa học tại chỗ như Mars Explective Rovers hoặc thậm chí là Phòng thí nghiệm Khoa học Sao Hỏa lớn hơn Rover dự kiến ra mắt vào năm 2009. Ermer đã nghĩ ra cách thu nhỏ TOF-MS để 4 tuyệt vời? chiều dài theo đơn vị inch. Ông ước tính rằng thiết bị của mình sẽ có thể tích dưới 0,75 lít, khối lượng dưới 2 kg và cần ít hơn 5 watt điện.
Ermer đã sử dụng một kỹ thuật tối ưu hóa phi tuyến tính để tạo ra một mô hình máy tính của máy quang phổ khối. Có 13 tham số anh ta phải chọn, bao gồm khoảng cách của các phần tử khác nhau trong TOF-MS và điện áp gia tốc ion. Sử dụng kỹ thuật này Ermer đã có thể tìm thấy một số giải pháp độc đáo cho một TOF-MS rất ngắn.
Cấm tôi đang cố gắng xây dựng Máy quang phổ khối thời gian bay đủ nhỏ để thực sự đi vào vũ trụ, theo ông Er Ermer. Ứng dụng chính mà NASA đang tìm kiếm là tìm kiếm các phân tử sinh học, để tìm bằng chứng về kiếp trước trên Sao Hỏa. Họ cũng muốn có thể thực hiện sinh học phân tử trên trạm vũ trụ, mặc dù ứng dụng Sao Hỏa có mức độ ưu tiên cao hơn. Thiết bị của tôi phải đáp ứng được tất cả các yêu cầu mà NASA có, theo yêu cầu về sức mạnh, kích thước và trọng lượng.
Ermer cũng nhìn thấy tiềm năng cho thiết bị của mình được sử dụng thương mại. Những gì tôi có là một thiết bị cầm tay để đo các phân tử sinh học, ông nói. Nếu bạn đang ở sân bay và tìm thấy một loại bột màu trắng, bạn sẽ muốn biết đó là bệnh than hay bụi phấn khá nhanh. Vì vậy, bạn muốn có một thiết bị cầm tay nhỏ, khá rẻ, có thể làm được điều đó. Trong đề xuất của mình với NASA, Ermer tuyên bố, Ứng dụng chính (thương mại) cho TOF-MS thu nhỏ là sàng lọc các bệnh truyền nhiễm và các tác nhân sinh học. Chúng tôi cũng tin rằng hiệu suất vượt trội trong thiết kế của chúng tôi sẽ cho phép thâm nhập vào thị trường TOF-MS chung.
Ermer đã nhận được giải thưởng SBIR trị giá 70.000 đô la vào giữa tháng 1, và đã xây dựng và thử nghiệm một bằng chứng lớn hơn về thiết kế khái niệm, xác nhận công nghệ mà ông thiết kế cho TOF-MS của mình. Cho đến nay, các bài kiểm tra đã diễn ra vô cùng tốt đẹp, Giáo sư Ermer nói. Tôi đã phát hiện ra các phân tử lên tới 13.000 Dalton (Dalton là tên thay thế cho đơn vị khối lượng nguyên tử, hoặc amu.) Thiết bị này hoạt động như được thiết kế cho khối lượng lên tới 13.000 Dalton và có độ phân giải khối lượng tốt hơn một thiết bị có kích thước đầy đủ ở mức 13.000 Dalton. Chúng tôi hiện đang làm việc để phát hiện hàng loạt tới 100.000 Dalton và kết quả ban đầu rất hứa hẹn.
Để bắt thiết bị chạy và chạy có lẽ là trở ngại lớn nhất, ông Er Ermer nói về những thách thức của dự án này. Rất nhiều điều khó khăn đã được thực hiện, nhưng các thiết bị điện tử thực sự khó khăn. Đối với thiết bị này, bạn phải tạo ra các xung điện áp cao khoảng 16.000 volt. Đó có lẽ là điều khó nhất mà chúng tôi phải làm cho đến nay.
Máy dò số nhân electron được thiết kế đặc biệt cho thời gian thu nhỏ của phép đo phổ của một công ty bên ngoài. Ermer và công ty riêng của mình đã thiết kế hầu hết các bộ phận khác của thiết bị, bao gồm vỏ chân không và máy chiết laser. Vì nó rất nhỏ, việc tạo ra các bộ phận này đòi hỏi gia công dung sai rất cao, điều này cũng được thực hiện bởi một công ty bên ngoài.
Chương trình SBIR của NASA cung cấp cơ hội gia tăng cho các doanh nghiệp nhỏ tham gia nghiên cứu và phát triển, tăng việc làm và cải thiện khả năng cạnh tranh của Hoa Kỳ, theo NASA. Một số mục tiêu của chương trình là để kích thích đổi mới công nghệ và sử dụng các doanh nghiệp nhỏ để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển của liên bang. Chương trình có ba giai đoạn, với Giai đoạn I nhận được 70.000 đô la trong sáu tháng nghiên cứu để thiết lập tính khả thi và giá trị kỹ thuật. Các dự án được đưa vào Giai đoạn II nhận được 600.000 đô la trong hai năm phát triển và Giai đoạn III cung cấp thương mại hóa sản phẩm.
Ermer là một giáo sư tại Đại học bang Mississippi. Ông đã nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan đến khối phổ từ năm 1994, và đối với luận án tiến sĩ tại Đại học bang Washington, ông đã xem xét sự phân bố năng lượng của các ion được tạo ra trong các vật liệu khác nhau bằng laser. Đối với nghiên cứu sau tiến sĩ tại Vanderbilt, ông đã nghiên cứu kỹ thuật MALDI bằng cách sử dụng Laser điện tử tự do hồng ngoại. Thông tin thêm về Opti-MS có thể được tìm thấy tại www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson là một nhà văn tự do và Đại sứ Hệ mặt trời của NASA. Cô ấy sống ở Illinois.
