طیف سنجی رامان در مریخ برای شناسایی نشانه‌های زمین شناسی و بیولوژیکی

طیف سنجی رامان در مریخ برای شناسایی نشانه‌های زمین شناسی و بیولوژیکی

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
چند سال پیش اولین طیف‌سنج ‌های رامان برای تجزیه و تحلیل مواد، در دیگر سیاره‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. حتما می‌دانید که راه اندازی این طیف سنج ها زمانی که بخواهند برای کاربردهای فضایی استفاده شوند، چالش‌های زیادی به همراه خود دارند. این چالش‌ها می‌توانند محدودیت در حجم، توان و جرم دستگاه، نیاز به کار در محیط‌های سخت، نیاز به کار مستقل و هوشمند برای طولانی مدت (به دلیل محدودیت‌های ارتباطی) باشند. در این مقاله در رابطه با ماموریت 2020 ناسا در مریخ و جایگاه طیف سنجی رامان برای شناسایی مواد صحبت می‌کنیم. لطفا تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.
طیف سنجی رامان در مریخ برای شناسایی نشانه‌های زمین شناسی و بیولوژیکی

فهرست مطالب

در چند سال گذشته طیف‌سنج ‌های رامان برای تجزیه و تحلیل مواد، در دیگر سیاره‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این روش به دلیل استفاده از لیزر قابلیت‌هایی منحصر به فردی را برای شناسایی ساختارها در خارج از کره زمین دارد. در شکل زیر طیف رامان چند نمونه زمین شناسی را مشاهده می‌کنید:

طیف رامان دو نمونه در زمین شناسی
شکل ۱: طیف رامان دو نمونه در زمین شناسی

مقدمه‌ای بر اکتشاف‌های سیاره‌ای

در دهه گذشته پیشرفت قابل توجهی در درک ترکیبات و فرآیندهای فیزیکی مرتبط با سطح مریخ رخ داده است. عمده این پیشرفت‌ها به دلیل استقرارهای موفقیت آمیز مدارگردها، کاوشگرها و مریخ نوردهای پیشرفته‌ای است که مجهز به ابزارهای دقیق و تحلیلی پیشرفته هستند.
تعدادی از تکنیک‌های سنجش از راه دور در اکتشاف مریخ استفاده شده است. طیف سنجی در میان این تکنیک‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد. تاکنون از طیف سنجی‌های مادون قرمز در نقشه برداری از توزیع مواد معدنی و از طیف سنجی های فروشکست القایی لیزری (LIBS)، XRD و XRF برای به دست آوردن اطلاعات عنصری استفاده شده است. هم چنین از روش Gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS) برای شناسایی مولکولی و آنالیز ایزوتوپی استفاده شده است.
پیشرفت‌های زیادی که به تازگی در حوزه تکنولوژی صورت گرفته است (کوچک کردن دستگاه‌های مورد نیاز، بهبود صلاحیت و استحکام اپتیکی ابزارها، بهبود عملکرد لیزر و سیستم‌های آشکارساز)؛ باعث شده است تا طیف‌سنج‌ های رامان نیز به یک جز کلیدی در مجموعه‌های تحلیلی پیشنهادی برای نسل بعدی مریخ نوردهای سیاره‌ای تبدیل شوند. در ادامه دو ماموریت بزرگی که جمع آوری طیف رامان در آن‌ها اولویت بالایی دارد، توضیح داده شده است.

مریخ نورد استقامت (The Mars 2020 Perseverance)

مریخ نورد استقامت در ۱۸ فوریه سال ۲۰۲۰ در مریخ فرود آمد و جستجوی خود را برای نشانه‌های زندگی گذشته در سیاره قرمز آغاز کرد. این مریخ نورد ساختار زمین شناسی سیاره قرمز را کاوش خواهد کرد. از جمله کارهای این مریخ نورد جمع آوری و شناسایی ترکیب سنگ‌های سیاره و خاک آن است. طیف سنج رامان در بخش SHERLOC که بخشی از سیستم شناسایی مولکولی مریخ نورد است، قرار گرفته است و به انجام یکی از اهداف کلیدی مأموریت که تجزیه و تحلیل محتوای سولفات، کانی‌ها و ساختارهای بیولوژیک در خاک مریخ است، کمک خواهد کرد.

