이미지 크레디트 : ESA
그의 회사 인 Opti-MS Corporation과 함께 David Ermer 박사는 현재 매우 높은 해상도와 감도로 생물학적 특성을 감지 할 수 있지만 로봇 및 인간 응용 분야에 사용하기에는 충분히 작은 초소형 Time of Flight 질량 분석기를 구성하고 있습니다. 우주 탐사에서.
Ermer는 미시시피 주립 대학에서 개발 한 혁신적인 시스템을 사용하고 있으며, NASA SBIR (Small Business Innovation Research) 상을 수상하여 그의 연구를 계속하여 장치를 구축하고 테스트했습니다.
질량 분석계는 분자의 구조 및 원소 조성을 결정하기 위해 분자량을 측정하는 데 사용됩니다. 고분해능 질량 분석기는 질량을 매우 정확하게 측정 할 수 있으며 DNA / RNA 단편, 전체 단백질 및 펩티드, 소화 단백질 단편 및 기타 생물학적 분자와 같은 것을 탐지하는 데 사용할 수 있습니다.
TOF-MS (Time of Flight Mass Spectrometer)는 이온이 비행 튜브로 알려진 장치의 진공 영역을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하여 작동합니다. 비행 시간 질량 분석법은 고정 운동 에너지의 경우 이온의 질량과 속도가 서로 관련되어 있다는 사실을 기반으로합니다. Ermer는“전기장은 이온에 알려진 운동 에너지를 제공하는 데 사용됩니다. "운동 에너지를 알고 이온이 이동하는 거리를 알고, 이동하는 데 걸리는 시간을 알고 있다면 이온의 질량을 결정할 수 있습니다."
Ermer의 장치는 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI)를 사용합니다. 여기서 MALDI는 레이저 빔을 분석 할 샘플로 향하게하고 레이저는 분자를 이온화하여 비행 튜브로 비행합니다. 튜브를 통한 비행 시간은 질량과 직접적으로 연관되며, 더 가벼운 분자는 무거운 것보다 짧은 비행 시간을 갖는다.
질량 분석기의 분석기와 검출기는 진공 상태로 유지되어 이온이 공기 분자와 충돌하는 저항없이 기기의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하여 분자의 운동 에너지를 변화시킵니다.
TOF-MS의 일반적인 샘플 플레이트는 100-200 개의 샘플을 수용 할 수 있으며 장치는 단일 샷으로 전체 질량 분포를 측정 할 수 있습니다. 따라서, 대부분의 이온에 대한 비행 시간은 마이크로 초 단위로 매우 짧은 시간 간격으로 대량의 데이터가 생성됩니다.
Ermer의 TOF-MS는 생물학적 분석을 수행하는 데 필수적인 매우 큰 질량을 측정 할 수있는 기능과 함께 비교적 간단한 기계 설정과 매우 빠른 전자 데이터 수집을 결합합니다.
그러나 Ermer 장치의 가장 독특한 측면은 크기입니다. 현재 이용 가능한 상용 질량 분석기는 길이가 1.5 미터 이상입니다. 골프 자동차 크기의 화성 탐사 로버 또는 2009 년에 출시 될 예정인 대형 화성 과학 연구소 로버와 같은 현장 과학 차량에 포함하기에는 상당히 많은 양입니다. Ermer는 TOF-MS를 소형화하는 방법을 고안했습니다. 놀라운 4? 인치 길이. 그는 그의 장치의 부피가 0.75 리터 미만, 질량이 2 킬로그램 미만이며 5 와트 미만의 전력을 필요로한다고 추정합니다.
Ermer는 비선형 최적화 기술을 사용하여 질량 분석기의 컴퓨터 모델을 만들었습니다. TOF-MS의 서로 다른 요소의 간격과 이온 가속 전압을 포함하여 13 개의 매개 변수를 선택해야했습니다. 이 기술을 사용하여 Ermer는 매우 짧은 TOF-MS를위한 고유 한 솔루션을 찾을 수있었습니다.
