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Dr. David Ermer baut derzeit mit seiner Firma Opti-MS Corporation ein Miniatur-Flugzeit-Massenspektrometer, das biologische Signaturen mit einer sehr hohen Auflösung und Empfindlichkeit erfassen kann, jedoch klein genug ist, um für Roboter- und Menschenanwendungen verwendet zu werden in der Weltraumforschung.
Ermer verwendet ein innovatives System, das er an der Mississippi State University entwickelt hat, und er wurde mit dem SBIR-Preis (Small Business Innovation Research) der NASA ausgezeichnet, um seine Forschung zum Bau und Testen seines Geräts fortzusetzen.
Ein Massenspektrometer wird verwendet, um das Molekulargewicht zu messen, um die Struktur und Elementzusammensetzung eines Moleküls zu bestimmen. Ein hochauflösendes Massenspektrometer kann Massen sehr genau bestimmen und zum Nachweis von DNA / RNA-Fragmenten, ganzen Proteinen und Peptiden, verdauten Proteinfragmenten und anderen biologischen Molekülen verwendet werden.
Ein Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) misst die Zeit, die Ionen benötigen, um sich durch einen Vakuumbereich des als Flugröhre bezeichneten Geräts zu bewegen. Die Flugzeitmassenspektrometrie basiert auf der Tatsache, dass bei einer festen kinetischen Energie die Masse und die Geschwindigkeit der Ionen miteinander zusammenhängen. "Elektrische Felder werden verwendet, um Ionen eine bekannte kinetische Energie zu verleihen", erklärte Ermer. "Wenn Sie die kinetische Energie und die Entfernung der Ionen kennen und wissen, wie lange es dauert, um sich fortzubewegen, können Sie die Masse der Ionen bestimmen."
Ermers Gerät verwendet die Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI), bei der ein Laserstrahl auf die zu analysierende Probe gerichtet wird und der Laser die Moleküle ionisiert, die dann in das Flugrohr fliegen. Die Flugzeit durch die Röhre korreliert direkt mit der Masse, wobei leichtere Moleküle eine kürzere Flugzeit haben als schwerere.
Der Analysator und der Detektor des Massenspektrometers werden in einem Vakuum gehalten, damit die Ionen von einem Ende des Instruments zum anderen wandern können, ohne dass ein Widerstand gegen Kollisionen mit Luftmolekülen besteht, die die kinetische Energie des Moleküls verändern würden.
Eine typische Probenplatte für eine TOF-MS kann zwischen 100 und 200 Proben aufnehmen, und das Gerät kann die vollständige Massenverteilung mit einem einzigen Schuss messen. Daher werden innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls große Datenmengen erzeugt, wobei die Flugzeit für die meisten Ionen in Mikrosekunden auftritt.
Ermers TOF-MS kombiniert einen relativ einfachen mechanischen Aufbau mit einer extrem schnellen elektronischen Datenerfassung und der Fähigkeit, sehr große Massen zu messen, was für die biologische Analyse unerlässlich ist.
Das Einzigartigste an Ermers Gerät ist jedoch seine Größe. Die derzeit erhältlichen kommerziellen Massenspektrometer sind mindestens anderthalb Meter lang. Das ist ein ziemlich großes Volumen für ein wissenschaftliches In-situ-Fahrzeug wie den Mars Exploration Rovers in Golfwagengröße oder sogar den größeren Mars Science Laboratory Rover, dessen Einführung für 2009 geplant ist. Ermer hat einen Weg gefunden, eine TOF-MS zu miniaturisieren eine erstaunliche 4? Zoll lang. Er schätzt, dass sein Gerät ein Volumen von weniger als 0,75 Litern, eine Masse von weniger als 2 Kilogramm und weniger als 5 Watt Leistung haben wird.
Ermer verwendete eine nichtlineare Optimierungstechnik, um ein Computermodell eines Massenspektrometers zu erstellen. Es gab 13 Parameter, die er eingeben musste, einschließlich des Abstands der verschiedenen Elemente in der TOF-MS und der Ionenbeschleunigungsspannungen. Mit dieser Technik konnte Ermer einige einzigartige Lösungen für eine sehr kurze TOF-MS finden.
