Crédito de imagem: ESA
O Dr. David Ermer, com sua empresa, Opti-MS Corporation, está atualmente construindo um espectrômetro de massa em tempo de voo em miniatura que pode detectar assinaturas biológicas em uma resolução e sensibilidade muito altas, mas ainda assim pequeno o suficiente para ser usado em aplicações robóticas e humanas na exploração espacial.
Ermer está usando um sistema inovador que ele desenvolveu na Universidade Estadual do Mississippi e recebeu o prêmio SBIR (NASA Small Business Innovation Research) para continuar sua pesquisa para construir e testar seu dispositivo.
Um espectrômetro de massa é usado para medir o peso molecular para determinar a estrutura e a composição elementar de uma molécula. Um espectrômetro de massa de alta resolução pode determinar massas com muita precisão e pode ser usado para detectar coisas como fragmentos de DNA / RNA, proteínas e peptídeos inteiros, fragmentos de proteína digeridos e outras moléculas biológicas.
Um espectrômetro de massa para tempo de voo (TOF-MS) funciona medindo o tempo necessário para que os íons viajem através de uma área de vácuo do dispositivo conhecido como tubo de vôo. A espectrometria de massa no tempo de voo é baseada no fato de que, para uma energia cinética fixa, a massa e a velocidade dos íons estão inter-relacionadas. "Os campos elétricos são usados para fornecer aos íons uma energia cinética conhecida", explicou Ermer. "Se você conhece a energia cinética e sabe a distância que os íons viajam e sabe quanto tempo leva para viajar, então você pode determinar a massa dos íons."
O dispositivo de Ermer usa a ionização por dessorção a laser assistida por matriz, ou MALDI, onde um feixe de laser é direcionado para a amostra a ser analisada, e o laser ioniza as moléculas que voam para o tubo de vôo. O tempo de vôo através do tubo se correlaciona diretamente com a massa, com moléculas mais leves tendo um tempo de vôo mais curto que as mais pesadas.
O analisador e o detector do espectrômetro de massa são mantidos no vácuo para permitir que os íons viajem de uma extremidade do instrumento para a outra sem qualquer resistência de colidir com moléculas de ar, o que alteraria a energia cinética da molécula.
Uma placa de amostra típica para um TOF-MS pode conter entre 100 e 200 amostras, e o dispositivo pode medir a distribuição de massa completa com um único disparo. Portanto, grandes quantidades de dados são criadas dentro de um intervalo de tempo muito curto, com o tempo de voo da maioria dos íons ocorrendo em microssegundos.
O TOF-MS de Ermer combina uma configuração mecânica relativamente simples com a aquisição eletrônica de dados extremamente rápida, além da capacidade de medir massas muito grandes, o que é essencial na análise biológica.
Mas o aspecto mais exclusivo do dispositivo de Ermer é o seu tamanho. Os espectrômetros de massa comerciais atualmente disponíveis têm pelo menos um metro e meio de comprimento. Esse é um volume bastante grande para incluir em um veículo científico in situ, como o Mars Exploration Rovers, do tamanho de um carro de golfe, ou mesmo o Mars Science Laboratory Rover, com lançamento previsto para 2009. Ermer criou uma maneira de miniaturizar um TOF-MS para um incrível 4? polegadas de comprimento. Ele estima que seu dispositivo terá um volume inferior a 0,75 litros, uma massa inferior a 2 kg e requer menos de 5 watts de potência.
Ermer usou uma técnica de otimização não linear para criar um modelo de computador de um espectrômetro de massa. Havia 13 parâmetros que ele deveria inserir, incluindo o espaçamento dos diferentes elementos no TOF-MS e as tensões de aceleração de íons. Usando essa técnica, Ermer conseguiu encontrar algumas soluções exclusivas para um TOF-MS muito curto.
"Estou tentando construir um espectrômetro de massa de tempo de voo que seja pequeno o suficiente para realmente ir para o espaço", disse Ermer. “A principal aplicação que a NASA está analisando é a busca de moléculas biológicas, para encontrar evidências de vidas passadas em Marte. Eles também querem ser capazes de fazer biologia molecular na estação espacial, embora o aplicativo de Marte tenha uma prioridade mais alta. Meu dispositivo deve cumprir todos os requisitos que a NASA possui, tanto quanto os requisitos de potência, tamanho e peso. ”
Ermer também vê potencial para seu dispositivo ser usado comercialmente também. "O que tenho é um dispositivo portátil para medir moléculas biológicas", disse ele. "Se você estava em um aeroporto e encontrou um pó branco, vai querer saber se é pó de antraz ou giz rapidamente. Então, você quer que um dispositivo portátil pequeno e bastante barato possa fazer isso. ” Em sua proposta para a NASA, Ermer declarou: “O principal aplicativo (comercial) para TOF-MS em miniatura é a triagem de doenças infecciosas e agentes biológicos. Também acreditamos que o desempenho superior de nosso projeto permitirá a penetração no mercado geral de TOF-MS. ”
Ermer recebeu o prêmio SBIR de US $ 70.000 em meados de janeiro e já construiu e testou uma prova maior de design de conceito, que valida a tecnologia que ele projetou para seu TOF-MS. "Até agora, os testes foram extremamente bem", disse Ermer. Eu detectei moléculas de até 13.000 daltons (dalton é um nome alternativo para unidade de massa atômica, ou amu.) Atualmente, estamos trabalhando na detecção de massa para 100.000 Daltons e os resultados iniciais são promissores. ”
"Colocar o dispositivo em funcionamento é provavelmente o maior obstáculo", disse Ermer sobre os desafios deste projeto. “Muitas das coisas difíceis são feitas, mas a eletrônica é realmente difícil. Para este dispositivo, você precisa gerar pulsos de alta tensão de cerca de 16.000 volts. Essa foi provavelmente a coisa mais difícil que tivemos que fazer até agora. "
O detector multiplicador de elétrons é projetado especialmente para espectrometria de tempo de voo em miniatura por uma empresa externa. Ermer e sua própria empresa projetaram a maioria das outras partes do dispositivo, incluindo a carcaça a vácuo e o extrator a laser. Por ser tão pequena, a criação dessas peças requer usinagem com tolerância muito alta, o que também foi feito por uma empresa externa.
O programa SBIR da NASA "oferece maiores oportunidades para as pequenas empresas participarem de pesquisa e desenvolvimento, aumentar o emprego e melhorar a competitividade dos EUA", de acordo com a NASA. Alguns objetivos do programa são estimular a inovação tecnológica e usar pequenas empresas para atender às necessidades federais de pesquisa e desenvolvimento. O programa tem três fases, com a Fase I recebendo US $ 70.000 por seis meses de pesquisa para estabelecer viabilidade e mérito técnico. Os projetos que chegam à Fase II recebem US $ 600.000 por mais dois anos de desenvolvimento, e a Fase III fornece a comercialização do produto.
Ermer é professor da Universidade Estadual do Mississippi. Ele faz pesquisas em áreas relacionadas à espectrometria de massa desde 1994 e, para sua tese de doutorado na Washington State University, ele analisou as distribuições de energia de íons que são gerados em diferentes materiais por um laser. Para sua pesquisa de pós-doutorado na Vanderbilt, ele estudou a técnica MALDI usando um laser de elétron livre por infravermelho. Mais informações sobre o Opti-MS podem ser encontradas em www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson é escritora freelancer e Embaixadora do Sistema Solar da NASA. Ela mora em Illinois.
