"В то время, как наши космические корабли бороздят просторы Вселенной…", они нуждаются в более компактных, менее энергозатратных и более точных аналитических инструментах. Сегодня это особенно актуально, поскольку поиски внеземной жизни, а также пригодных для жизни планет и их спутников не прекращаются ни на минуту.

Laser desorption mass spectrometry with Orbitrap analyzer for in situ astrobiology (in situ). Journal Interesting Engineering An image of the new LDMS Orbitrap device. Ricardo Arevalo et al 2023.

Именно здесь новое оборудование (представленное в статье "Laser Desorption Mass Spectrometry with an Orbitrap Analyzer for In situ Astrobiology", опубликованной в журнале Nature Astronomy), может сыграть решающую роль.

В рамках исследования группа научных сотрудников под руководством Университета Мэриленда изготовила новый прибор для космических миссий НАСА. Небольшой анализатор, работающий от лазера, способен на месте исследовать образцы планетного вещества и выявлять признаки потенциальной жизни. В то же время эта технология гораздо компактнее и экономичнее, чем ее предшественники.

Читайте также: Ученые обнаружили черные дыры, которые пожирают звезды постепенно, откусывая от них куски материи.

 Прибор, масса которого составляет всего 17 фунтов (7,7 кг), представляет собой уменьшенную модель двух важных инструментов для поиска признаков жизни и анализа материалов. Это импульсный ультрафиолетовый лазер - устройство способное "вырезать" крошечные количества материала из планетарного образца, и масс-анализатор Orbitrap -аналитическое оборудование, благодаря которому можно получить высококачественную информацию о химическом составе исследуемых материалов.

"Масс-спектрометр Orbitrap ID-X Tribrid изначально разрабатывался для коммерческого использования", - объяснил Рикардо Аревало, ведущий автор исследования и доцент геологии в University of Maryland.  "Их можно найти в лабораториях фармацевтической, медицинской и протеомической промышленности. Тот, что находится в моей лаборатории, весит чуть меньше 400 фунтов (180 кг), так что это довольно большие устройства, и нам потребовалось восемь лет, чтобы создать прототип, который можно было бы эффективно использовать в космосе - значительно меньший по размеру и менее ресурсоемкий, но все еще способный к передовым научным эксперимента", - добавил ученый.

New Thermo Scientific Orbitrap Exploris 120 LC-MS flying ion animation video. Journal Nature Astronomy.

В новом устройстве используется технология LDMS

Исследователи разработали новое устройство, более компактное, чем оригинальный Orbitrap, и объединили его с технологией масс-спектрометрии с прямой лазерной десорбцией (LDMS). Ранее эта подобная техника никогда не использовалась за пределами Земли.

Аревало утверждает, что новое устройство обладает теми же возможностями, что и его более крупные аналоги. Тем не менее, оно стало намного миниатюрнее, поэтому теперь его можно использовать для освоения космоса и изучения планетарных материалов.

Это интересно: Год за день: Учёные открыли ультрахолодную карликовую двойную звезду с периодом обращения 20,5 часов.

Благодаря своим малым размерам и низкому энергопотреблению, прибор Orbitrap LDMS удобно перевозить и использовать во время космических экспедиций. Исследования поверхности планеты или ее материалов с помощью этого инструмента менее инвазивны, чем многие современные методы идентификации неизвестных веществ. Таким образом, вероятность загрязнения или повреждения образца существенно ниже. 

"Чем хороша эта лазерная технология? Все очень просто. Она позволяет проанализировать любое вещество, которое может быть ионизировано. Например, если направить пучок лазера на образец льда, можно точно определить его состав и обнаружить биосигнатуры", - сказал Аревало. "Этот инструмент имеет такую высокую разрешающую способность масс-спектра, что позволят легко идентифицировать любые молекулярные или химические структуры в составе исследуемого образца", - добавил он. Новое устройство может стать переломным моментом в обнаружении инопланетной жизни

    FTICR и Orbitrap масс-спектрометрия. Что общего между этими приборами? Они оба регистрируют резонансную частоту иона с помощью сигнала визуализации, обеспечивая чрезвычайно высокое разрешение. Journal Interesting Engineering.

Новая технология поможет обнаружить инопланетную жизнь

Благодаря лазерной составляющей LDMS Orbitrap исследователи теперь имеют доступ к более крупным и сложным молекулам, которые с большей вероятностью могут быть связаны с биологическими процессами. Например, Аминокарбоновые кислоты являются менее очевидным признаком жизни, чем более крупные органические частицы. 

"Аминокарбоновые кислоты можно получить абиотическим путем. Это означает, что они не обязательно являются доказательством существования жизни. Метеориты, многие из которых полны аминокислот, могут упасть на поверхность планеты и доставить абиотическую органику на ее поверхность", - считают ученые. "Теперь нам известно, что более крупные и сложные молекулы, такие как белки, скорее всего, были созданы живыми организмами или каким-то образом связаны с ними. Лазер позволит нам изучать более крупные и сложные органические соединения, которые могут отражать более точные биосигнатуры, в отличие от более мелких и простых соединений", - добавил он.

Читайте также: Астрономы обнаружили гигантскую нейтронную звезду со временем жизни в доли секунды.

Миниатюрная технология LDMS Orbitrap позволит ученым получить столь необходимую информацию и станет эффективным инструментом для будущих путешествий во внешнюю часть Солнечной системы, включая миссии по поиску жизни (например, Enceladus Orbilander) или для исследования поверхности Луны (например, программа НАСА Артемида).

В течение следующих пяти лет авторы проекта намерены "запустить свое детище" в космос и приступить к изучению какой-нибудь интересной планет.  "Мы считаем наш прототип первопроходцем на пути создания будущих инструментов на базе LDMS и Orbitrap", - заявил Аревало. "Наш мини-прибор Orbitrap LDMS способен внести огромный вклад в изучение геохимии и астробиологии планетарной поверхности", - добавил ученый.

Вы можете самостоятельно ознакомиться с исследованием в журнале Nature Astronomy.

Аннотация к исследованию:

Лазерная десорбционная масс-спектрометрия (LDMS) позволяет in situ (на месте) исследовать содержание органических веществ и химический состав планетарных материалов, не требуя при этом интенсивной обработки образцов. В сочетании с анализатором Orbitrap, способным обеспечить сверхвысокую разрешающую способность и точность, методы LDMS упрощают обнаружение широкого спектра биомаркеров и классификацию минералогического материала. В данном проекте представлен миниатюрный прибор Orbitrap LDMS предназначенный для исследования планет. Эта система отвечает всем стандартам эффективности коммерческих систем. По своим характеристикам она превосходит ключевые показатели космических технологий, в том числе тех, которые планируется использовать в ближайшее будущее. С помощью избыточных измерений молекулярных ионов (с солевыми аддуктами или без них) и диагностических фрагментов можно с высокой точностью идентифицировать биогенные соединения в областях с плотностью, актуальной для перспективных миссий к океаническим мирам. Для подтверждения идентификации и получения информации о молекулярной структуре используется метод сечения столкновений. Анализ микроэлементов позволяет получить полное представление о минералогии и происхождении образца. Такой аналитический потенциал позволяет использовать LDMS для широкого спектра концепций и высокоприоритетных миссий, ориентированных на обнаружение жизни включая проект Enceladus Orbilander или программу NASA Artemis.