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David Ermer博士は、彼の会社であるOpti-MS Corporationと共同で、非常に高い分解能と感度で生物学的シグネチャを検出できる小型の飛行時間型質量分析計を現在構築していますが、ロボットや人間のアプリケーションに使用するには十分小さい宇宙探査で。
アーマーはミシシッピ州立大学で開発した革新的なシステムを使用しており、デバイスの構築とテストに関する研究を継続するためにNASA Small Business Innovation Research（SBIR）賞を受賞しています。
質量分析計は、分子量を測定して分子の構造と元素組成を決定するために使用されます。高分解能質量分析計は、質量を非常に正確に決定でき、DNA / RNAフラグメント、タンパク質全体およびペプチド全体、消化されたタンパク質フラグメント、その他の生体分子などの検出に使用できます。
飛行時間型質量分析計（TOF-MS）は、飛行管と呼ばれるデバイスの真空領域をイオンが移動するのにかかる時間を測定することによって機能します。飛行時間型質量分析は、固定運動エネルギーの場合、イオンの質量と速度が相互に関連しているという事実に基づいています。 「電場は、イオンに既知の運動エネルギーを与えるために使用されます」とアーマーは説明しました。 「運動エネルギーがわかっていて、イオンが移動する距離がわかっていて、移動にかかる時間を知っている場合は、イオンの質量を決定できます。」
Ermerのデバイスは、マトリックスアシストレーザー脱離イオン化（MALDI）を使用します。この場合、レーザービームが分析対象のサンプルに向けられ、レーザーが分子をイオン化して、フライトチューブに飛来します。チューブを通過する飛行時間は質量に直接相関し、軽い分子は重い分子よりも飛行時間が短い。
質量分析計の分析器と検出器は真空に保たれ、分子の運動エネルギーを変える空気分子との衝突による抵抗なしに、イオンが機器の一方の端からもう一方の端に移動します。
TOF-MSの一般的なサンプルプレートは100〜200のサンプルを保持でき、デバイスは1回のショットで完全な質量分布を測定できます。したがって、非常に短い時間間隔で大量のデータが作成され、ほとんどのイオンの飛行時間はマイクロ秒単位で発生します。
ErmerのTOF-MSは、生物学的分析を行うために不可欠である非常に大きな質量を測定する機能とともに、比較的単純な機械的セットアップと非常に高速な電子データ収集を組み合わせています。
しかし、Ermerのデバイスの最もユニークな側面はそのサイズです。現在入手可能な市販の質量分析計は、少なくとも1.5メートルの長さです。これは、ゴルフカーサイズの火星探査ローバーや2009年に打ち上げが予定されているより大きな火星科学研究所ローバーなどの現場の科学車両に含めるにはかなりの量です。エルマーは、TOF-MSを小型化する方法を考案しました。素晴らしい4？長さインチ。彼は、自分のデバイスの容量は0.75リットル未満、質量は2キログラム未満であり、必要な電力は5ワット未満であると見積もっています。
Ermerは、非線形最適化手法を使用して、質量分析計のコンピュータモデルを作成しました。 TOF-MSのさまざまな要素の間隔やイオン加速電圧など、選択する必要がある13のパラメーターが入力されました。この技術を使用して、Ermerは非常に短いTOF-MSのいくつかのユニークなソリューションを見つけることができました。
「私は実際に宇宙に行くのに十分小さい飛行時間型質量分析計を作ろうとしている」とアーマーは言った。 「NASAが注目している主なアプリケーションは、火星での過去の生命の証拠を見つけるための生体分子の検索です。彼らはまた、宇宙ステーションで分子生物学を実行できるようにしたいと考えていますが、火星アプリケーションの方が優先度が高くなっています。私のデバイスは、電力、サイズ、重量の要件に関する限り、NASAが持っているすべての要件の下に収まるはずです。」
エルマー氏はまた、彼のデバイスが商業的にも使用される可能性を見込んでいます。 「私が持っているのは、生体分子を測定するための携帯機器です」と彼は言った。 「空港にいて白い粉を見つけたら、炭疽菌なのかチョークダストなのかをすぐに知りたいでしょう。そのため、小型でかなり安価なポータブルデバイスがそれを実行できるようにしたいと考えています。」アーマーはNASAへの彼の提案で、「小型のTOF-MSの主な（商用）アプリケーションは、感染症と生物学的因子のスクリーニングです。また、設計の優れた性能により、一般的なTOF-MS市場への浸透が可能になると確信しています。」
アーマーは1月中旬に70,000ドルのSBIR賞を受賞し、TOF-MS用に設計したテクノロジーを検証する、より大きな概念実証設計をすでに構築およびテストしています。 「これまでのところ、テストは非常にうまく行きました」とアーマーは言いました。最大13,000ダルトンの分子を検出しました（ダルトンは原子質量単位（amu）の別名です）。デバイスは最大13,000ダルトンの質量用に設計されたように動作しており、13,000ダルトンのフルサイズのデバイスよりも質量分解能がやや優れています。現在、100,000ダルトンまでの質量の検出に取り組んでおり、最初の結果は有望です。」
「デバイスを稼働させることはおそらく最大のハードルです」とアーマーはこのプロジェクトの課題について語りました。 「多くの困難なことが行われますが、電子機器は本当に難しいです。このデバイスでは、約16,000ボルトの高電圧パルスを生成する必要があります。それはおそらく、これまでに私たちがしなければならなかった最も困難なことでした。」
電子増倍管検出器は、外部企業による小型飛行時間分光分析用に特別に設計されています。エルマーと彼自身の会社は、真空ハウジングやレーザー抽出器など、デバイスの他のほとんどの部品を設計しました。非常に小さいため、これらの部品を作成するには非常に高い公差の機械加工が必要であり、これも外部企業によって行われました。
NASAによると、NASAのSBIRプログラムは、「中小企業が研究開発に参加し、雇用を増やし、米国の競争力を向上させる機会を増やします」。プログラムのいくつかの目的は、技術革新を刺激し、中小企業を使用して連邦の研究開発ニーズを満たすことです。プログラムには3つのフェーズがあり、フェーズIは6か月の研究期間に70,000ドルを受け取り、実現可能性と技術的メリットを確立しました。フェーズIIに進むプロジェクトは、さらに2年間の開発期間で60万ドルを受け取り、フェーズIIIは製品の商品化を提供します。
アーマーはミシシッピ州立大学の教授です。彼は1994年から質量分析に関連する分野の研究を行っており、ワシントン州立大学で博士号を取得するために、レーザーによってさまざまな材料で生成されるイオンのエネルギー分布を調べました。ヴァンダービルトでの博士研究員として、赤外線自由電子レーザーを使用したMALDI技術を研究しました。 Opti-MSの詳細については、www.opti-ms.comをご覧ください。
ナンシーアトキンソンはフリーランスのライターであり、NASAソーラーシステムアンバサダーです。彼女はイリノイ州に住んでいます。
