Kredit gambar: ESA
David Ermer, dengan perusahaannya, Opti-MS Corporation, saat ini sedang membangun miniatur Time of Flight Mass Spectrometer yang dapat mendeteksi tanda tangan biologis pada resolusi dan sensitivitas yang sangat tinggi, tetapi cukup kecil untuk digunakan untuk aplikasi robot dan manusia. dalam eksplorasi ruang angkasa.
Ermer menggunakan sistem inovatif yang ia kembangkan di Mississippi State University, dan ia telah menerima penghargaan NASA Small Business Innovation Research (SBIR) untuk melanjutkan penelitiannya dalam membangun dan menguji perangkatnya.
Spektrometer massa digunakan untuk mengukur berat molekul untuk menentukan struktur dan komposisi unsur suatu molekul. Spektrometer massa resolusi tinggi dapat menentukan massa dengan sangat tepat, dan dapat digunakan untuk mendeteksi hal-hal seperti fragmen DNA / RNA, seluruh protein dan peptida, fragmen protein yang dicerna, dan molekul biologis lainnya.
Time of Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) bekerja dengan mengukur waktu yang dibutuhkan ion untuk melakukan perjalanan melalui area vakum perangkat yang dikenal sebagai tabung penerbangan. Waktu spektrometri massa penerbangan didasarkan pada fakta bahwa untuk energi kinetik yang tetap, massa dan kecepatan ion saling terkait. "Medan listrik digunakan untuk memberi ion energi kinetik yang diketahui," Ermer menjelaskan. "Jika Anda mengetahui energi kinetik dan mengetahui jarak ion berjalan, dan tahu berapa lama untuk melakukan perjalanan, maka Anda dapat menentukan massa ion."
Perangkat Ermer menggunakan Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, atau MALDI, tempat sinar laser diarahkan pada sampel yang akan dianalisis, dan laser mengionisasi molekul yang kemudian terbang ke tabung penerbangan. Waktu penerbangan melalui tabung berkorelasi langsung dengan massa, dengan molekul yang lebih ringan memiliki waktu terbang yang lebih pendek daripada yang lebih berat.
Alat analisis dan detektor spektrometer massa disimpan dalam ruang hampa untuk membiarkan ion bergerak dari satu ujung instrumen ke ujung lainnya tanpa perlawanan dari bertabrakan dengan molekul udara, yang akan mengubah energi kinetik molekul.
Pelat sampel tipikal untuk TOF-MS dapat menampung antara 100-200 sampel, dan perangkat dapat mengukur distribusi massa lengkap dengan satu tembakan tunggal. Oleh karena itu, sejumlah besar data dibuat dalam interval waktu yang sangat singkat, dengan waktu penerbangan untuk sebagian besar ion yang terjadi dalam mikrodetik.
TOF-MS Ermer menggabungkan pengaturan mekanik yang relatif sederhana dengan akuisisi data elektronik yang sangat cepat, bersama dengan kemampuan untuk mengukur massa yang sangat besar, yang sangat penting dalam melakukan analisis biologis.
Tetapi aspek paling unik dari perangkat Ermer adalah ukurannya. Spektrometer massa komersial yang saat ini tersedia setidaknya satu setengah meter. Itu volume yang cukup besar untuk dimasukkan pada kendaraan ilmiah in-situ seperti mobil golf Mars Exploration Rovers seukuran mobil golf atau bahkan Mars Science Laboratory Rover yang lebih besar yang dijadwalkan untuk diluncurkan pada tahun 2009. Ermer telah menemukan cara untuk miniaturisasi TOF-MS untuk 4 yang menakjubkan? inci panjangnya. Dia memperkirakan bahwa perangkatnya akan memiliki volume kurang dari 0,75 liter, massa kurang dari 2 kilogram dan membutuhkan daya kurang dari 5 watt.
Ermer menggunakan teknik optimasi non-linear untuk membuat model komputer dari spektrometer massa. Ada 13 parameter yang dia input yang harus dipilih, termasuk jarak elemen yang berbeda di TOF-MS dan tegangan akselerasi ion. Dengan menggunakan teknik ini, Ermer dapat menemukan beberapa solusi unik untuk TOF-MS yang sangat singkat.
