मिनी-डिटेक्टर हवाई अड्डे पर मंगल या एन्थ्रेक्स पर जीवन का पता लगा सकता है

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डॉ डेविड एमर, अपनी कंपनी, ऑप्टी-एमएस कॉर्पोरेशन के साथ, वर्तमान में फ्लाइट मास स्पेक्ट्रोमीटर का एक लघु समय का निर्माण कर रहा है, जो बहुत उच्च संकल्प और संवेदनशीलता पर जैविक हस्ताक्षर का पता लगा सकता है, लेकिन अभी तक रोबोट और मानव अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने के लिए पर्याप्त छोटा है अंतरिक्ष अन्वेषण में।

Ermer एक नवीन प्रणाली का उपयोग कर रहा है जिसे उन्होंने मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी में विकसित किया है, और अपने डिवाइस का निर्माण और परीक्षण करने के लिए अपने शोध को जारी रखने के लिए उन्हें NASA स्मॉल बिजनेस इनोवेशन रिसर्च (SBIR) पुरस्कार मिला है।

अणु की संरचना और तात्विक संरचना को निर्धारित करने के लिए आणविक भार को मापने के लिए एक मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया जाता है। एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला मास स्पेक्ट्रोमीटर जनता को बहुत सटीक रूप से निर्धारित कर सकता है, और इसका उपयोग डीएनए / आरएनए टुकड़े, संपूर्ण प्रोटीन और पेप्टाइड्स, पचाने वाले प्रोटीन टुकड़े और अन्य जैविक अणुओं जैसी चीजों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।

एक समय उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर (टीओएफ-एमएस) आयनों के लिए उड़ान ट्यूब के रूप में ज्ञात डिवाइस के एक वैक्यूम क्षेत्र के माध्यम से यात्रा करने के लिए लगने वाले समय को मापकर काम करता है। उड़ान द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री का समय इस तथ्य पर आधारित है कि एक निश्चित गतिज ऊर्जा के लिए, द्रव्यमान और आयनों के वेग का परस्पर संबंध होता है। "इलेक्ट्रिक फ़ील्ड्स का उपयोग आयनों को एक ज्ञात गतिज ऊर्जा देने के लिए किया जाता है," एरमर ने समझाया। "यदि आप गतिज ऊर्जा को जानते हैं और आयनों की यात्रा की दूरी जानते हैं, और जानते हैं कि यात्रा में कितना समय लगता है, तो आप आयनों के द्रव्यमान को निर्धारित कर सकते हैं।"

एर्मर्स डिवाइस मैट्रिक्स असिस्टेड लेजर डिसोर्शन Ionization, या MALDI का उपयोग करता है, जहां एक लेजर बीम का विश्लेषण करने के लिए नमूने पर निर्देशित किया जाता है, और लेजर अणुओं को अणु बनाता है जो फिर उड़ान ट्यूब में उड़ते हैं। ट्यूब के माध्यम से उड़ान का समय सीधे द्रव्यमान से जुड़ा होता है, जिसमें हल्के अणु भारी लोगों की तुलना में उड़ान का कम समय होता है।

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के विश्लेषक और डिटेक्टर को वायु अणुओं से टकराने से बिना किसी प्रतिरोध के आयनों को साधन के एक छोर से दूसरे छोर तक यात्रा करने के लिए एक वैक्यूम में रखा जाता है, जो अणु की गतिज ऊर्जा को बदल देगा।

टीओएफ-एमएस के लिए एक विशिष्ट नमूना प्लेट 100-200 नमूनों के बीच हो सकती है, और डिवाइस एक एकल शॉट के साथ पूर्ण द्रव्यमान वितरण को माप सकता है। इसलिए, माइक्रोसेकंड में होने वाले अधिकांश आयनों के लिए उड़ान के समय के साथ बहुत कम समय के अंतराल में बड़ी मात्रा में डेटा बनाया जाता है।

