Miniaturiseret massespektrometer til Mars-udforskning har et enormt potentiale

BYU-forskere har skabt en miniaturiseret, bærbar version af et værktøj, der nu er i stand til at analysere Mars' atmosfære - og det er blot en af ​​dets utallige anvendelsesmuligheder.

I årtier har massespektrometre tilbudt en relativt hurtig og meget følsom måde at analysere og detektere kemiske forbindelser på. Men deres omfangsrige størrelse har været en hindring, begrænse deres potentiale i marken.

Men efter at have brugt 12 år på at udforske problemet, BYU kemi professor Daniel Austin, tilsluttet sig elektroingeniørprofessor Aaron Hawkins og andre kolleger, har udviklet et meget mindre spektrometer, der stadig har evnerne til sine større modstykker.

"Målet var at tage, hvad der ellers ville være en enorm, bordplade instrument til noget, der er lille nok til at bære med dig, " sagde Austin, hvis holds resultater for nylig blev offentliggjort i Journal of the American Society for Mass Spectrometry.

Selvom mindre spektrometre er blevet udviklet i fortiden, de har generelt været mindre følsomme og mere tilbøjelige til at bryde sammen. Men et lille spektrometer, hvis kapacitet og styrke ikke minimeres af dets størrelse, Austin sagde, åbner op for en verden af ​​potentielle applikationer, herunder følgende:

• Et miniaturiseret massespektrometer kunne detektere og finde kemiske våben, minimere faren for soldater i en given region.
• I hjemlandets sikkerhed, miniaturiserede massespektrometre kunne hjælpe med at opdage sprængstoffer i lufthavne eller andre steder.
• For retsmedicinske efterforskere, bærbare spektrometre kunne hjælpe med en række behov på stedet, herunder at afgøre, om et hvidt pulver er et ulovligt stof eller noget godartet.

"Fordi massespektrometre typisk er store og dyre og kræver teknikere til at betjene, ikke mange mennesker kan få adgang til dem, " sagde Yuan Tian, en studie medforfatter og nyere BYU kemi Ph.D. grad. "Men miniaturiserede massespektrometre sigter mod at overvinde disse traditionelle problemer ved at reducere deres fysiske størrelse, vægt og pris."

At, på tur, "giver en hurtigere og enklere måde til sammensat analyse, " tilføjede medforfatter og kemi Ph.D. grad Ailin Li.

Ionfældemassespektrometre fungerer typisk ved at metalelektroder skaber et elektrisk felt. Det elektriske felt har et radiofrekvenssignal påført sig, som fanger ioner. Forskere indsamler prøver, ioniser dem, fange ionerne og derefter udstøde og detektere disse ioner baseret på deres masser, som derefter fortæller dem den kemiske sammensætning af prøven.

Austin og hans kolleger bruger en proces kaldet mikrolitografi på keramik- og glasplader til at miniaturisere ionfælderne. Afstanden mellem pladerne er mindre end en millimeter og er "hvor handlingen sker, " sagde Austin, tilføjer, at den resulterende enhed er hundrede gange lettere og mindre end en konventionel ionfælde.

Dette specifikke projekt blev delvist finansieret af National Science Foundation, og relateret forskning er også blevet finansieret af NASA og det amerikanske forsvarsministerium. Holdets spektrometer bliver nu kigget efter kommerciel udvikling.

"Bærbar massespektrometri vil muliggøre masser af applikationer, som du bare ikke kan gøre lige nu, " sagde Austin. "Der er en masse ny videnskab, der kan gøres med et instrument, der kan tages med overalt. I stedet for at sende prøver til et fjernt laboratorium og vente på resultater, et bærbart instrument kan give øjeblikkelige resultater, tillader hurtige beslutninger."