"Saya mencoba membangun Time of Flight Mass Spectrometer yang cukup kecil untuk benar-benar masuk ruang angkasa," kata Ermer. “Aplikasi utama yang NASA lihat adalah mencari molekul biologis, untuk menemukan bukti kehidupan masa lalu di Mars. Mereka juga ingin dapat melakukan biologi molekuler di stasiun ruang angkasa, meskipun aplikasi Mars memiliki prioritas lebih tinggi. Perangkat saya harus memenuhi semua persyaratan yang dimiliki NASA, sejauh persyaratan tenaga, ukuran, dan berat. ”
Ermer juga melihat potensi perangkatnya untuk digunakan secara komersial juga. "Apa yang saya miliki adalah perangkat portabel untuk mengukur molekul biologis," katanya. "Jika Anda berada di bandara dan menemukan bubuk putih Anda akan ingin tahu apakah itu antraks atau debu kapur dengan cukup cepat. Jadi Anda ingin perangkat kecil, cukup murah, portabel untuk dapat melakukan itu. " Dalam proposalnya kepada NASA, Ermer menyatakan, “Aplikasi utama (komersial) untuk miniatur TOF-MS adalah penyaringan penyakit menular dan agen biologis. Kami juga percaya bahwa kinerja superior dari desain kami akan memungkinkan penetrasi ke pasar TOF-MS umum. "
Ermer menerima penghargaan SBIR $ 70.000 pada pertengahan Januari, dan telah membangun dan menguji bukti desain konsep yang lebih besar, yang memvalidasi teknologi yang ia rancang untuk TOF-MS-nya. "Sejauh ini, tes telah berjalan sangat baik," kata Ermer. Saya telah mendeteksi molekul hingga 13.000 Dalton (Dalton adalah nama alternatif untuk satuan massa atom, atau amu.) Perangkat ini beroperasi seperti yang dirancang untuk massa hingga 13.000 Dalton dan memiliki resolusi massa yang agak lebih baik daripada perangkat berukuran penuh di 13.000 Dalton. Kami saat ini sedang berupaya mendeteksi massa hingga 100.000 Dalton dan hasil awal menjanjikan. "
“Mengaktifkan dan menjalankan perangkat mungkin adalah rintangan terbesar,” kata Ermer tentang tantangan proyek ini. “Banyak hal sulit dilakukan, tetapi elektroniknya sangat sulit. Untuk perangkat ini, Anda harus menghasilkan pulsa tegangan tinggi sekitar 16.000 volt. Itu mungkin hal tersulit yang harus kami lakukan sejauh ini. "
Detektor pengganda elektron dirancang khusus untuk waktu miniatur spektrometri penerbangan oleh perusahaan luar. Ermer dan perusahaannya sendiri merancang sebagian besar bagian lain perangkat, termasuk rumah vakum dan ekstraktor laser. Karena sangat kecil, membuat bagian-bagian ini membutuhkan permesinan dengan toleransi sangat tinggi, yang juga dilakukan oleh perusahaan luar.
Program SBIR NASA "memberikan peningkatan peluang bagi usaha kecil untuk berpartisipasi dalam penelitian dan pengembangan, untuk meningkatkan lapangan kerja, dan untuk meningkatkan daya saing A.S.," menurut NASA. Beberapa tujuan dari program ini adalah untuk merangsang inovasi teknologi, dan menggunakan usaha kecil untuk memenuhi kebutuhan penelitian dan pengembangan federal. Program ini memiliki tiga fase, dengan Fase I menerima $ 70.000 selama enam bulan penelitian untuk menetapkan kelayakan dan manfaat teknis. Proyek yang masuk ke Tahap II menerima $ 600.000 untuk dua tahun pengembangan lagi, dan Tahap III menyediakan komersialisasi produk.
Ermer adalah seorang profesor di Universitas Negeri Mississippi. Dia telah melakukan penelitian di bidang yang terkait dengan spektrometri massa sejak 1994, dan untuk tesis PhD-nya di Washington State University, dia melihat distribusi energi ion yang dihasilkan dalam bahan berbeda oleh laser. Untuk penelitian pascadoktoralnya di Vanderbilt, ia mempelajari teknik MALDI menggunakan Infrared Free Electron Laser. Informasi lebih lanjut tentang Opti-MS dapat ditemukan di www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson adalah penulis lepas dan Duta Besar Tata Surya NASA. Dia tinggal di Illinois.
