Douanebeambten willen smokkelwaar opsporen. Artsen willen weten hoe snel een patiënt een therapeutisch medicijn metaboliseert. En leveranciers van biologische producten, van voedingssupplementen tot honing, willen weten dat hun grondstoffen puur zijn. Elk geval vraagt ​​om massaspectrometrie – een techniek die moleculen identificeert op basis van hun massa – maar de huidige instrumenten zijn omvangrijk, duur, en zijn doorgaans gespecialiseerd in één klasse chemicaliën, wijdverbreid gebruik buiten een gespecialiseerde laboratoriumomgeving ontmoedigen.

Massaspectrometrie is de uitdaging aan, maar er is betere technologie nodig om flexibelere instrumenten te maken. Een veelbelovend onderzoeksgebied maakt gebruik van een glimontladingsplasma bij atmosferische druk - een gedeeltelijk geïoniseerd gas dat stabiel kan worden gemaakt bij kamertemperatuur en druk - om monsters te onderzoeken op elementaire en moleculaire soorten, en zou kunnen leiden tot gebruiksvriendelijke massaspectrometrieanalyses met brede mogelijkheden.

"Idealiter willen we één systeem dat alles kan detecteren, en we willen dat systeem in het veld kunnen gebruiken om materialen ter plaatse te testen, " zei Jacob Shelley, een expert in op plasma gebaseerde ambient massaspectrometrie-instrumenten die onlangs toetrad tot de faculteit van het Rensselaer Polytechnic Institute. "We proberen een flexibeler instrument te maken waarmee we veel dingen tegelijk kunnen detecteren. Dat is ons doel."

Massaspectrometrie maakt gebruik van de simpele waarheid dat atomen van elk element, evenals ionen en isotopen van die elementen, een unieke massa hebben. Daarom moleculen - opgebouwd uit atomen, ionen, en isotopen – hebben ook een unieke massa. Een massaspectrometer gebruikt een elektrisch of magnetisch veld om de massa van een molecuul te meten, een signaal produceren dat kan worden vertaald in de identiteit van de chemische soort:cafeïne is 195; difeylamine, een chemische stof die op appels wordt gespoten, is 170; cocaïne is 304.

Het probleem is dat de huidige instrumenten alleen moleculen kunnen verwerken die in gastoestand zijn en geïoniseerd zijn (met een positieve of negatieve lading), wat betekent dat de meeste monsters moeten worden verwerkt voordat ze voor analyse in de massaspectrometer worden gebracht. Voor nu, massaspectrometrie is gebaseerd op een verscheidenheid aan tijdrovende verwerkingsmethoden die moleculen scheiden en ioniseren voorafgaand aan analyse. En afhankelijk van de methode, monsters zoals voedsel, geneesmiddelen, of weefsel kan tijdens de verwerking worden vernietigd.

De grootste uitdaging voor een algemene verwerkingsmethode is de chemie die nodig is om het molecuul te ioniseren, zei Shelley. De meeste van de ontwikkelde methoden zijn gebaseerd op specifieke chemie die de voorkeur geeft aan ionisatie van de ene klasse moleculen boven de andere. Shelley ontwikkelt een methode die gebruik maakt van de ongebruikelijke eigenschappen en chemische eigenschappen van plasma's, die rijk zijn aan vrij bewegende ionen en elektronen, en daardoor zeer interactief. Hoewel de meest bekende plasma's extreem heet zijn - bijna 10, 000 graden Kelvin, sommige plasma's wedijveren met de temperatuur van de zon - Shelley werkt met recenter ontwikkelde glimontladingsplasma's, die stabiel zijn bij kamertemperatuur en atmosferische druk.

In zijn laboratorium, Shelley demonstreert een experimenteel instrument dat zo goedaardig is dat het monsters kan testen die zijn geïoniseerd uit een vingertop. en zo veelzijdig dat het soorten kan detecteren van relatief kleine sporen van metalen tot grote labiele biomoleculen zoals peptiden en eiwitten. Bij het ontwikkelen van de technologie, Shelley's onderzoeksgroep heeft het instrument gebruikt om namaakhoning op te sporen, om schadelijke toxines in zoetwateralgenbloei te kwantificeren, en om de grondstoffen die in voedingssupplementen worden gebruikt te screenen.

"Het plasma is nuttig als ionisatiebron omdat het een breed scala aan chemicaliën beschikbaar maakt, "zei Shelley. "Het kan het mogelijk maken om een ​​brede klasse van moleculen te ioniseren, wat zou kunnen leiden tot meer algemene instrumenten."