Crédito de imagen: ESA
El Dr. David Ermer, con su compañía, Opti-MS Corporation, actualmente está construyendo un Espectrómetro de Masa en Tiempo de Vuelo en miniatura que puede detectar firmas biológicas a una resolución y sensibilidad muy altas, pero que es lo suficientemente pequeño como para ser utilizado para aplicaciones robóticas y humanas. en exploración espacial.
Ermer está utilizando un sistema innovador que desarrolló en la Universidad Estatal de Mississippi, y recibió un premio de la NASA Small Business Innovation Research (SBIR) para continuar su investigación para construir y probar su dispositivo.
Se utiliza un espectrómetro de masas para medir el peso molecular para determinar la estructura y la composición elemental de una molécula. Un espectrómetro de masas de alta resolución puede determinar masas con mucha precisión y puede usarse para detectar elementos tales como fragmentos de ADN / ARN, proteínas y péptidos enteros, fragmentos de proteínas digeridas y otras moléculas biológicas.
Un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (TOF-MS) funciona midiendo el tiempo que les toma a los iones viajar a través del área de vacío del dispositivo conocido como tubo de vuelo. La espectrometría de masas de tiempo de vuelo se basa en el hecho de que para una energía cinética fija, la masa y la velocidad de los iones están interrelacionadas. "Los campos eléctricos se utilizan para dar a los iones una energía cinética conocida", explicó Ermer. "Si conoce la energía cinética y sabe la distancia que recorren los iones, y sabe cuánto tiempo tarda en viajar, entonces puede determinar la masa de los iones".
El dispositivo de Ermer utiliza la ionización por desorción láser asistida por matriz, o MALDI, donde un rayo láser se dirige a la muestra a analizar, y el láser ioniza las moléculas que luego vuelan al tubo de vuelo. El tiempo de vuelo a través del tubo se correlaciona directamente con la masa, con moléculas más ligeras que tienen un tiempo de vuelo más corto que las más pesadas.
El analizador y el detector del espectrómetro de masas se mantienen en el vacío para permitir que los iones viajen de un extremo del instrumento al otro sin ninguna resistencia al chocar con las moléculas de aire, lo que alteraría la energía cinética de la molécula.
Una placa de muestra típica para un TOF-MS puede contener entre 100 y 200 muestras, y el dispositivo puede medir la distribución de masa completa con un solo disparo. Por lo tanto, se crean enormes cantidades de datos en un intervalo de tiempo muy corto, y el tiempo de vuelo para la mayoría de los iones ocurre en microsegundos.
El TOF-MS de Ermer combina una configuración mecánica relativamente simple con una adquisición de datos electrónicos extremadamente rápida, junto con la capacidad de medir masas muy grandes, lo cual es esencial para hacer análisis biológicos.
Pero el aspecto más exclusivo del dispositivo de Ermer es su tamaño. Los espectrómetros de masas comerciales que están disponibles actualmente tienen al menos un metro y medio de largo. Es un volumen bastante grande para incluir en un vehículo científico in situ, como el Mars Exploration Rovers, del tamaño de un automóvil de golf, o incluso el Mars Science Laboratory Rover más grande programado para lanzarse en 2009. Ermer ha ideado una forma de miniaturizar un TOF-MS para un sorprendente 4? pulgadas de largo. Estima que su dispositivo tendrá un volumen de menos de 0,75 litros, una masa de menos de 2 kilogramos y requerirá menos de 5 vatios de potencia.
Ermer utilizó una técnica de optimización no lineal para crear un modelo informático de un espectrómetro de masas. Había 13 parámetros que ingresó que debían seleccionarse, incluida la separación de los diferentes elementos en el TOF-MS y los voltajes de aceleración de iones. Usando esta técnica, Ermer pudo encontrar algunas soluciones únicas para un TOF-MS muy corto.
"Estoy tratando de construir un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo que sea lo suficientemente pequeño como para ir al espacio", dijo Ermer. “La principal aplicación que está observando la NASA es buscar moléculas biológicas, para encontrar evidencia de vidas pasadas en Marte. También quieren poder hacer biología molecular en la estación espacial, aunque la aplicación de Marte tiene una prioridad más alta. Mi dispositivo debe cumplir con todos los requisitos que tiene la NASA, en cuanto a los requisitos de potencia, tamaño y peso ".
Ermer también ve potencial para que su dispositivo se use comercialmente. "Lo que tengo es un dispositivo portátil para medir moléculas biológicas", dijo. "Si estuvieras en un aeropuerto y encontraras un polvo blanco, querrás saber si es ántrax o polvo de tiza con bastante rapidez. Por lo tanto, desea un dispositivo pequeño, bastante barato y portátil para poder hacer eso ". En su propuesta a la NASA, Ermer declaró: “La principal aplicación (comercial) para TOF-MS en miniatura es la detección de enfermedades infecciosas y agentes biológicos. También creemos que el rendimiento superior de nuestro diseño permitirá la penetración en el mercado general de TOF-MS ".
Ermer recibió el premio SBIR de $ 70,000 a mediados de enero, y ya ha construido y probado un diseño de prueba de concepto más grande, que valida la tecnología que diseñó para su TOF-MS. "Hasta ahora, las pruebas han ido extremadamente bien", dijo Ermer. He detectado moléculas de hasta 13,000 Daltons (Dalton es un nombre alternativo para unidad de masa atómica, o amu). El dispositivo funciona según lo diseñado para masas de hasta 13,000 Daltons y tiene una resolución de masa algo mejor que un dispositivo de tamaño completo a 13,000 Daltons. Actualmente estamos trabajando en la detección de masa a 100,000 Daltons y los resultados iniciales son prometedores ”.
"Poner el dispositivo en funcionamiento es probablemente el mayor obstáculo", dijo Ermer sobre los desafíos de este proyecto. “Se hacen muchas cosas difíciles, pero la electrónica es realmente difícil. Para este dispositivo, debe generar pulsos de alto voltaje de aproximadamente 16,000 voltios. Probablemente fue lo más difícil que hemos tenido que hacer hasta ahora ".
El detector multiplicador de electrones está especialmente diseñado para una espectrometría de tiempo de vuelo en miniatura por una compañía externa. Ermer y su propia compañía diseñaron la mayoría de las otras partes del dispositivo, incluida la carcasa de vacío y el extractor láser. Como es tan pequeño, la creación de estas piezas requiere un mecanizado de muy alta tolerancia, que también fue realizado por una empresa externa.
El programa SBIR de la NASA "brinda mayores oportunidades para que las pequeñas empresas participen en investigación y desarrollo, aumenten el empleo y mejoren la competitividad de los Estados Unidos", según la NASA. Algunos objetivos del programa son estimular la innovación tecnológica y utilizar pequeñas empresas para satisfacer las necesidades federales de investigación y desarrollo. El programa tiene tres fases, con la Fase I recibiendo $ 70,000 por seis meses de investigación para establecer la viabilidad y el mérito técnico. Los proyectos que llegan a la Fase II reciben $ 600,000 por dos años más de desarrollo, y la Fase III proporciona la comercialización del producto.
Ermer es profesor en la Universidad Estatal de Mississippi. Ha estado investigando en campos relacionados con la espectrometría de masas desde 1994, y para su tesis doctoral en la Universidad Estatal de Washington, examinó las distribuciones de energía de los iones que se generan en diferentes materiales por un láser. Para su investigación postdoctoral en Vanderbilt, estudió la técnica MALDI utilizando un láser de electrones libres de infrarrojos. Puede encontrar más información sobre Opti-MS en www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson es escritora independiente y embajadora del sistema solar de la NASA. Ella vive en Illinois.
