حقوق الصورة: ESA
يعمل الدكتور ديفيد إيرمر ، مع شركته Opti-MS Corporation ، حاليًا على إنشاء مقياس مصغر لوقت الطيران الطيفي يمكنه الكشف عن التوقيعات البيولوجية بدقة عالية وحساسية عالية ، ولكنه مع ذلك صغير بما يكفي لاستخدامه في التطبيقات الروبوتية والبشرية في استكشاف الفضاء.
يستخدم Ermer نظامًا مبتكرًا طوره في جامعة ولاية ميسيسيبي ، وقد حصل على جائزة NASA Small Business Innovation Research (SBIR) لمواصلة أبحاثه لبناء واختبار جهازه.
يتم استخدام مطياف الكتلة لقياس الوزن الجزيئي لتحديد بنية الجزيء وتكوينه العنصري. يمكن للمطياف الكتلي عالي الدقة أن يحدد الكتل بدقة عالية ، ويمكن استخدامه للكشف عن أشياء مثل أجزاء DNA / RNA والبروتينات الكاملة والببتيدات وشظايا البروتين المهضومة والجزيئات البيولوجية الأخرى.
يعمل زمن مطياف الكتلة الزمنية (TOF-MS) من خلال قياس الوقت الذي تستغرقه الأيونات في السفر عبر منطقة فراغ من الجهاز المعروف باسم أنبوب الطيران. يعتمد زمن مطياف كتلة الطيران على حقيقة أنه بالنسبة للطاقة الحركية الثابتة ، فإن كتلة الأيونات وسرعتها مترابطتان. وأوضح إرمر أن "الحقول الكهربائية تُستخدم لإعطاء الأيونات طاقة حركية معروفة". "إذا كنت تعرف الطاقة الحركية وتعرف المسافة التي تقطعها الأيونات ، وتعرف كم من الوقت يستغرق السفر ، يمكنك تحديد كتلة الأيونات".
يستخدم جهاز Ermer نظام Matrix Assisted Laser Desonption Ionization ، أو MALDI ، حيث يتم توجيه شعاع الليزر إلى العينة المراد تحليلها ، ويؤين الليزر الجزيئات التي تطير بعد ذلك إلى أنبوب الطيران. يرتبط زمن الطيران عبر الأنبوب مباشرة بالكتلة ، حيث تستغرق الجزيئات الأخف وزناً من الطيران أقصر من الجزيئات الأثقل.
يتم الاحتفاظ بالمحلل والكشف عن مطياف الكتلة في فراغ للسماح للأيونات بالانتقال من أحد طرفي الجهاز إلى الطرف الآخر دون أي مقاومة من الاصطدام بجزيئات الهواء ، الأمر الذي سيغير الطاقة الحركية للجزيء.
يمكن أن تستوعب لوحة عينة نموذجية لـ TOF-MS بين 100-200 عينة ، ويمكن للجهاز قياس توزيع الكتلة الكامل بلقطة واحدة. لذلك ، يتم إنشاء كميات هائلة من البيانات في غضون فترة زمنية قصيرة جدًا ، مع وقت الطيران لمعظم الأيونات التي تحدث بالميكروثانية.
تجمع TOF-MS من Ermer بين الإعداد الميكانيكي البسيط نسبيًا مع الحصول على البيانات الإلكترونية بسرعة فائقة ، إلى جانب القدرة على قياس الكتل الضخمة جدًا ، وهو أمر ضروري لإجراء التحليل البيولوجي.
لكن الجانب الأكثر تميزًا لجهاز Ermer هو حجمه. يبلغ طول مطياف الكتلة التجارية المتاح حاليًا مترًا ونصف على الأقل. هذا حجم كبير إلى حد ما لتضمينه في مركبة علمية في الموقع مثل عربة استكشاف المريخ بحجم عربة الجولف أو حتى مختبر علوم المريخ الكبير روفر المقرر إطلاقه في عام 2009. وقد ابتكر Ermer طريقة لتصغير TOF-MS إلى 4 مذهلة؟ بوصات طويلة. ويقدر أن حجم جهازه سيكون أقل من 0.75 لتر ، وكتلة أقل من 2 كيلوجرام وتتطلب طاقة أقل من 5 واط.
استخدم Ermer تقنية تحسين غير خطية لإنشاء نموذج كمبيوتر لمطياف الكتلة. كان هناك 13 معلمة قام بإدخالها والتي يجب اختيارها ، بما في ذلك تباعد العناصر المختلفة في TOF-MS وفولتات تسارع الأيونات. باستخدام هذه التقنية ، تمكن Ermer من إيجاد بعض الحلول الفريدة لبرنامج TOF-MS قصير جدًا.
