[論文レビュー] Detecting the elemental and molecular signatures of life: Laser-based mass spectrometry technologies

N. F. W. Ligterink, Andreas Riedo+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2020

Mass Spectrometry Techniques and Applications参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、惑星天体における元素、同位体、分子バイオシグネチャーの現地検出に、成熟した、コンactな、感受性の高い技術としてレーザーを用いた質量分析法（LIMS/LD-MS）を提唱している。LIMSおよびLD-MSは、試料前処理を要せず、マイクロメータースケールの化学画像化を可能にし、検出限界をフェムトモル mm⁻²まで達成しており、化学的変化に強く、低消費電力であるため、火星およびエウロパミッションに最適である。

ABSTRACT

The identification of extraterrestrial life is one the most exciting and challenging endeavors in space research. The existence of extinct or extant life can be inferred from biogenic elements, isotopes, and molecules, but accurate and sensitive instruments are needed. In this whitepaper we show that Laser-based Mass Spectrometers are promising instrument for the in situ identification of atomic, isotopic, and molecular biosignatures. An overview of Laser ablation/Ionization Mass Spectrometry (LIMS) and Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry (LD-MS) instruments developed for space exploration is given. Their uses are discussed in the context of a Mars scenario and a Europa scenario. We show that Laser-based Mass Spectrometers are versatile and technologically mature instruments with many beneficial characteristics for the detection of life. Future planetary lander and rover missions should be encouraged to make use of Laser-based Mass Spectrometry instruments in their scientific payload.

研究の動機と目的

• 従来の現地測定機器が、感受性の低さ、試料の変化、空間分解能の不足により、微弱なバイオシグネチャーを検出できないという限界を解決すること。
• 生命の化学的シグネチャーを宇宙環境で検出するための優れた代替手段として、レーザーを用いた質量分析法（LIMSおよびLD-MS）を推進すること。
• 特に火星およびエウロパ向けに、LIMS/LD-MSの実現可能性と利点を示し、惑星科学ミッションにおける応用を提示すること。
• 将来的なlanderおよびローバー探査ミッションにおけるLIMS/LD-MS機器の統合を促進し、バイオシグネチャー検出能力を向上させること。
• 生命探査を超えた応用を検討し、小型またはハンドヘルド型システムを用いた小惑星、彗星、月のレゴリスの現地分析を含む応用を検討すること。

提案手法

• レーザー焼入れ／イオン化（LIMS）およびレーザー脱吸／イオン化（LD-MS）は、パulsedレーザーを用いて表面の固体試料を直接イオン化し、化学的処理を要せず質量分析による検出を可能にする。
• 照射強度を調整して、焼入れ（高パワー、GW–TW/cm²）または脱吸（中程度のパワー、MW–GW/cm²）を実現し、分子断片化を最小限に抑えるためにナノ秒パルスを好む。
• 搬送ガス、オーブン、湿式化学を不要とすることで、機器の複雑さ、消費電力、化学的変化のリスクを低減する。
• 検出感度はピコモル mm⁻²に達し、一部のシステム（例：ORIGIN）はフェムトモル mm⁻²の検出限界を達成しており、微量バイオシグネチャーの検出が可能である。
• 氷の天体（例：エウロパ）では、装置の熱損失を利用して氷を昇華させることで試料を濃縮し、有機物や鉱物を分析可能にする。
• マイクロメーター分解能を有する化学画像化および深さ方向プロファイルにより、マイクロフォスルや層状堆積物におけるバイオシグネチャーの検出が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザーを用いた質量分析法は、試料前処理を要せず、宇宙環境の試料において微量の有機分子や同位体分馏を検出可能か？
• RQ2 LIMS/LD-MSは、従来のピロリシス-GC-MSと比較して、感受性、空間分解能、化学的変化に対する耐性において優れているか？
• RQ3 惑星物質において、断片化を最小限に抑えつつイオン化効率を最大化するための最適なレーザーパrameter（パルス長、波長、エネルギー）は何か？
• RQ4 LIMS/LD-MSは、火星やエウロパの鉱物を多く含む、または塩に覆われたような複雑なマトリックスにおいても、バイオシグネチャーを効果的に検出可能か？
• RQ5 将来的な惑星着陸船、ローバー、サンプル・リターンミッションにおける、コンactで低消費電力なLIMS/LD-MSシステムの実用的応用は何か？

主な発見

• LIMSおよびLD-MSシステムは、数フェムトモル mm⁻²の検出限界を達成しており、ORIGIN装置は微量有機物検出において優れた感受性を示している。
• 中程度の照射強度（MW–GW/cm²）でのレーザー脱吸は分子の完全性を保ち、電子イオン化と比較して断片化と異性体干渉を低減する。
• 有機化合物を鉱物や塩と混合した状態でLIMS/LD-MS分析を実施したが、バイオ分子の化学的変化は観察されなかった。
• 試料前処理は最小限：エウロパでは、氷試料を加熱して昇華を誘発させることで、ろ過や化学処理を回避して自然にバイオシグネチャーを濃縮する。
• LIMS/LD-MSはマイクロメーター分解能の化学画像化および深さ方向プロファイルを可能とし、マイクロフォスルや層状堆積物におけるバイオシグネチャーの同定に不可欠である。
• この技術はコンactで軽量かつ低消費電力であり、月や小惑星ミッションにおけるマイクロランダー、ローバー、ハンドヘルド機器への搭載に適している。