เครดิตรูปภาพ: ESA
ดร. เดวิดเออร์เมอร์กับ บริษัท Opti-MS Corporation กำลังสร้าง Time of Flight Mass Spectrometer ขนาดเล็กที่สามารถตรวจจับลายเซ็นทางชีวภาพด้วยความละเอียดและความไวสูงมาก แต่ยังมีขนาดเล็กพอที่จะใช้สำหรับหุ่นยนต์และมนุษย์ ในการสำรวจอวกาศ
เออร์เมอร์ใช้ระบบนวัตกรรมที่เขาพัฒนาขึ้นที่มหาวิทยาลัยรัฐมิสซิสซิปปีและเขาได้รับรางวัล NASA Small Business Innovation Research (SBIR) เพื่อดำเนินการวิจัยเพื่อสร้างและทดสอบอุปกรณ์ของเขาต่อไป
มวลสารจะใช้ในการวัดน้ำหนักโมเลกุลเพื่อกำหนดโครงสร้างและองค์ประกอบองค์ประกอบของโมเลกุล เครื่องสเปคโตรมิเตอร์ความละเอียดสูงสามารถกำหนดมวลได้อย่างแม่นยำมากและสามารถใช้ในการตรวจจับสิ่งต่าง ๆ เช่นชิ้นส่วน DNA / RNA, โปรตีนและเปปไทด์ทั้งหมด, ชิ้นส่วนโปรตีนย่อยและโมเลกุลทางชีวภาพอื่น ๆ
A Time of Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) ทำงานโดยการวัดเวลาที่ไอออนจะเดินทางผ่านบริเวณสูญญากาศของอุปกรณ์ที่เรียกว่าหลอดการบิน เวลาของมวลสารการบินขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าสำหรับพลังงานจลน์คงที่มวลและความเร็วของไอออนนั้นมีความสัมพันธ์กัน “ สนามไฟฟ้าถูกใช้เพื่อให้พลังงานจลน์ของไอออนเป็นที่รู้จัก” เออร์เมอร์อธิบาย “ ถ้าคุณรู้จักพลังงานจลน์และรู้ระยะทางที่ไอออนเคลื่อนที่และรู้ว่าต้องใช้เวลาเดินทางนานเท่าไหร่คุณก็สามารถกำหนดมวลของไอออนได้”
อุปกรณ์ของเออร์เมอร์ใช้ Matrix Assisted Laser Desorption Ionization หรือ MALDI ที่ลำแสงเลเซอร์พุ่งตรงไปที่ตัวอย่างเพื่อทำการวิเคราะห์และเลเซอร์จะทำให้โมเลกุลแตกตัวเป็นไอออนซึ่งบินไปในหลอดการบิน เวลาของการบินผ่านท่อสัมพันธ์โดยตรงกับมวลโมเลกุลที่มีน้ำหนักเบามีระยะเวลาบินสั้นกว่าวัตถุที่หนักกว่า
เครื่องวิเคราะห์และเครื่องตรวจจับมวลสารจะถูกเก็บไว้ในสุญญากาศเพื่อให้ไอออนเคลื่อนที่จากปลายด้านหนึ่งของเครื่องมือไปยังอีกด้านหนึ่งโดยไม่มีการต่อต้านจากการชนกับโมเลกุลของอากาศซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานจลน์ของโมเลกุล
แผ่นตัวอย่างทั่วไปสำหรับ TOF-MS สามารถเก็บตัวอย่างได้ระหว่าง 100-200 ตัวอย่างและอุปกรณ์สามารถวัดการกระจายมวลที่สมบูรณ์ด้วยการยิงเพียงครั้งเดียว ดังนั้นข้อมูลจำนวนมากถูกสร้างขึ้นภายในช่วงเวลาสั้น ๆ โดยมีเวลาในการบินสำหรับไอออนส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นเป็นไมโครวินาที
TOF-MS ของ Ermer ได้รวมการตั้งค่ากลไกที่ค่อนข้างง่ายเข้ากับการเก็บข้อมูลทางอิเล็กทรอนิกส์ที่รวดเร็วมากพร้อมกับความสามารถในการวัดมวลที่มีขนาดใหญ่มากซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทำการวิเคราะห์ทางชีวภาพ