Ermer's TOF-MS बहुत तेजी से इलेक्ट्रॉनिक डेटा अधिग्रहण के साथ एक अपेक्षाकृत सरल यांत्रिक सेटअप को जोड़ती है, साथ ही बहुत बड़े द्रव्यमान को मापने की क्षमता है, जो कि जैविक विश्लेषण करने में आवश्यक है।

लेकिन एरमेर के उपकरण का सबसे अनूठा पहलू इसका आकार है। वर्तमान में उपलब्ध व्यावसायिक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर कम से कम डेढ़ मीटर लंबे हैं। यह एक इन-सीटू वैज्ञानिक वाहन में शामिल करने के लिए एक काफी बड़ी मात्रा है जैसे कि गोल्फ कार के आकार का मार्स एक्सप्लोरेशन रोवर्स या यहां तक ​​कि बड़े मंगल विज्ञान प्रयोगशाला रोवर को 2009 में लॉन्च करने के लिए निर्धारित किया गया है। एरमेर ने एक TOF-MS को छोटा करने का एक तरीका तैयार किया है एक अद्भुत 4? इंचों भर लंबा। उनका अनुमान है कि उनके डिवाइस में 0.75 लीटर से कम मात्रा, 2 किलोग्राम से कम का द्रव्यमान और 5 वाट से कम बिजली की आवश्यकता होगी।

मास स्पेक्ट्रोमीटर के कंप्यूटर मॉडल को बनाने के लिए एर्मर ने एक गैर-रैखिक अनुकूलन तकनीक का उपयोग किया। 13 ऐसे पैरामीटर थे जिनके लिए उन्हें चुना जाना था, जिनमें TOF-MS और आयन त्वरण वोल्टेज में विभिन्न तत्वों का अंतर शामिल है। इस तकनीक का उपयोग करके एर्मर बहुत कम TOF-MS के लिए कुछ अद्वितीय समाधान खोजने में सक्षम था।

"मैं फ्लाइट मास स्पेक्ट्रोमीटर का निर्माण करने की कोशिश कर रहा हूं जो वास्तव में अंतरिक्ष में जाने के लिए काफी छोटा है," एरमर ने कहा। “नासा जिस मुख्य अनुप्रयोग को देख रहा है, वह जैविक अणुओं की खोज कर रहा है, जो मंगल ग्रह पर पिछले जीवन के साक्ष्य का पता लगाता है। वे अंतरिक्ष स्टेशन पर आणविक जीव विज्ञान भी करने में सक्षम होना चाहते हैं, हालांकि मंगल ग्रह के अनुप्रयोग की उच्च प्राथमिकता है। मेरी डिवाइस को उन सभी आवश्यकताओं के तहत आना चाहिए जो नासा के पास हैं, जहां तक ​​शक्ति, आकार और वजन की आवश्यकताएं हैं। "

Ermer अपने डिवाइस को व्यावसायिक रूप से भी उपयोग करने की क्षमता देखता है। "मेरे पास जैविक अणुओं को मापने के लिए एक पोर्टेबल डिवाइस है," उन्होंने कहा। "यदि आप एक हवाई अड्डे पर थे और एक सफेद पाउडर मिला तो आप जानना चाहते हैं कि क्या यह एंथ्रेक्स या चाक धूल काफी जल्दी है। इसलिए आप एक छोटा, काफी सस्ता, पोर्टेबल डिवाइस चाहते हैं जो ऐसा करने में सक्षम हो। " नासा को दिए अपने प्रस्ताव में, एर्मर ने कहा, “लघु TOF-MS के लिए मुख्य (वाणिज्यिक) आवेदन संक्रामक रोग और जैविक एजेंटों की जांच है। हम यह भी मानते हैं कि हमारे डिजाइन का बेहतर प्रदर्शन सामान्य TOF-MS बाजार में प्रवेश की अनुमति देगा। ”

