新型小型激光设备可以帮助探测其他行星上的生命迹象

随着太空任务深入到外太阳系，对更紧凑、资源节约和准确的分析工具的需求变得越来越重要——尤其是在继续寻找地外生命和宜居行星或卫星的情况下。

马里兰大学领导的团队开发了一种新仪器，专门针对宇航局太空任务的需求量身定制。他们的迷你激光源分析仪比其前身体积更小，资源效率更高——所有这些都不会影响其分析行星材料样本和现场潜在生物活动的能力的质量。该团队关于这种新设备的论文于2023 年 1 月 16 日发表在《自然天文学》杂志上。

该仪器仅重约 17 磅，是两个用于检测生命迹象和识别材料成分的重要工具的物理缩小组合：脉冲紫外线激光可从行星样本中去除少量材料，Orbitrap TM分析仪可提供有关被检材料化学性质的高分辨率数据。

“Orbitrap 最初是为商业用途而建造的，”该论文的第一作者、 UMD地质学副教授Ricardo Arevalo解释道。“你可以在制药、医疗和蛋白质组学行业的实验室中找到它们。我自己实验室里的那个不到 400 磅，所以它们很大，我们花了八年时间制作了一个可以在太空中有效使用的原型——明显更小，资源密集度更低，但仍然能够切割-边缘科学。”

该团队的新装置缩小了原来的 Orbitrap，同时将其与激光解吸质谱 (LDMS) 结合使用——这项技术尚未应用于地外行星环境。据 Arevalo 称，这款新设备拥有与其更大的前辈相同的优势，但针对太空探索和现场行星材料分析进行了简化。

由于其体积小和功率要求低，迷你 Orbitrap LDMS 仪器可以很容易地收起并在太空任务有效载荷上进行维护。该仪器对行星表面或物质的分析也远没有侵入性，因此与许多试图识别未知化合物的当前方法相比，污染或损坏样品的可能性要小得多。

“激光源的好处是可以分析任何可以电离的东西。如果我们将激光束射向冰样本，我们应该能够表征冰的成分并查看其中的生物特征，”Arevalo 说。“该工具具有如此高的质量分辨率和准确性，样本中的任何分子或化学结构都变得更容易识别。”

迷你 LDMS Orbitrap 的激光组件还允许研究人员获得更大、更复杂的化合物，这些化合物更有可能与生物学相关。例如，氨基酸等较小的有机化合物是生命形式的更模糊的特征。

“氨基酸可以通过非生物方式产生，这意味着它们不一定是生命存在的证据。陨石，其中许多充满氨基酸，可以撞击行星表面并将非生物有机物输送到表面，”Arevalo 说。“我们现在知道，更大、更复杂的分子，如蛋白质，更有可能是由生命系统创造或与生命系统相关联的。激光使我们能够研究更大、更复杂的有机物，与更小、更简单的化合物相比，这些有机物可以反映出更高保真度的生物特征。”

对于 Arevalo 和他的团队来说，迷你 LDMS Orbitrap 将为未来进入外太阳系的冒险提供急需的洞察力和灵活性，例如专注于生命探测目标的任务(例如，Enceladus Orbilander)和月球表面探索(例如，NASA Artemis 计划)。他们希望在未来几年内将他们的设备送入太空并将其部署到感兴趣的行星目标上。

“我将这个原型视为未来其他基于 LDMS 和 Orbitrap 的仪器的探路者，”Arevalo 说。“我们的迷你 Orbitrap LDMS 仪器有可能显着增强我们目前研究行星表面地球化学或天体生物学的方式。”

该团队的其他 UMD 附属研究人员包括地质学研究生Lori Willhite和 Ziqin “ Grace”Ni、地质学博士后助理Anais Bardyn和Soumya Ray ，以及天文学访问副研究工程师 Adrian Southard。

这篇题为“用于原位天体生物学的 Orbitrap 分析仪的激光解吸质谱法”的论文于2023 年 1 月 16 日发表在《自然天文学》上。

这项研究得到了 NASA(奖号 80NSSC19K0610、80NSSC19K0768、80GSFC21M0002)、NASA 戈达德太空飞行中心内部研究开发 (IRAD) 和马里兰大学教师激励计划的支持。