แต่สิ่งที่เป็นเอกลักษณ์ที่สุดของอุปกรณ์ของ Ermer คือขนาดของมัน สเปคโตรมิเตอร์มวลเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ในปัจจุบันมีอย่างน้อยหนึ่งและครึ่งเมตร นั่นเป็นปริมาณที่ค่อนข้างมากที่จะรวมไว้ในยานยนต์ทางวิทยาศาสตร์ในแหล่งกำเนิดเช่น Mars Exploration Rovers ขนาดรถกอล์ฟหรือแม้แต่ Mars Science Laboratory Rover ขนาดใหญ่ที่มีกำหนดจะเปิดตัวในปี 2009 Ermer ได้คิดค้นวิธีในการย่อขนาด TOF-MS ที่น่าตื่นตาตื่นใจ 4? นิ้วยาว เขาคาดการณ์ว่าอุปกรณ์ของเขาจะมีปริมาณน้อยกว่า 0.75 ลิตรมวลน้อยกว่า 2 กิโลกรัมและต้องการพลังงานน้อยกว่า 5 วัตต์
Ermer ใช้เทคนิคการปรับให้เหมาะสมแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ เขามีอินพุต 13 พารามิเตอร์ที่ต้องเลือกรวมถึงระยะห่างขององค์ประกอบต่าง ๆ ใน TOF-MS และแรงดันไอออนการเร่งความเร็ว การใช้เทคนิคนี้ Ermer สามารถหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับ TOF-MS สั้น ๆ
“ ฉันกำลังพยายามสร้าง Time of Flight Mass Spectrometer ที่เล็กพอที่จะเข้าไปในอวกาศได้จริง” Ermer กล่าว “ แอปพลิเคชันหลักที่องค์การนาซ่ากำลังมองหาคือการค้นหาโมเลกุลทางชีวภาพเพื่อค้นหาหลักฐานของสิ่งมีชีวิตในอดีตบนดาวอังคาร พวกเขาต้องการที่จะสามารถทำอณูชีววิทยาในสถานีอวกาศแม้ว่าแอปพลิเคชัน Mars จะมีลำดับความสำคัญสูงกว่า อุปกรณ์ของฉันควรอยู่ภายใต้ข้อกำหนดทั้งหมดที่องค์การนาซ่ามีเท่าที่ต้องการด้านพลังงานขนาดและน้ำหนัก”
เออร์เมอร์ยังเล็งเห็นโอกาสที่อุปกรณ์ของเขาจะใช้ในเชิงพาณิชย์เช่นกัน “ สิ่งที่ฉันมีคืออุปกรณ์พกพาในการวัดโมเลกุลชีวภาพ” เขากล่าว “ ถ้าคุณอยู่ที่สนามบินและพบผงสีขาวคุณจะอยากรู้ว่ามันเป็นโรคแอนแทรกซ์หรือฝุ่นชอล์กอย่างรวดเร็ว ดังนั้นคุณจึงต้องการให้อุปกรณ์พกพาขนาดเล็กราคาถูกและเป็นธรรมสามารถทำได้” ในข้อเสนอของเขาต่อนาซ่า Ermer กล่าวว่า“ แอปพลิเคชั่นหลัก (เชิงพาณิชย์) สำหรับจิ๋ว TOF-MS คือการคัดกรองโรคติดเชื้อและสารชีวภาพ เรายังเชื่อว่าประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของการออกแบบของเราจะช่วยให้สามารถเจาะตลาด TOF-MS ทั่วไปได้”
เออร์เมอร์ได้รับรางวัล $ 70,000 SBIR ในช่วงกลางเดือนมกราคมและได้สร้างและทดสอบหลักฐานการออกแบบแนวความคิดขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งตรวจสอบความถูกต้องของเทคโนโลยีที่เขาออกแบบสำหรับ TOF-MS ของเขา “ จนถึงตอนนี้การทดสอบทำได้ดีมาก” Ermer กล่าว ฉันตรวจพบโมเลกุลได้มากถึง 13,000 ดาลตัน (ดัลตันเป็นชื่อทางเลือกสำหรับหน่วยมวลอะตอมหรืออามู) อุปกรณ์นี้ทำงานตามที่ออกแบบมาสำหรับมวลมากถึง 13,000 ดาลตันและมีความละเอียดของมวลค่อนข้างดีกว่าอุปกรณ์ขนาดเต็มที่ 13,000 ดาลตัน ขณะนี้เรากำลังตรวจจับมวลถึง 100,000 ดัลตันและผลลัพธ์เบื้องต้นนั้นน่าจะเป็นจริง”