"Ich versuche, ein Flugzeit-Massenspektrometer zu bauen, das klein genug ist, um tatsächlich in den Weltraum zu fliegen", sagte Ermer. „Die Hauptanwendung, die die NASA untersucht, ist die Suche nach biologischen Molekülen, um Beweise für vergangene Leben auf dem Mars zu finden. Sie wollen auch Molekularbiologie auf der Raumstation betreiben können, obwohl die Mars-Anwendung eine höhere Priorität hat. Mein Gerät sollte alle Anforderungen der NASA erfüllen, was die Anforderungen an Leistung, Größe und Gewicht betrifft. “
Ermer sieht auch das Potenzial, sein Gerät auch kommerziell einzusetzen. "Was ich habe, ist ein tragbares Gerät zur Messung biologischer Moleküle", sagte er. "Wenn Sie an einem Flughafen waren und ein weißes Pulver gefunden haben, werden Sie schnell wissen wollen, ob es sich um Anthrax oder Kreidestaub handelt. Sie möchten also, dass ein kleines, ziemlich billiges, tragbares Gerät dies kann. “ In seinem Vorschlag an die NASA erklärte Ermer: „Die wichtigste (kommerzielle) Anwendung für Miniatur-TOF-MS ist das Screening von Infektionskrankheiten und biologischen Wirkstoffen. Wir glauben auch, dass die überlegene Leistung unseres Designs den Eintritt in den allgemeinen TOF-MS-Markt ermöglichen wird. “
Ermer erhielt Mitte Januar den SBIR-Preis in Höhe von 70.000 US-Dollar und hat bereits ein größeres Proof-of-Concept-Design erstellt und getestet, das die Technologie bestätigt, die er für seine TOF-MS entwickelt hat. "Bisher sind die Tests sehr gut verlaufen", sagte Ermer. Ich habe Moleküle mit bis zu 13.000 Dalton nachgewiesen (Dalton ist eine alternative Bezeichnung für Atommasseneinheit oder Amu). Das Gerät arbeitet wie für Massen bis zu 13.000 Dalton ausgelegt und hat eine Massenauflösung, die etwas besser ist als ein Gerät mit voller Größe bei 13.000 Dalton. Wir arbeiten derzeit daran, eine Masse von bis zu 100.000 Dalton zu ermitteln, und die ersten Ergebnisse sind vielversprechend. “
"Die Inbetriebnahme des Geräts ist wahrscheinlich die größte Hürde", sagte Ermer über die Herausforderungen dieses Projekts. „Viele der schwierigen Dinge sind erledigt, aber die Elektronik ist wirklich schwierig. Für dieses Gerät müssen Hochspannungsimpulse von ca. 16.000 Volt erzeugt werden. Das war wahrscheinlich das Schwierigste, was wir bisher tun mussten. "
Der Elektronenvervielfacherdetektor wurde speziell für die Miniatur-Flugzeitspektrometrie eines externen Unternehmens entwickelt. Ermer und seine eigene Firma entwarfen die meisten anderen Teile des Geräts, einschließlich des Vakuumgehäuses und des Laserextraktors. Da es so klein ist, erfordert die Herstellung dieser Teile eine Bearbeitung mit sehr hoher Toleranz, die auch von einem externen Unternehmen durchgeführt wurde.
Das NASA-SBIR-Programm "bietet kleinen Unternehmen mehr Möglichkeiten, sich an Forschung und Entwicklung zu beteiligen, die Beschäftigung zu erhöhen und die Wettbewerbsfähigkeit der USA zu verbessern", so die NASA. Einige Ziele des Programms sind die Förderung technologischer Innovationen und der Einsatz kleiner Unternehmen zur Deckung des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs des Bundes. Das Programm besteht aus drei Phasen, wobei Phase I für sechs Monate Forschung 70.000 US-Dollar erhält, um Machbarkeit und technischen Nutzen festzustellen. Projekte, die es in die Phase II schaffen, erhalten 600.000 US-Dollar für zwei weitere Entwicklungsjahre, und in Phase III wird das Produkt kommerzialisiert.
Ermer ist Professor an der Mississippi State University. Seit 1994 forscht er auf massenspektrometrischen Gebieten. In seiner Doktorarbeit an der Washington State University untersuchte er die Energieverteilung von Ionen, die von einem Laser in verschiedenen Materialien erzeugt werden. Für seine Postdoktorandenforschung in Vanderbilt studierte er die MALDI-Technik mit einem Infrarot-Freie-Elektronen-Laser. Weitere Informationen zu Opti-MS finden Sie unter www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson ist freie Autorin und Botschafterin des NASA-Sonnensystems. Sie lebt in Illinois.