حضور طیف سنج رامان در مریخ نورد استقامت
شکل ۲- حضور طیف سنج رامان در مریخ نورد استقامت

در حالی که سولفات‌ها در مقادیر زیادی در سطح مریخ یافت می‌شوند، داده‌های تجربی بیشتری برای تأیید این که سولفات‌ها در آن جا حضور دارند مورد نیاز است. اطلاعات مربوط به میزان هیدراتاسیون تاریخی مریخ و امکان ایجاد شرایط مناسب زندگی توسط این سیستم (SHERLOC) بررسی و برای ما ارسال خواهد شد.

شکل 3: تصویری از SHERLOC در مریخ نورد استقامت
شکل ۳: تصویری از SHERLOC در مریخ نورد استقامت

طیف سنجی رامان یک ابزار ایده آل برای انجام تجزیه و تحلیل نمونه میکروسکوپی بر روی نمونه‌های سنگی از سطح مریخ است. طیف رامان شامل مجموعه‌ای از پیک‌های طیفی است که نشانگر حالت‌های مختلف ارتعاشی در یک مولکول است. موقعیت این قله‌ها می‌تواند به یک مولکول منحصر به فرد اختصاص داشته باشد. این اطلاعات به نوعی “اثر انگشت” برای گونه‌های مولکولی در نظر گرفته می‌شوند. از این طریق شناسایی مواد انجام می‌گیرد.

تجزیه و تحلیل‌هایی که می‌تواند با طیف سنجی رامان در مورد مواد انجام شود، فراتر از صرف طبقه بندی شیمیایی ساده است. چندین اطلاعات مفید در طیف رامان وجود دارد. به عنوان مثال برای نمونه‌های جامد، عرض پیک‌ها در طیف رامان کریستالی بودن ماده را با درجه خوبی از دقت نشان می دهد. اغلب طیف رامان یک مولکول بسیار واضح تر و ساده تر از معادل مادون قرمز آن تفسیر خواهد شد. زیرا ترکیب پیک‌ها و هارمونیک‌های بالا کمتر در آن وجود دارد.

مقایسه طیف رامان و فلورسانس برخی نمونه‌ها
شکل ۴: مقایسه طیف رامان و فلورسانس برخی نمونه‌ها

یک طیف سنج رامان شامل سه جزء اصلی است: منبع نور، اپتیک، و یک آشکارساز. منابع لیزر معمولا برای تحریک نمونه‌های طیف سنجی رامان برای به دست آوردن طیف‌هایی با وضوح عالی انرژی استفاده می‌شوند. گونه‌های شیمیایی بزرگ و پیچیده ممکن است تعداد زیادی از حالت‌های ارتعاشی را در طیف رامان ایجاد کنند، اما تنها چند مد ارتعاشی انرژی مولکول (پیک رامان) در طیف رامان برای شناسایی آن‌ها کفایت می‌کند.

شماتیک میکروسکوپ رامان
شکل ۵: شماتیک میکروسکوپ رامان

طراحی ابزارهای مریخ نوردها همراه با چالش‌های بسیاری است. اولا، ابزارها باید فوق العاده محکم و سخت باشند تا سفر خود را به سیاره‌های هدف با موفقیت انجام داده و مشکلی در حین انتقال نداشته باشند. ثانیا، این ابزارها باید کاملا خودکار باشند. زیرا هر گونه تنظیمات، کالیبراسیون و بهینه سازی اندازه گیری باید از راه دور انجام شود.

کار بر روی سیاره‌ای غیر از زمین مثل مریخ یک دسته دیگر از چالش‌های اضافی را نیز همراه خود دارد. چالش هایی که دماهای شدید در مریخ ایجاد می کنند مانند شامل دمای ۱۲۵- درجه سانتی گراد در سردترین هوای خود و حدود ۲۲ درجه سانتیگراد در گرمترین روزهای آفتابی آن است.
طیف سنج های رامان در مریخ از خطوط طیفی منحصر به فرد رامان از گونه‌های مختلف سولفات برای مشخص کردن ساختار زمین شناسی مریخ استفاده می‌کنند. در این سیستم ابتدا نمونه‌ها توسط مته‌های متصل شده به جلوی ماشین برداشت می‌شود و سپس مورد آنالیز رامان قرار می‌گیرند. این مأموریت یک فرصت بزرگ برای درک نحوه تشکیل سولفات‌ها در مریخ است.