“ การทำให้อุปกรณ์ทำงานและใช้งานอาจเป็นอุปสรรค์ที่ใหญ่ที่สุด” Ermer กล่าวถึงความท้าทายของโครงการนี้ “ มีเรื่องยาก ๆ มากมายที่ต้องทำ แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นยากมาก สำหรับอุปกรณ์นี้คุณต้องสร้างพัลส์ไฟฟ้าแรงสูงประมาณ 16,000 โวลต์ นั่นอาจเป็นสิ่งที่ยากที่สุดที่เราเคยทำมา”
เครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนแบบทวีคูณได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับเวลาขนาดเล็กของสเปกโตรมิเตอร์บินโดย บริษัท ภายนอก Ermer และ บริษัท ของเขาเองได้ออกแบบส่วนอื่น ๆ ของอุปกรณ์ส่วนใหญ่รวมถึงตัวเครื่องสุญญากาศและตัวแยกแสงเลเซอร์ เนื่องจากมีขนาดเล็กการสร้างชิ้นส่วนเหล่านี้จึงต้องมีการตัดเฉือนที่มีความทนทานสูงซึ่ง บริษัท ภายนอกทำเช่นกัน
โปรแกรม NASA SBIR“ ให้โอกาสที่เพิ่มขึ้นสำหรับธุรกิจขนาดเล็กในการมีส่วนร่วมในการวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มการจ้างงานและเพื่อเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของสหรัฐฯ” ตามที่ NASA ระบุ วัตถุประสงค์บางประการของโครงการนี้คือเพื่อกระตุ้นให้เกิดนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและใช้ธุรกิจขนาดเล็กเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการวิจัยและพัฒนาของรัฐบาลกลาง โปรแกรมมีสามขั้นตอนโดยขั้นตอนที่ฉันได้รับ $ 70,000 เป็นเวลาหกเดือนของการวิจัยเพื่อสร้างความเป็นไปได้และข้อดีทางเทคนิค โครงการที่ทำให้เป็นระยะที่สองจะได้รับ $ 600,000 สำหรับการพัฒนาอีกสองปีและในระยะที่ III ให้การผลิตเชิงพาณิชย์ของผลิตภัณฑ์
Ermer เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยรัฐมิสซิสซิปปี เขาทำงานวิจัยในสาขาที่เกี่ยวข้องกับแมสสเปกโตรมิเตอร์ตั้งแต่ปี 1994 และสำหรับวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐวอชิงตันเขาได้ศึกษาการกระจายพลังงานของไอออนที่สร้างด้วยวัสดุต่าง ๆ ด้วยเลเซอร์ สำหรับการวิจัยหลังปริญญาเอกของเขาที่ Vanderbilt เขาศึกษาเทคนิค MALDI โดยใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระอินฟราเรด ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Opti-MS สามารถดูได้ที่ www.opti-ms.com
Nancy Atkinson เป็นนักเขียนอิสระและเอกอัครราชทูตนาซ่าระบบสุริยะ เธออาศัยอยู่ในรัฐอิลลินอยส์
