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Le Dr David Ermer, avec sa société, Opti-MS Corporation, construit actuellement un spectromètre de masse miniature à temps de vol qui peut détecter des signatures biologiques à une résolution et une sensibilité très élevées, mais qui soit suffisamment petit pour être utilisé pour des applications robotiques et humaines dans l'exploration spatiale.
Ermer utilise un système innovant qu'il a développé à la Mississippi State University, et il a reçu un prix NASIR Small Business Innovation Research (SBIR) pour poursuivre ses recherches afin de construire et de tester son appareil.
Un spectromètre de masse est utilisé pour mesurer le poids moléculaire afin de déterminer la structure et la composition élémentaire d'une molécule. Un spectromètre de masse à haute résolution peut déterminer les masses très précisément et peut être utilisé pour détecter des éléments tels que des fragments d'ADN / ARN, des protéines et des peptides entiers, des fragments de protéines digérées et d'autres molécules biologiques.
Un spectromètre de masse à temps de vol (TOF-MS) fonctionne en mesurant le temps nécessaire aux ions pour voyager à travers une zone de vide de l'appareil connu sous le nom de tube de vol. La spectrométrie de masse à temps de vol est basée sur le fait que pour une énergie cinétique fixe, la masse et la vitesse des ions sont liées. «Les champs électriques sont utilisés pour donner aux ions une énergie cinétique connue», a expliqué Ermer. "Si vous connaissez l'énergie cinétique et la distance parcourue par les ions, et que vous savez combien de temps il faut pour voyager, alors vous pouvez déterminer la masse des ions."
Le dispositif d'Ermer utilise l'ionisation par désorption laser assistée par matrice, ou MALDI, où un faisceau laser est dirigé vers l'échantillon à analyser, et le laser ionise les molécules qui volent ensuite dans le tube de vol. Le temps de vol à travers le tube est directement lié à la masse, les molécules plus légères ayant un temps de vol plus court que les plus lourdes.
L'analyseur et le détecteur du spectromètre de masse sont maintenus sous vide pour laisser les ions voyager d'une extrémité de l'instrument à l'autre sans aucune résistance de collision avec les molécules d'air, ce qui altérerait l'énergie cinétique de la molécule.
Une plaque d'échantillonnage typique pour un TOF-MS peut contenir entre 100 et 200 échantillons, et l'appareil peut mesurer la distribution de masse complète d'un seul coup. Par conséquent, d'énormes quantités de données sont créées dans un intervalle de temps très court, le temps de vol pour la plupart des ions se produisant en microsecondes.
Le TOF-MS d'Ermer combine une configuration mécanique relativement simple avec une acquisition de données électroniques extrêmement rapide, ainsi que la capacité de mesurer de très grandes masses, ce qui est essentiel pour effectuer une analyse biologique.
Mais l'aspect le plus unique de l'appareil Ermer est sa taille. Les spectromètres de masse commerciaux actuellement disponibles mesurent au moins un mètre et demi de long. C'est un volume assez important à inclure sur un véhicule scientifique in situ tel que les Mars Exploration Rovers de la taille d'une voiture de golf ou même le plus grand Mars Science Laboratory Rover dont le lancement est prévu en 2009. Ermer a imaginé un moyen de miniaturiser un TOF-MS pour un étonnant 4? pouces de long. Il estime que son appareil aura un volume inférieur à 0,75 litre, une masse inférieure à 2 kilogrammes et nécessitera moins de 5 watts de puissance.
Ermer a utilisé une technique d'optimisation non linéaire pour créer un modèle informatique d'un spectromètre de masse. Il y avait 13 paramètres qu'il a dû sélectionner, y compris l'espacement des différents éléments dans le TOF-MS et les tensions d'accélération ionique. En utilisant cette technique, Ermer a pu trouver des solutions uniques pour un TOF-MS très court.