Ermer는“실제로 우주에 들어갈 수있을 정도로 작은 Time of Flight 질량 분석기를 구축하려고합니다. “NASA가보고있는 주요 응용 분야는 화성에서의 과거 생명의 증거를 찾기 위해 생물학적 분자를 찾는 것입니다. 또한 화성 응용 프로그램의 우선 순위가 높지만 우주 정거장에서 분자 생물학을 수행 할 수 있기를 원합니다. 내 장치는 전력, 크기 및 무게 요구 사항에 이르기까지 NASA의 모든 요구 사항을 충족해야합니다.”
Ermer는 또한 그의 장치가 상업적으로 사용될 가능성을보고있다. "내가 가진 것은 생물학적 분자를 측정하는 휴대용 장치"라고 그는 말했다. “공항에 있었고 하얀 가루를 발견했다면 탄저균 또는 초크 가루인지 상당히 빨리 알고 싶을 것입니다. 따라서 작고 상당히 저렴한 휴대용 장치가 가능할 것입니다.” Ermer는 NASA에 대한 제안에서“소형 TOF-MS의 주요 (상업적) 응용은 전염병 및 생물학적 제제의 선별이다. 또한 우수한 설계 성능으로 일반 TOF-MS 시장에 침투 할 수있을 것으로 확신합니다.”
Ermer는 1 월 중순에 70,000 달러의 SBIR 상을 받았으며 이미 TOF-MS 용으로 설계된 기술을 검증하는 더 큰 개념 증명 설계를 구축하고 테스트했습니다. Ermer는“지금까지 테스트는 매우 잘 진행되었습니다. 최대 13,000 Daltons의 분자를 감지했습니다 (Dalton은 원자 질량 단위 또는 amu의 대체 이름입니다).이 장치는 최대 13,000 Dalton의 질량을 위해 설계된대로 작동하며 13,000 Dalton의 풀 사이즈 장치보다 질량 분해능이 약간 우수합니다. 우리는 현재 100,000 Dalton까지의 질량을 감지하는 작업을하고 있으며 초기 결과는 유망합니다.”
Ermer는이 프로젝트의 과제에 대해“장치를 가동시키는 것이 아마도 가장 큰 장애물”이라고 말했다. “어려운 일이 많이 있지만 전자 장치는 정말 어렵습니다. 이 장치의 경우 약 16,000 볼트의 고전압 펄스를 생성해야합니다. 아마도 지금까지 가장 힘들었던 일이었을 것입니다.”
전자 증 배기 검출기는 외부 회사의 소형 비행 시간 분석을 위해 특별히 설계되었습니다. Ermer와 그의 회사는 진공 하우징과 레이저 추출기를 포함하여 장치의 다른 대부분의 부품을 설계했습니다. 크기가 작기 때문에 이러한 부품을 만들려면 외부 회사에서도 수행 한 높은 공차 가공이 필요합니다.
NASA에 따르면 NASA SBIR 프로그램은“소규모 기업이 연구 개발에 참여하고, 고용을 늘리고, 미국 경쟁력을 향상시킬 수있는 기회를 제공합니다. 이 프로그램의 일부 목표는 기술 혁신을 촉진하고 소규모 연구를 통해 연방 연구 및 개발 요구를 충족시키는 것입니다. 이 프로그램에는 3 단계가 있으며, 1 단계는 6 개월 동안 6 개월 동안 타당성 및 기술적 장점을 입증하기 위해 $ 70,000를받습니다. 2 단계 프로젝트는 2 년간의 개발 기간 동안 60 만 달러를 받고 3 단계는 제품의 상용화를 제공합니다.
Ermer는 미시시피 주립 대학의 교수입니다. 1994 년 이래 질량 분석과 관련된 분야에 대한 연구를 해왔으며, 워싱턴 주립 대학 (Washington State University)에서 박사 학위 논문을 위해 레이저로 다른 재료에서 생성되는 이온의 에너지 분포를 살펴 보았습니다. Vanderbilt에서 박사 후 연구를 위해 그는 적외선 프리 전자 레이저를 사용하여 MALDI 기술을 연구했습니다. Opti-MS에 대한 자세한 내용은 www.opti-ms.com을 참조하십시오.
Nancy Atkinson은 프리랜서 작가이자 NASA Solar System Ambassador입니다. 그녀는 일리노이에 산다.