जनवरी के मध्य में Ermer को $ 70,000 का SBIR अवार्ड मिला, और कॉन्सेप्ट डिज़ाइन का एक बड़ा सबूत पहले ही निर्मित और परीक्षण कर चुका है, जो कि उनके TOF-MS के लिए डिज़ाइन की गई तकनीक को मान्य करता है। "अब तक, परीक्षण बहुत अच्छी तरह से चले गए हैं," एरमर ने कहा। मैंने 13,000 Daltons तक के अणुओं का पता लगाया है (Dalton परमाणु द्रव्यमान इकाई, या एमु के लिए एक वैकल्पिक नाम है।) डिवाइस 13,000 Daltons तक के द्रव्यमान के लिए डिज़ाइन किया गया है और 13,000 Daltons के पूर्ण आकार के उपकरण की तुलना में बड़े पैमाने पर रिज़ॉल्यूशन कुछ हद तक बेहतर है। वर्तमान में हम 100,000 Daltons के बाहर द्रव्यमान का पता लगाने पर काम कर रहे हैं और प्रारंभिक परिणाम आशाजनक हैं। "

"डिवाइस को उठना और चलाना शायद सबसे बड़ी बाधा है," इस परियोजना की चुनौतियों के बारे में एरमर ने कहा। “बहुत सारी कठिन चीजें की जाती हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक्स वास्तव में कठिन हैं। इस उपकरण के लिए आपको लगभग 16,000 वोल्ट के उच्च वोल्टेज दालों को उत्पन्न करना होगा। शायद यह अब तक का सबसे कठिन काम था। ”

इलेक्ट्रॉन गुणक डिटेक्टर को विशेष रूप से एक बाहरी कंपनी द्वारा उड़ान स्पेक्ट्रोमेट्री के लघु समय के लिए डिज़ाइन किया गया है। एर्मर और उनकी खुद की कंपनी ने वैक्यूम हाउसिंग और लेजर एक्सट्रैक्टर सहित डिवाइस के अन्य हिस्सों को डिजाइन किया। चूंकि यह बहुत छोटा है, इसलिए इन भागों को बनाने के लिए बहुत उच्च सहिष्णुता मशीनिंग की आवश्यकता होती है, जो कि एक बाहरी कंपनी द्वारा भी किया गया था।

नासा SBIR कार्यक्रम "नासा के अनुसार अनुसंधान और विकास में भाग लेने, रोजगार बढ़ाने और अमेरिकी प्रतिस्पर्धा में सुधार करने के लिए छोटे व्यवसायों के लिए बढ़े हुए अवसर प्रदान करता है।" कार्यक्रम के कुछ उद्देश्य तकनीकी नवाचार को प्रोत्साहित करना, और संघीय अनुसंधान और विकास की जरूरतों को पूरा करने के लिए छोटे व्यवसायों का उपयोग करना है। कार्यक्रम के तीन चरण हैं, जिसमें फेज I को व्यवहार्यता और तकनीकी योग्यता स्थापित करने के लिए छह महीने के अनुसंधान के लिए $ 70,000 प्राप्त होते हैं। द्वितीय चरण में इसे बनाने वाली परियोजनाओं को विकास के दो और वर्षों के लिए $ 600,000 प्राप्त होते हैं, और चरण III उत्पाद का व्यावसायीकरण प्रदान करता है।

एरमेर मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी में प्रोफेसर हैं। वह 1994 से मास स्पेक्ट्रोमेट्री से संबंधित क्षेत्रों में शोध कर रहे हैं, और वाशिंगटन स्टेट यूनिवर्सिटी में पीएचडी थीसिस के लिए, उन्होंने एक लेजर द्वारा विभिन्न सामग्रियों में उत्पन्न होने वाले आयनों के ऊर्जा वितरण को देखा। वेंडरबिल्ट में अपने पोस्टडॉक्टरल शोध के लिए, उन्होंने इन्फ्रारेड फ्री इलेक्ट्रॉन लेजर का उपयोग करते हुए MALDI तकनीक का अध्ययन किया। Opti-MS के बारे में और जानकारी www.opti-ms.com पर प्राप्त की जा सकती है।

नैन्सी एटकिंसन एक स्वतंत्र लेखक और नासा सौर मंडल के राजदूत हैं। वह इलिनोइस में रहती है।