新科技幫助人類尋找太空中的有機生命

2020-11-05 火星科技2045



NASA /噴氣推進實驗室-加州理工學院

總覽

人類一直在尋找太空中的有機生命，美國西南研究所設計了一種微機電氣相色譜系統，與MASPEX飛行時間質譜儀配合使用，整個系統變得更小更輕，並且具有出色的性能和質量解析度，可以用於太空探索，這將有助於在月球和其他行星尋找有機化合物，幫助人類了解宇宙的演化和人類的起源。

太空探索中的密碼-質譜

人類對宇宙的探索正在不斷擴大，太空探索更是在不斷的擴大。人類已經計劃或已經在許多目的地進行了飛行任務，包括行星，衛星，彗星，小行星甚至太陽。一些任務主要針對的目標是含有水或能夠以某種形式維持生命的目的地。而火星或月球則被視為進一步探索宇宙的登臺站或人類定居的潛在場所。

在我們的太陽系中尋找地球以外生命的最佳場所之一被認為是木星的月亮歐羅巴，因為它的冰殼可能藏在下面巨大的鹹水海洋中。哈勃太空望遠鏡已經探測到南極地區上方的水汽，提供了水羽的潛在證據。美國宇航局正在派出歐羅巴快船去研究月球，計劃進行45次的來回飛行，進行各種測量。

NASA稱，其中一個機載儀器是用於行星探測的質譜儀（MASPEX），它是一種雙反射飛行時間質譜儀，其質量解析度「比以前在太空飛行中使用的質譜儀大幾個數量級」。它將測量大氣中的氣體並分析從地表噴出的羽狀物質。但是，對於將來的任務，最好使用機載氣相色譜和質譜儀器來分析大氣或表面中天然化合物的複雜混合物。

Ryan Blase和來自聖安東尼奧市西南研究機構和密西根大學的科學家正在研究此選項，他們設計了微機電系統（MEMS）氣相色譜儀以與MASPEX耦合。在連接到質譜儀進行進一步評估之前，先用微光電離檢測器對其進行了隔離測試。

微機電氣相色譜系統

整個氣相色譜儀單元長15釐米，包含10米長的帶有矩形通道的色譜柱。微型真空泵將樣品吸入裝有Carbopack B和X的預濃縮器中，然後打開微型開關以供入氦氣，把在加熱下釋放出的被吸附的化合物，並將其驅動至色譜柱，並在溫度程序下對其進行加熱。在使用正己烷進行的初步測試中，觀察到線性度超過兩個數量級，並且保留時間的重現性低於2％rsd。對於C 5 -C 10烷烴混合物，該數字低於1.5％。

每米的理論塔板平均數為1623，而商用方形和矩形開放式管柱的平均理論值為3890。在所使用的色譜柱溫度範圍內，相當於理論塔板（HETP）的平均高度為0.062 cm，其最低值0.0271與商用色譜柱相似。

出色的氣相色譜/質譜性能

MEMS通過保護柱傳輸線與光電離檢測器後的MASPEX單元耦合，該保護柱傳輸線直接通向電子電離源。分析儀經過三遍分析後，可在TOF部分中檢測到分析物，以提高質量解析度。

為了檢驗產品的性能如何，實驗使用了相同的碳氫化合物混合物進行測試。保留時間重現性的rsd值低於2％，隨後分離出的烷烴的質譜與NIST質譜資料庫中的相似。同分異構的3-甲基戊烷，Ñ己烷和環己烷的氣相色譜儀進行了明確分離，並從它們的光譜鑑定。平均質量解析度為380，隨離子質量的增加而增加，這被認為是可觀的，這是由於源中存在氦載氣導致分析儀中壓力相對較高。

與以前的太空飛行任務相比，MEMS 氣相色譜儀單元更小，更輕並且消耗的功率更少，而MASPEX比早期太空飛行中的質譜儀提供更高的質量精度和質量解析度。研究團隊將繼續為未來的登陸任務開發這項技術，而新的組合式氣相色譜/質譜單元「有可能進一步洞察土星，月球，土衛二的可居住性以及同位素和有機生物標記物的潛在存在，同時還可以對火星上複雜的有機化學進行更深的了解。」

Blase, RC, Libardoni, MJ, Miller, GP et al. Experimental coupling of a MEMS gas chromatograph and a mass spectrometer for organic analysis in space environments. ACS Earth Space Chem 2020 4 (10): 1718-1729. http://dx.doi.org/10.1021/acsearthspacechem.0c00131

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