Credito d'immagine: ESA
Il dottor David Ermer, con la sua società, Opti-MS Corporation, sta attualmente costruendo uno spettrometro di massa Time of Flight in miniatura in grado di rilevare firme biologiche con una risoluzione e una sensibilità molto elevate, ma allo stesso tempo essere abbastanza piccolo da poter essere utilizzato per applicazioni robotiche e umane nell'esplorazione spaziale.
Ermer sta usando un sistema innovativo che ha sviluppato presso la Mississippi State University e ha ricevuto un premio NASIR Small Business Innovation Research (SBIR) per continuare le sue ricerche per costruire e testare il suo dispositivo.
Uno spettrometro di massa viene utilizzato per misurare il peso molecolare per determinare la struttura e la composizione elementare di una molecola. Uno spettrometro di massa ad alta risoluzione può determinare le masse in modo molto preciso e può essere utilizzato per rilevare elementi quali frammenti di DNA / RNA, proteine e peptidi interi, frammenti di proteine digerite e altre molecole biologiche.
Uno spettrometro di massa a tempo di volo (TOF-MS) funziona misurando il tempo impiegato dagli ioni per attraversare un'area del vuoto del dispositivo nota come tubo di volo. La spettrometria di massa del tempo di volo si basa sul fatto che per un'energia cinetica fissa, la massa e la velocità degli ioni sono correlate. "I campi elettrici sono usati per dare agli ioni un'energia cinetica nota", ha spiegato Ermer. "Se conosci l'energia cinetica e conosci la distanza percorsa dagli ioni e sai quanto tempo impiega a viaggiare, allora puoi determinare la massa degli ioni."
Il dispositivo di Ermer utilizza la ionizzazione a desorbimento laser assistito a matrice, o MALDI, in cui un raggio laser viene diretto sul campione da analizzare e il laser ionizza le molecole che volano nella provetta di volo. Il tempo di volo attraverso il tubo è direttamente correlato alla massa, con molecole più leggere che hanno un tempo di volo più breve di quelle più pesanti.
L'analizzatore e il rivelatore dello spettrometro di massa vengono tenuti nel vuoto per consentire agli ioni di spostarsi da un'estremità dello strumento all'altra senza alcuna resistenza da collisione con molecole d'aria, che altererebbero l'energia cinetica della molecola.
Una tipica piastra di campionamento per un TOF-MS può contenere tra 100-200 campioni e il dispositivo può misurare la distribuzione di massa completa con un solo colpo. Pertanto, enormi quantità di dati vengono create in un intervallo di tempo molto breve, con il tempo di volo per la maggior parte degli ioni che si verificano in microsecondi.
Il TOF-MS di Ermer combina una configurazione meccanica relativamente semplice con un'acquisizione elettronica dei dati estremamente veloce, insieme alla capacità di misurare masse molto grandi, il che è essenziale per fare analisi biologiche.
Ma l'aspetto più unico del dispositivo di Ermer è la sua dimensione. Gli spettrometri di massa commerciali attualmente disponibili sono lunghi almeno un metro e mezzo. È un volume abbastanza grande da includere su un veicolo scientifico in situ come Mars Exploration Rovers delle dimensioni di un'auto da golf o anche il più grande Mars Science Laboratory di Rover previsto per il lancio nel 2009. Ermer ha escogitato un modo per miniaturizzare un TOF-MS per un fantastico 4? pollici di lunghezza. Stima che il suo dispositivo avrà un volume inferiore a 0,75 litri, una massa inferiore a 2 chilogrammi e richiederà meno di 5 watt di potenza.
Ermer ha utilizzato una tecnica di ottimizzazione non lineare per creare un modello al computer di uno spettrometro di massa. C'erano 13 parametri da inserire che dovevano essere selezionati, tra cui la spaziatura dei diversi elementi nel TOF-MS e le tensioni di accelerazione ionica. Usando questa tecnica Ermer è stato in grado di trovare alcune soluzioni uniche per un TOF-MS molto corto.