"J'essaie de construire un spectromètre de masse à temps de vol suffisamment petit pour aller dans l'espace", a expliqué Ermer. «La principale application que la NASA étudie est la recherche de molécules biologiques, pour trouver des preuves de la vie passée sur Mars. Ils veulent également pouvoir faire de la biologie moléculaire sur la station spatiale, bien que l'application Mars ait une priorité plus élevée. Mon appareil devrait répondre à toutes les exigences de la NASA, en ce qui concerne les exigences de puissance, de taille et de poids. »
Ermer voit également un potentiel d'utilisation commerciale de son appareil. "Ce que j'ai, c'est un appareil portable pour mesurer les molécules biologiques", a-t-il déclaré. «Si vous étiez dans un aéroport et que vous trouviez une poudre blanche, vous voudrez savoir si c'est de la poudre d'anthrax ou de craie assez rapidement. Vous voulez donc un petit appareil portable assez bon marché pour le faire. » Dans sa proposition à la NASA, Ermer a déclaré: «La principale application (commerciale) du TOF-MS miniature est le dépistage des maladies infectieuses et des agents biologiques. Nous pensons également que les performances supérieures de notre conception permettront de pénétrer le marché TOF-MS en général. »
Ermer a reçu le prix SBIR de 70 000 $ à la mi-janvier et a déjà construit et testé une conception de preuve de concept plus large, qui valide la technologie qu'il a conçue pour son TOF-MS. "Jusqu'à présent, les tests se sont extrêmement bien déroulés", a déclaré Ermer. J'ai détecté des molécules jusqu'à 13000 Daltons (Dalton est un nom alternatif pour unité de masse atomique, ou amu.) L'appareil fonctionne comme prévu pour des masses allant jusqu'à 13000 Daltons et a une résolution de masse légèrement meilleure qu'un appareil de taille normale à 13000 Daltons. Nous travaillons actuellement sur la détection de masse jusqu'à 100 000 Daltons et les premiers résultats sont prometteurs. »
"La mise en route et le fonctionnement de l'appareil sont probablement le plus grand obstacle", a déclaré Ermer à propos des défis de ce projet. «Beaucoup de choses difficiles sont faites, mais l'électronique est vraiment difficile. Pour cet appareil, vous devez générer des impulsions haute tension d'environ 16 000 volts. C'était probablement la chose la plus difficile que nous ayons eu à faire jusqu'à présent. »
Le détecteur multiplicateur d'électrons est spécialement conçu pour la spectrométrie de temps de vol miniature par une entreprise extérieure. Ermer et sa propre entreprise ont conçu la plupart des autres parties de l'appareil, y compris le boîtier sous vide et l'extracteur laser. Comme elles sont si petites, la création de ces pièces nécessite un usinage à très haute tolérance, qui a également été réalisé par une entreprise extérieure.
Le programme NASA SBIR «offre aux petites entreprises des opportunités accrues de participer à la recherche et au développement, d'augmenter l'emploi et d'améliorer la compétitivité des États-Unis», selon la NASA. Certains objectifs du programme sont de stimuler l'innovation technologique et d'utiliser les petites entreprises pour répondre aux besoins fédéraux en recherche et développement. Le programme comporte trois phases, la phase I recevant 70 000 $ pour six mois de recherche afin d'établir la faisabilité et le mérite technique. Les projets arrivant à la phase II reçoivent 600 000 $ pour deux années de développement supplémentaires, et la phase III assure la commercialisation du produit.
Ermer est professeur à l'Université d'État du Mississippi. Il effectue des recherches dans des domaines liés à la spectrométrie de masse depuis 1994 et, pour sa thèse de doctorat à la Washington State University, il a examiné les distributions d'énergie des ions générés dans différents matériaux par un laser. Pour ses recherches postdoctorales à Vanderbilt, il a étudié la technique MALDI à l'aide d'un laser à électrons libres infrarouge. Pour plus d'informations sur Opti-MS, rendez-vous sur www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson est rédactrice indépendante et ambassadrice du système solaire de la NASA. Elle habite dans l'Illinois.
