NASA heeft een innovatief nieuw spectroscopie-instrument ontwikkeld om de zoektocht naar buitenaards leven te vergemakkelijken. Het nieuwe instrument is ontworpen om verbindingen en mineralen die verband houden met biologische activiteit sneller en met een grotere gevoeligheid te detecteren dan eerdere instrumenten. Hoewel er nog geen bewijs van leven buiten de aarde is gevonden, het zoeken naar bewijs van huidig ​​of vorig leven op andere planeten blijft een belangrijk onderdeel van het NASA Planetary Exploration Program.

Onderzoekers van NASA Langley Research Center en de Universiteit van Hawaï ontwikkelden het nieuwe instrument, die een verbetering is van een analytische techniek die bekend staat als micro Raman-spectroscopie. Deze techniek maakt gebruik van de interactie tussen laserlicht en een monster om informatie over de chemische samenstelling op microscopische schaal te verschaffen. Het kan organische verbindingen detecteren, zoals de aminozuren die in levende wezens worden aangetroffen, en mineralen identificeren die zijn gevormd door biochemische processen op aarde die kunnen wijzen op leven op andere planeten.

"Ons instrument is een van de meest geavanceerde Raman-spectrometers die ooit zijn ontwikkeld, " zei M. Nurul Abedin van NASA Langley Research Center, die het onderzoeksteam leidde. "Het overwint enkele van de belangrijkste beperkingen van traditionele micro Raman-instrumenten en is ontworpen om te dienen als een ideaal instrument voor toekomstige missies waarbij rovers of landers worden gebruikt om het oppervlak van Mars of Jupiter's ijzige Europa-maan te verkennen."

In het tijdschrift The Optical Society Toegepaste optica , de onderzoekers melden dat hun nieuwe systeem - dat ze het impasse ultracompacte micro Raman (SUCR) -instrument noemen - het eerste is dat micro-Raman-analyse uitvoert van monsters op 10 centimeter afstand van het instrument met een resolutie van 17,3 micron. De nieuwe spectrometer is aanzienlijk sneller dan andere micro Raman-instrumenten en extreem compact. Deze functies zijn belangrijk voor ruimtetoepassingen en kunnen het instrument ook nuttig maken voor realtime biomedische en voedselanalyses.

"Micro Raman-spectroscopie wordt onderzocht voor het detecteren van huidkanker zonder biopsie en kan worden gebruikt voor voedselanalysetoepassingen zoals het meten van cafeïne in dranken, " zei Abedin. "Ons systeem zou voor deze en andere toepassingen kunnen worden gebruikt om snelle chemische analyses te bieden waarvoor geen monsters naar een laboratorium hoeven te worden gestuurd."

Ontwerpen voor de ruimte

Grootte en gewicht waren belangrijk om te overwegen bij het ontwerpen van het SUCR-instrument voor verkenning van de ruimte. "We moesten ervoor zorgen dat het instrument erg klein en licht was, zodat het aan boord van een kleine, brandstofzuinig ruimteschip dat de reis van negen maanden naar Mars of de reis van zes jaar naar Europa zou maken, "zei Abedin. "Het instrument moet ook samenwerken met andere instrumenten aan boord van een rover of lander en mag niet worden beïnvloed door de harde straling die op andere planeten wordt aangetroffen."

Het nieuwe instrument biedt verschillende belangrijke verbeteringen aan eerdere micro Raman-spectroscopie-instrumenten, waarvoor monsters moeten worden verzameld voorafgaand aan analyse en metingen in het donker moeten plaatsvinden. Traditionele micro Raman-instrumenten zijn ook gevoelig voor interferentie door natuurlijke minerale fluorescentie.

"De beperkingen van de huidige systemen zouden het aantal monsters en de hoeveelheid informatie die zou kunnen worden verkregen van een missie naar Mars aanzienlijk verminderen, bijvoorbeeld, " zei Abedin. "We hebben de optica van ons systeem zorgvuldig ontworpen om snelle analyse onder daglichtomstandigheden mogelijk te maken en om een ​​sterk Raman-signaal te produceren dat niet zo gevoelig is voor interferentie als traditionele systemen."

Het SUCR-instrument maakt gebruik van het direct gekoppelde Raman-systeemontwerp dat eerder is ontwikkeld aan de Universiteit van Hawaï voor chemische detectie op afstand van monsters op meer dan 100 meter afstand van het instrument bij daglicht (A.K. Misra et al, Spectrochim Acta A 2005). Het compacte instrument van de Universiteit van Hawaï verbindt alle optica rechtstreeks met de spectrometer, wat de prestaties aanzienlijk verbeterde in vergelijking met vezelgekoppelde Raman-systemen omdat er minder signaal verloren gaat.

Om het SUCR-instrument te maken, de onderzoekers wijzigden de collectieoptica van het eerder ontwikkelde systeem om spectra van monsters dichter bij het instrument te verkrijgen. Ze hebben ook de voetafdruk van het systeem verder verkleind door gebruik te maken van een geminiaturiseerde spectrometer van slechts 16,5 centimeter lang, 11,4 centimeter breed en 12,7 centimeter hoog.

Door licht van een compacte gepulseerde laser door een cilindrische lens met een brandpuntsafstand van 100 millimeter te laten gaan, konden de onderzoekers een resolutie van 17,3 micron bereiken voor analyse van monsters op 10 centimeter afstand. Ze demonstreerden ook een resolutie van 10 micron voor monsters op 6 centimeter afstand met behulp van een cilindrische lens met een brandpuntsafstand van 60 millimeter.

Snelle analyse in kamerlicht aan

Bij laboratoriumtesten, de onderzoekers gebruikten hun SUCR-instrument om met succes Raman-spectra te meten van monsters op 10 centimeter afstand met een analysegebied van 17,3 micron bij 5 millimeter. In kamer licht op voorwaarden, ze gebruikten SUCR om mineralen en organische verbindingen te analyseren die mogelijk verband houden met het leven op andere planeten, inclusief inbegrepen zwavel, naftaleen, gemengde monsters, marmer, water, calcietmineralen en aminozuren.

"We proberen nu het analysegebied te vergroten door middel van scanning, " zei Abedin. "Vanwege de snelheid van ons systeem, we denken dat het mogelijk zal zijn om in slechts één minuut een Raman-kaart te maken van een gebied van 5 bij 5 millimeter. Om dit te doen met een traditioneel micro Raman-systeem zou meerdere dagen duren."

Als volgende stap, de onderzoekers zijn van plan hun SUCR-instrument te testen in omgevingen die lijken op die op Mars en andere planeten. Ze beginnen dan met het validatieproces om aan te tonen dat het apparaat nauwkeurig zou werken onder omstandigheden die in de ruimte worden aangetroffen.