NASA har utvecklat ett innovativt nytt spektroskopiinstrument för att hjälpa sökandet efter utomjordiskt liv. Det nya instrumentet är utformat för att upptäcka föreningar och mineraler associerade med biologisk aktivitet snabbare och med större känslighet än tidigare instrument. Även om inga bevis på liv utanför jorden ännu har hittats, Att leta efter bevis på nuvarande eller tidigare liv på andra planeter fortsätter att vara en viktig del av NASA:s Planetary Exploration Program.

Forskare vid NASA Langley Research Center och University of Hawaii utvecklade det nya instrumentet, som förbättrar en analytisk teknik som kallas mikro Raman-spektroskopi. Denna teknik använder interaktionen mellan laserljus och ett prov för att ge information om kemisk sammansättning i mikroskopisk skala. Den kan upptäcka organiska föreningar som aminosyrorna som finns i levande varelser och identifiera mineraler som bildas av biokemiska processer på jorden som kan indikera liv på andra planeter.

"Vårt instrument är en av de mest avancerade Raman-spektrometrarna som någonsin utvecklats, " sa M. Nurul Abedin från NASA Langley Research Center, som ledde forskargruppen. "Den övervinner några av de viktigaste begränsningarna hos traditionella mikro Raman-instrument och är designad för att fungera som ett idealiskt instrument för framtida uppdrag som använder rovers eller landare för att utforska ytan av Mars eller Jupiters isiga Europa-måne."

I tidskriften The Optical Society Tillämpad optik , forskarna rapporterar att deras nya system – som de kallar standoff ultra-compact micro Raman (SUCR)-instrumentet – är det första som utför mikro-Raman-analys av prover 10 centimeter från instrumentet med en upplösning på 17,3 mikron. Den nya spektrometern är betydligt snabbare än andra mikro Raman-instrument och extremt kompakt. Dessa funktioner är viktiga för rymdtillämpningar och kan också göra instrumentet användbart för biomedicinska och livsmedelsanalyser i realtid.

"Micro Raman-spektroskopi undersöks för att upptäcka hudcancer utan biopsi och kan användas för livsmedelsanalysapplikationer som att mäta koffein i drycker, ", sa Abedin. "Vårt system skulle kunna användas för dessa applikationer och andra för att tillhandahålla snabb kemisk analys som inte kräver att prover skickas till ett laboratorium."

Designa för rymden

Storlek och vikt var viktiga att tänka på när man designade SUCR-instrumentet för rymdutforskning. "Vi var tvungna att se till att instrumentet var väldigt litet och lätt så att det kunde resa ombord på en liten, bränslesnålt rymdskepp som skulle göra den nio månader långa resan till Mars eller den sexåriga resan till Europa, ", sa Abedin. "Instrumentet måste också fungera med andra instrument ombord på en rover eller landare och vara opåverkad av de hårda strålningsförhållanden som finns på andra planeter."

Det nya instrumentet erbjuder flera viktiga förbättringar till tidigare mikro Raman-spektroskopiinstrument, som kräver att prover tas innan analys och mätningar ska ske i mörker. Traditionella mikro Raman-instrument är också benägna att störas från naturlig mineralfluorescens.

"Begränsningarna för nuvarande system skulle avsevärt minska antalet prover och mängden information som kan erhållas från ett uppdrag till Mars, till exempel, ", sa Abedin. "Vi utformade noggrant optiken i vårt system för att möjliggöra snabb analys under dagsljusförhållanden och för att producera en stark Raman-signal som inte är lika utsatt för störningar som traditionella system."

SUCR-instrumentet använder den direktkopplade Raman-systemdesignen som tidigare utvecklats vid University of Hawaii för kemisk detektering på avstånd av prover över 100 meter från instrumentet i dagsljus (A.K. Misra et al, Spectrochim Acta A 2005). University of Hawaiis kompakta instrument kopplar all optik direkt till spektrometern, vilket avsevärt förbättrade prestandan jämfört med fiberkopplade Raman-system eftersom mindre signal går förlorad.

För att skapa SUCR-instrumentet, forskarna modifierade insamlingsoptiken i det tidigare utvecklade systemet för att förvärva spektra av prover närmare instrumentet. De minskade också systemets fotavtryck ytterligare genom att använda en miniatyriserad spektrometer bara 16,5 centimeter lång, 11,4 centimeter bred och 12,7 centimeter lång.

Att passera ljus från en kompakt pulsad laser genom en cylindrisk lins med en brännvidd på 100 millimeter gjorde det möjligt för forskarna att uppnå 17,3 mikron upplösning för analys av prover 10 centimeter bort. De visade också 10-mikrons upplösning för prover 6 centimeter bort med hjälp av en cylindrisk lins med en 60-millimeters brännvidd.

Snabb analys i rumsbelysning på

I laboratorietester, forskarna använde sitt SUCR-instrument för att framgångsrikt mäta Raman-spektra från prover 10 centimeter bort med en analysyta på 17,3 mikron gånger 5 millimeter. I rumsljus under förhållanden, de använde SUCR för att analysera mineraler och organiska föreningar som kan vara associerade med liv på andra planeter, inklusive inkluderat svavel, naftalen, blandade prover, marmor, vatten, kalcitmineraler och aminosyror.

"Vi försöker nu utöka analysområdet genom att använda skanning, " sade Abedin. "På grund av hastigheten i vårt system, vi tror att det kommer att vara möjligt att skapa en Raman-karta över ett område på 5 gånger 5 millimeter på bara en minut. Att göra detta med ett traditionellt mikro Raman-system skulle ta flera dagar."

Som nästa steg, forskarna planerar att testa sitt SUCR-instrument i miljöer som efterliknar de som finns på Mars och andra planeter. De kommer sedan att påbörja valideringsprocessen för att visa att enheten skulle fungera korrekt under förhållanden som finns i rymden.