"Sto cercando di costruire uno spettrometro di massa Time of Flight che sia abbastanza piccolo da andare davvero nello spazio", ha detto Ermer. “L'applicazione principale che la NASA sta guardando è la ricerca di molecole biologiche, per trovare prove della vita passata su Marte. Vogliono anche essere in grado di fare biologia molecolare sulla stazione spaziale, sebbene l'applicazione Marte abbia una priorità più alta. Il mio dispositivo dovrebbe soddisfare tutti i requisiti richiesti dalla NASA, per quanto riguarda i requisiti di potenza, dimensioni e peso. "
Ermer vede anche il potenziale per il suo dispositivo per essere utilizzato anche commercialmente. "Quello che ho è un dispositivo portatile per misurare molecole biologiche", ha detto. "Se eri in un aeroporto e hai trovato una polvere bianca, vorrai sapere se è polvere di antrace o gesso abbastanza rapidamente. Quindi vuoi un piccolo dispositivo portatile abbastanza economico per poterlo fare. " Nella sua proposta alla NASA, Ermer ha dichiarato: "La principale applicazione (commerciale) per TOF-MS in miniatura è lo screening di malattie infettive e agenti biologici. Riteniamo inoltre che le prestazioni superiori del nostro design consentiranno la penetrazione nel mercato generale TOF-MS. "
Ermer ha ricevuto il premio SBIR da $ 70.000 a metà gennaio e ha già costruito e testato una più ampia dimostrazione del concept design, che convalida la tecnologia che ha progettato per il suo TOF-MS. "Finora, i test sono andati molto bene", ha detto Ermer. Ho rilevato molecole fino a 13.000 Dalton (Dalton è un nome alternativo per unità di massa atomica, o amu.) Il dispositivo funziona come progettato per masse fino a 13.000 Dalton e ha una risoluzione di massa leggermente migliore rispetto a un dispositivo di dimensioni standard a 13.000 Dalton. Attualmente stiamo lavorando per rilevare la massa fino a 100.000 Dalton e i risultati iniziali sono promettenti. "
"Far funzionare il dispositivo è probabilmente il più grande ostacolo", ha affermato Ermer in merito alle sfide di questo progetto. “Molte delle cose difficili sono fatte, ma l'elettronica è davvero difficile. Per questo dispositivo è necessario generare impulsi ad alta tensione di circa 16.000 volt. Questa è stata probabilmente la cosa più difficile che abbiamo dovuto fare finora. "
Il rivelatore del moltiplicatore di elettroni è appositamente progettato per la spettrometria in tempo di volo in miniatura da una società esterna. Ermer e la sua stessa azienda hanno progettato la maggior parte delle altre parti del dispositivo, incluso l'alloggiamento del vuoto e l'estrattore laser. Dato che è così piccolo, la creazione di queste parti richiede una lavorazione a tolleranza molto elevata, che è stata eseguita anche da un'azienda esterna.
Il programma SBIR della NASA "offre maggiori opportunità alle piccole imprese di partecipare alla ricerca e allo sviluppo, aumentare l'occupazione e migliorare la competitività degli Stati Uniti", secondo la NASA. Alcuni obiettivi del programma sono stimolare l'innovazione tecnologica e utilizzare le piccole imprese per soddisfare le esigenze federali di ricerca e sviluppo. Il programma prevede tre fasi, con la Fase I che riceve $ 70.000 per sei mesi di ricerca per stabilire fattibilità e merito tecnico. I progetti che arrivano alla Fase II ricevono $ 600.000 per altri due anni di sviluppo e la Fase III prevede la commercializzazione del prodotto.
Ermer è professore alla Mississippi State University. Dal 1994 svolge ricerche in settori legati alla spettrometria di massa e, per la sua tesi di dottorato alla Washington State University, ha esaminato le distribuzioni di energia degli ioni generate in diversi materiali da un laser. Per le sue ricerche post-dottorato presso Vanderbilt, ha studiato la tecnica MALDI usando un laser a elettroni liberi a infrarossi. Ulteriori informazioni su Opti-MS sono disponibili all'indirizzo www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson è una scrittrice freelance e ambasciatrice del sistema solare della NASA. Vive in Illinois.
