Tulltjänstemän vill upptäcka smuggelgods. Läkare vill veta hur snabbt en patient metaboliserar ett terapeutiskt läkemedel. Och leverantörer av ekologiska produkter, från kosttillskott till honung, vill veta att deras råvaror är rena. Varje fall kräver masspektrometri – en teknik som identifierar molekyler baserat på deras massa – men nuvarande instrument är skrymmande, dyr, och vanligtvis specialiserade på en klass av kemikalier, motverka utbredd användning utanför en specialiserad labbmiljö.
Masspektrometri klarar utmaningen, men det behövs bättre teknik för att göra mer flexibla instrument. Ett lovande forskningsområde använder en glödurladdningsplasma med atmosfäriskt tryck – en delvis joniserad gas som kan göras stabil vid rumstemperatur och tryck – för att undersöka prover för elementära och molekylära arter, och skulle kunna leda till användarvänliga masspektrometrianalyser med bred kapacitet.
"Helst vill vi ha ett system som kan upptäcka allt, och vi vill kunna ta det systemet ut på fältet för att testa material på plats, sa Jacob Shelley, en expert på plasmabaserade instrument för omgivande masspektrometri som nyligen började på fakulteten vid Rensselaer Polytechnic Institute. "Vi försöker göra ett mer flexibelt instrument som gör att vi kan upptäcka många saker samtidigt. Det är vårt mål."
Masspektrometri drar fördel av den enkla sanningen att atomer i varje element, såväl som joner och isotoper av dessa grundämnen, har en unik massa. Därför molekyler – uppbyggda av atomer, joner, och isotoper – har också en unik massa. En masspektrometer använder ett elektriskt eller magnetiskt fält för att mäta massan av en molekyl, producerar en signal som kan översättas till identiteten av den kemiska arten:koffein är 195; difeylamin, en kemikalie sprayad på äpplen, är 170; kokain är 304.
Problemet är att nuvarande instrument endast kan bearbeta molekyler som är i gastillstånd och joniserade (har en positiv eller negativ laddning), vilket innebär att de flesta prover måste bearbetas innan de införs i masspektrometern för analys. Tills vidare, masspektrometri bygger på en mängd tidskrävande bearbetningsmetoder som separerar och joniserar molekyler före analys. Och beroende på metod, prover som livsmedel, läkemedel, eller vävnad kan förstöras under bearbetningen.
Den största utmaningen för en generaliserad bearbetningsmetod är kemin som behövs för att jonisera molekylen, sa Shelley. De flesta av metoderna som har utvecklats förlitar sig på specifika kemier som gynnar jonisering av en klass av molekyler framför en annan. Shelley utvecklar en metod som drar fördel av plasmans ovanliga egenskaper och kemi, som är rika på fritt rörliga joner och elektroner, och därför mycket interaktiv. Även om de vanligaste kända plasmaerna är extremt varma - vid nästan 10, 000 grader Kelvin, vissa plasmar konkurrerar med solens temperatur – Shelley arbetar med mer nyligen utvecklade glödurladdningsplasma, som är stabila vid rumstemperatur och atmosfärstryck.
I hans labb, Shelley demonstrerar ett experimentellt instrument så godartat att det kan testa prover joniserade från en fingertopp, och så mångsidig den kan upptäcka arter från relativt små spårmängder av metaller till stora labila biomolekyler som peptider och proteiner. Vid utvecklingen av tekniken, Shelleys forskargrupp har använt instrumentet för att upptäcka förfalskad honung, att kvantifiera skadliga gifter i sötvattenalgblomningar, och att screena de råvaror som används i kosttillskott.
"Plasman är användbar som joniseringskälla eftersom den gör en mängd olika kemi tillgängliga, " sa Shelley. "Det kan göra det möjligt att jonisera en bred klass av molekyler, vilket skulle kunna leda till mer generaliserade instrument."
