אשראי תמונה: ESA
ד"ר דייוויד ארמר, עם חברתו, חברת אופטי-מ.ס., בונה בימים אלה מכשיר ספקטרומטר של זמן טיסה מסיבי מיניאטורי שיכול לאתר חתימות ביולוגיות ברזולוציה גבוהה ורגישות מאוד, אך עם זאת להיות קטן מספיק כדי לשמש ליישומים רובוטיים ואנושיים. בחקירת חלל.
ארמר משתמש במערכת חדשנית שפיתח באוניברסיטת מדינת מיסיסיפי, והוא קיבל פרס של חברת NASA Small Business Innovation Research (SBIR) כדי להמשיך במחקר שלו לבניית המכשיר שלו ובדיקתו.
ספקטרומטר המוני משמש למדידת משקל מולקולרי לקביעת המבנה והרכב היסודי של המולקולה. ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה יכול לקבוע המונים בצורה מדויקת מאוד, וניתן להשתמש בו כדי לאתר דברים כמו שברי DNA / RNA, חלבונים שלמים ופפטידים, שברי חלבון מעוכלים ומולקולות ביולוגיות אחרות.
מכשיר ספקטרומטר של זמן טיסה (TOF-MS) עובד על ידי מדידת הזמן שלוקח ליונים לנוע באזור ואקום של המכשיר המכונה צינור הטיסה. זמן הספקטרומטריה של מסת טיסה מבוסס על העובדה שעבור אנרגיה קינטית קבועה, המסה ומהירות היונים קשורים זה בזה. "שדות חשמליים משמשים למתן יונים אנרגיה קינטית ידועה", הסביר ארמר. "אם אתה מכיר את האנרגיה הקינטית ויודע את המרחק שהיונים נודדים, ויודע כמה זמן לוקח לנסוע, אתה יכול לקבוע את מסת היונים."
המכשיר של ארמר משתמש במינון יישור Desorption לייזר באמצעות מטריקס, או MALDI, שם קרן לייזר מופנית אל הדגימה שיש לנתח, והלייזר מיינן את המולקולות שאחר כך עפות אל צינור הטיסה. זמן הטיסה דרך הצינור מתאם ישירות למסה, כאשר מולקולות קלות יותר יש זמן טיסה קצר יותר מאלו כבדות יותר.
המנתח והגלאי של ספקטרומטר המונים נשמרים בוואקום כדי לאפשר ליונים לנוע מקצה אחד של הכלי לקצה השני ללא התנגדות כלשהי להתנגשות במולקולות אוויר, דבר שישנה את האנרגיה הקינטית של המולקולה.
לוחית דגימה טיפוסית ל- TOF-MS יכולה להכיל בין 100-200 דגימות, והמכשיר יכול למדוד את חלוקת המסה השלמה בעזרת ירייה אחת. לכן נוצרים כמויות אדירות של נתונים בפרק זמן קצר מאוד, כאשר זמן הטיסה של מרבית היונים מתרחש במיקרו-שניות.
TOF-MS של Ermer משלב מערך מכני פשוט יחסית עם רכישת נתונים אלקטרונית מהירה במיוחד, יחד עם היכולת למדוד המונים גדולים מאוד, וזה חיוני בביצוע ניתוח ביולוגי.
אבל ההיבט הייחודי ביותר במכשיר של ארמר הוא הגודל שלו. אורך הספקטרומטרים ההמוניים המסחריים הקיימים כיום מטר וחצי לפחות. זהו נפח גדול למדי שיכול לכלול על רכב מדעי במקום, כמו מכוניות גולף בגודל מכוניות גולף או אפילו רובר המעבדה הגדולה ביותר במאדים למדע, שתוכנן להשיק בשנת 2009. ארמר המציא דרך למזעור TOF-MS ל 4 מדהים? אורך סנטימטרים. הוא מעריך כי המכשיר שלו יהיה בנפח של פחות מ- 0.75 ליטר, מסה של פחות משני קילוגרמים ודורש פחות מ -5 וואט חשמל.
ארמר השתמש בטכניקת אופטימיזציה לא ליניארית כדי ליצור מודל מחשב של ספקטרומטר המוני. היו 13 פרמטרים שהוא הזין שהיה צריך לבחור, כולל המרווח בין האלמנטים השונים ב- TOF-MS ומתחי תאוצה היונים. בעזרת טכניקה זו הצליח ארמר למצוא כמה פתרונות ייחודיים ל- TOF-MS קצר מאוד.
