Kraftfuldt nyt værktøj til at lede efter liv ud over Jorden

NASA har udviklet et innovativt nyt spektroskopiinstrument til at hjælpe med at søge efter udenjordisk liv. Det nye instrument er designet til at opdage forbindelser og mineraler, der er forbundet med biologisk aktivitet hurtigere og med større følsomhed end tidligere instrumenter. Selvom der endnu ikke er fundet tegn på liv uden for Jorden, at lede efter beviser for nutid eller tidligere liv på andre planeter er fortsat en vigtig del af NASAs Planetary Exploration Program.

Forskere ved NASA Langley Research Center og University of Hawaii udviklede det nye instrument, som forbedrer en analytisk teknik kendt som mikro Raman -spektroskopi. Denne teknik bruger interaktionen mellem laserlys og en prøve til at give information om kemisk sammensætning i mikroskopisk skala. Det kan detektere organiske forbindelser som aminosyrer, der findes i levende ting, og identificere mineraler dannet af biokemiske processer på Jorden, der kan indikere liv på andre planeter.

"Vores instrument er et af de mest avancerede Raman -spektrometre, der nogensinde er udviklet, "sagde M. Nurul Abedin fra NASA Langley Research Center, der ledede forskergruppen. "Den overvinder nogle af de vigtigste begrænsninger ved traditionelle mikro Raman -instrumenter og er designet til at tjene som et ideelt instrument til fremtidige missioner, der bruger rovers eller landere til at udforske overfladen af ​​Mars eller Jupiters iskolde Europa -måne."

I tidsskriftet The Optical Society Anvendt optik , forskerne rapporterer, at deres nye system-som de kalder det ultrakompakte mikro Raman (SUCR) instrument-er det første til at udføre mikro-Raman-analyse af prøver 10 centimeter væk fra instrumentet med en opløsning på 17,3 mikron. Det nye spektrometer er betydeligt hurtigere end andre mikro Raman -instrumenter og ekstremt kompakt. Disse funktioner er vigtige for rumapplikationer og kan også gøre instrumentet nyttigt til biomedicinske analyser og fødevareanalyser i realtid.

"Mikro Raman -spektroskopi undersøges for at opdage hudkræft uden biopsi og kan bruges til madanalyseapplikationer såsom måling af koffein i drikkevarer, "sagde Abedin." Vores system kunne bruges til disse applikationer og andre til at levere hurtig kemisk analyse, der ikke kræver afsendelse af prøver til et laboratorium. "

Design til plads

Størrelse og vægt var vigtige at overveje, når man designede SUCR -instrumentet til rumforskning. "Vi var nødt til at sikre, at instrumentet var meget lille og let, så det kunne rejse ombord på et lille, brændstofeffektivt rumskib, der ville foretage den ni måneder lange rejse til Mars eller den seksårige rejse til Europa, "sagde Abedin." Instrumentet skal også arbejde med andre instrumenter ombord på en rover eller lander og være upåvirket af de hårde strålingsforhold, der findes på andre planeter. "

Det nye instrument tilbyder flere vigtige forbedringer af tidligere mikro Raman spektroskopi instrumenter, som kræver, at prøver indsamles før analyse og målinger finder sted i mørket. Traditionelle mikro Raman -instrumenter er også tilbøjelige til interferens fra naturlig mineralsk fluorescens.

"Begrænsningerne i de nuværende systemer ville reducere antallet af prøver og mængden af ​​information betydeligt fra en mission til Mars, for eksempel, "sagde Abedin." Vi har omhyggeligt designet optikken i vores system til at muliggøre hurtig analyse under dagslysforhold og til at producere et stærkt Raman -signal, der ikke er så tilbøjeligt til interferens som traditionelle systemer. "

SUCR -instrumentet bruger det direkte koblede Raman -systemdesign, der tidligere blev udviklet ved University of Hawaii til fjern kemisk påvisning af prøver, der er mere end 100 meter væk fra instrumentet i dagslys (A.K. Misra et al, Spectrochim Acta A 2005). University of Hawaii's kompakte instrument forbinder al optikken direkte med spektrometeret, hvilket signifikant forbedrede ydeevnen i forhold til fiberkoblede Raman-systemer, fordi mindre signal går tabt.

For at oprette SUCR -instrumentet, forskerne ændrede samleoptikken for det tidligere udviklede system for at erhverve spektre af prøver tættere på instrumentet. De reducerede også systemets fodaftryk yderligere ved at bruge et miniaturiseret spektrometer på kun 16,5 centimeter langt, 11,4 centimeter bred og 12,7 centimeter høj.

Ved at føre lys fra en kompakt pulserende laser gennem en cylindrisk linse med en brændvidde på 100 millimeter kunne forskerne opnå en opløsning på 17,3 mikron til analyse af prøver 10 centimeter væk. De demonstrerede også en opløsning på 10 mikron for prøver 6 centimeter væk ved hjælp af en cylindrisk linse med en brændvidde på 60 millimeter.

Hurtig analyse i rummet lyser

I laboratorieundersøgelser, forskerne brugte deres SUCR -instrument til med succes at måle Raman -spektre fra prøver 10 centimeter væk med et analyseområde på 17,3 mikron med 5 millimeter. I rummet lyser forholdene, de brugte SUCR til at analysere mineraler og organiske forbindelser, der kan være forbundet med liv på andre planeter, herunder inkluderet svovl, naphthalen, blandede prøver, marmor, vand, calcitmineraler og aminosyrer.

"Vi forsøger nu at øge analyseområdet ved at bruge scanning, "sagde Abedin." På grund af hastigheden på vores system, vi tror, ​​det vil være muligt at oprette et Raman -kort over et område 5 x 5 millimeter på kun et minut. Det ville tage flere dage at gøre dette med et traditionelt mikro Raman -system. "

Som et næste trin, forskerne planlægger at teste deres SUCR -instrument i miljøer, der efterligner dem, der findes på Mars og andre planeter. De vil derefter begynde valideringsprocessen for at vise, at enheden ville fungere præcist under forhold, der findes i rummet.