قال إرمر: "أحاول بناء مطياف زمن الطيران يكون صغيرا بما يكفي للذهاب في الفضاء". "إن التطبيق الرئيسي الذي تبحث عنه وكالة ناسا هو البحث عن الجزيئات البيولوجية ، للعثور على دليل على الحياة الماضية على كوكب المريخ. كما يريدون أن يكونوا قادرين على القيام بعلم الأحياء الجزيئي في محطة الفضاء ، على الرغم من أن تطبيق المريخ له أولوية أعلى. يجب أن يأتي جهازي تحت جميع المتطلبات التي تمتلكها وكالة ناسا ، فيما يتعلق بمتطلبات الطاقة والحجم والوزن ".
يرى Ermer أيضًا إمكانية استخدام جهازه تجاريًا أيضًا. قال "ما لدي هو جهاز محمول لقياس الجزيئات البيولوجية". "إذا كنت في مطار ووجدت مسحوقًا أبيضًا ، فستحتاج إلى معرفة ما إذا كان الجمرة الخبيثة أو غبار الطباشير سريعًا إلى حد ما. لذا فأنت تريد جهازًا محمولًا صغيرًا ورخيصًا إلى حد ما ليكون قادرًا على القيام بذلك. " في اقتراحه لوكالة ناسا ، قال إيرمر ، "إن التطبيق الرئيسي (التجاري) المصغر TOF-MS هو فحص الأمراض المعدية والعوامل البيولوجية. كما نعتقد أن الأداء المتفوق لتصميمنا سيسمح بالاختراق في سوق TOF-MS العام ".
حصل Ermer على جائزة SBIR التي تبلغ قيمتها 70 ألف دولار في منتصف يناير ، وقد قام بالفعل ببناء واختبار إثبات أكبر لتصميم المفهوم ، والذي يثبت التكنولوجيا التي صممها لـ TOF-MS. قال إيرمر "حتى الآن ، سارت الاختبارات بشكل جيد للغاية". لقد اكتشفت جزيئات تصل إلى 13000 دالتون (دالتون هو اسم بديل لوحدة الكتلة الذرية ، أو amu.) يعمل الجهاز على النحو المصمم للكتل التي تصل إلى 13000 دالتون ولديه دقة كتلة أفضل إلى حد ما من جهاز كامل الحجم عند 13000 دالتون. نحن نعمل حاليًا على اكتشاف الكتلة إلى 100000 دالتون والنتائج الأولية واعدة ".
قال Ermer عن تحديات هذا المشروع: "إن تشغيل الجهاز وتشغيله ربما يكون أكبر عقبة". "لقد تم إنجاز الكثير من المهام الصعبة ، لكن الإلكترونيات صعبة حقًا. لهذا الجهاز ، يجب أن تولد نبضات عالية الجهد تبلغ حوالي 16000 فولت. ربما كان هذا أصعب شيء علينا القيام به حتى الآن ".
تم تصميم كاشف مضاعف الإلكترون خصيصًا لوقت مصغر لطيف الطيران من قبل شركة خارجية. صمم Ermer وشركته معظم الأجزاء الأخرى من الجهاز ، بما في ذلك السكن الفراغي ومستخرج الليزر. نظرًا لأنها صغيرة جدًا ، فإن إنشاء هذه الأجزاء يتطلب معالجة عالية التحمل ، والتي تم إجراؤها أيضًا من قبل شركة خارجية.
ووفقًا لوكالة ناسا ، فإن برنامج NASA SBIR "يوفر فرصًا متزايدة للشركات الصغيرة للمشاركة في البحث والتطوير ، وزيادة التوظيف ، وتحسين القدرة التنافسية للولايات المتحدة". بعض أهداف البرنامج هي تحفيز الابتكار التكنولوجي ، واستخدام الشركات الصغيرة لتلبية احتياجات البحث والتطوير الفيدرالية. يتكون البرنامج من ثلاث مراحل ، حيث تتلقى المرحلة الأولى 70000 دولار لمدة ستة أشهر من البحث لتحديد الجدوى والجدارة الفنية. تتلقى المشاريع التي تصل إلى المرحلة الثانية 600000 دولار لمدة عامين آخرين من التطوير ، وتوفر المرحلة الثالثة تسويق المنتج.
إرمر أستاذ بجامعة ولاية ميسيسيبي. لقد كان يجري أبحاثًا في المجالات المتعلقة بقياس الطيف الكتلي منذ عام 1994 ، وبالنسبة لأطروحة الدكتوراه في جامعة ولاية واشنطن ، نظر في توزيعات الطاقة للأيونات التي يتم إنشاؤها في مواد مختلفة بواسطة الليزر. لبحثه بعد الدكتوراه في فاندربيلت ، درس تقنية MALDI باستخدام ليزر إلكترون حر تحت الحمراء. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول Opti-MS على www.opti-ms.com.
نانسي أتكينسون كاتبة مستقلة وسفيرة النظام الشمسي في وكالة ناسا. تعيش في إلينوي.