"אני מנסה לבנות ספקטרומטר של מסע זמן של טיסה שהוא קטן מספיק בכדי לצאת בפועל לחלל," אמר ארמר. "היישום העיקרי בו נאס"א בוחן הוא חיפוש אחר מולקולות ביולוגיות, כדי למצוא עדויות לחיי העבר במאדים. הם גם רוצים להיות מסוגלים לעשות ביולוגיה מולקולרית בתחנת החלל, למרות שליישום המאדים יש עדיפות גבוהה יותר. המכשיר שלי צריך להיכנס תחת כל הדרישות שיש לנאס"א, בכל הקשור לדרישות הכוח, הגודל והמשקל. "
ארמר רואה גם פוטנציאל לשימוש במכשיר שלו גם באופן מסחרי. "מה שיש לי הוא מכשיר נייד למדידת מולקולות ביולוגיות," אמר. "אם היית בשדה תעופה ומצאת אבקה לבנה אתה רוצה לדעת אם זה אנתרקס או אבק גיר די מהר. אז אתה רוצה שמכשיר נייד קטן, זול למדי, יוכל לעשות את זה. " בהצעתו לנאס"א הצהיר ארמר, "היישום העיקרי (המסחרי) עבור TOF-MS זעירים הוא בדיקת מחלות זיהומיות וחומרים ביולוגיים. אנו גם מאמינים כי הביצועים המעולים של העיצוב שלנו יאפשרו חדירה לשוק ה- TOF-MS הכללי. "
ארמר קיבל את פרס SBIR בסך 70,000 דולר באמצע ינואר, וכבר בנה ובחן הוכחה גדולה יותר לעיצוב קונספט, המאמת את הטכנולוגיה שעיצב עבור ה- TOF-MS שלו. "עד כה הבדיקות עברו טוב מאוד", אמר ארמר. גיליתי מולקולות של עד 13,000 דלטון (דלטון הוא שם חלופי ליחידת המסה האטומית, או אמו.) המכשיר פועל כמתוכנן להמונים של עד 13,000 דלטון והוא בעל רזולוציית המסה טובה במידת מההתקן בגודל מלא ב 13,000 דלטון. אנו עובדים כרגע על איתור המונים עד 100,000 דלטון והתוצאות הראשוניות מבטיחות. "
"הקמת המכשיר והפעלתו היא ככל הנראה המכשול הגדול ביותר," אמר ארמר על האתגרים בפרויקט זה. "הרבה מהדברים הקשים נעשים, אבל האלקטרוניקה ממש קשה. עבור מכשיר זה עליכם לייצר פעימות מתח גבוה של כ 16,000 וולט. זה כנראה הדבר הקשה ביותר שעשינו לעשות עד כה. "
גלאי מכפיל האלקטרונים תוכנן במיוחד לזמן מינימלי של ספקטרומטריית טיסה על ידי חברה חיצונית. ארמר וחברה משלו עיצבו את מרבית חלקי המכשיר האחרים, כולל את בית האקום ומיצוי הלייזר. מכיוון שהוא כה קטן, יצירת חלקים אלה דורשת עיבוד סובלנות גבוה מאוד, אשר נעשה גם על ידי חברה חיצונית.
תוכנית NASA SBIR "מספקת הזדמנויות מוגברות לעסקים קטנים להשתתף במחקר ופיתוח, להגדיל את התעסוקה ולשפר את התחרותיות בארה"ב", על פי נאס"א. כמה מטרות התוכנית הן לעורר חדשנות טכנולוגית ולהשתמש בעסקים קטנים כדי לענות על צרכי מחקר ופיתוח פדרליים. התוכנית כוללת שלושה שלבים, כאשר שלב I מקבל 70,000 דולר עבור שישה חודשי מחקר כדי לבסס היתכנות וזכאות טכנית. פרויקטים שמגיעים לשלב II מקבלים 600,000 דולר לשנתיים נוספות של פיתוח, ושלב III מספק מסחור של המוצר.
ארמר הוא פרופסור באוניברסיטת מדינת מיסיסיפי. הוא עשה מחקר בתחומים הקשורים לספקטרומטריה המונית מאז 1994, ובמשך עבודת הדוקטורט שלו באוניברסיטת וושינגטון, הוא בדק את התפלגות האנרגיה של יונים המיוצרים בחומרים שונים על ידי לייזר. עבור המחקר הפוסט-דוקטורט שלו בוונדרבילט, הוא למד את טכניקת MALDI באמצעות לייזר אלקטרונים בחינם אינפרא אדום. מידע נוסף על Opti-MS ניתן למצוא באתר www.opti-ms.com.
ננסי אטקינסון היא סופרת פרילנסרית ושגרירה של מערכת השמש של נאס"א. היא גרה באילינוי.