ماموریت ExoMars

ماموریت ExoMars (اگزوبیولوژی در مریخ) بخشی از برنامه ESA Aurora به منظور توسعه مهارت‌ها و فناوری‌های مورد نیاز در تسهیل ماموریت‌های سرنشین دار به مریخ است.
بخش اول این برنامه شامل توسعه تجهیزات یک مریخ نورد به یک آزمایشگاه تحلیلی بسیار توانمند است. احتمالا برای شما هم جالب باشد تا بدانید این مریخ نورد در این ماموریت از دو ابزاری استفاده کرده است که قبلا از آن‌ها در مریخ استفاده و بهره برداری نشده بود.
یکی از این دو تجهیز مته‌ای است که قادر به بازیابی نمونه‌ها از عمق دو متری زیر سطح است و دیگری همان طیف سنج لیزری رامان (RLS) است که در تجزیه و تحلیل ترکیب مولکولی نمونه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ابزار RLS یک طیف‌سنج رامان فشرده، ناهموار، کم توان با جرم کم است که در زنجیره ابزارهای علمی در سیستم‌های آماده‌سازی و تحویل نمونه (SPDS) در بخش مجموعه تحلیلی مریخ‌نورد نصب شده است.
SPDS یک نمونه خرد شده از رگولیت (سنگ پوشه) مریخی را به دستگاه تحویل می‌دهد که می‌تواند بسیاری از مواد بیولوژیکی و کانی شناسی را بدون آماده سازی، تماس و یا تخریب شناسایی کند. سپس می‌توان نمونه را پس از شناسایی مواد آلی و یا کانی‌های مورد علاقه به ابزارهای دیگر در قسمت مجموعه تحلیلی منتقل کرد. به احتمال زیاد اکنون با اهمیت این روش آشنایی پیدا کرده‌اید.

انتظار نمی‌رود که مولکول‌های آلی در قسمت بالایی رگولیت مریخ زنده بمانند. در آن ناحیه اشعه فرابنفش خورشید سطح را استریل کرده و گونه‌های شیمیایی اکسید کننده فراوانی تولید می‌کند. بنابراین، مته دو متری مریخ نورد ExoMars اهمیت بالایی دارد. این تحقیق و بررسی اولین فرصت برای بازیابی نمونه‌ها از قسمت‌هایی است که به احتمال زیاد شامل حیات و یا بقایای حیات است. شماتیک چیدمان این مجموعه در شکل ۱ نشان داده شده است.

المان‌های یک طیف سنج رامان در ExoMars
شکل ۶: المان‌های یک طیف سنج رامان در ExoMars

اهداف علمی این ابزار به صورت کلی در ادامه بیان شده است.
• جستجو برای نشانه‌هایی از زندگی منقرض شده و یا موجود
• آنالیز خاک و سنگ‌ها در سطح و زیر سطح مریخ
• مشخص کردن ساختار شیمیایی، کانی شناسی و منشا سطح
• مشخصه یابی آب و توزیع ژئوشیمیایی به عنوان تابعی از عمق در زیر سطح

در ادامه نیز برخی از جنبه‌های کلیدی عملکرد طیف سنج که از نظر علمی قابل توجه هستند را بررسی می‌کنیم.
• توانایی در جمع آوری اثرهای رنگدانه‌های بیولوژی در غلظت‌های پایین
• توانایی آن در تشخیص ancient carbon در سطوح با غلظت کم
• توانایی استفاده از طیف رامان به دست آمده از نمونه‌های حاوی کربن کاهش یافته در تعیین تاریخچه گرمایی مواد
• تشخیص کربن تولید شده در حالت‌های زیستی و غیر زیستی

ماموریت مریخ ناسا ۲۰۲۰

هدف اولیه و اصلی این ماموریت ارزیابی محیط زمین شناسی در مریخ بود. هم چنین قابلیت سکونت سیارات در گذشته و حفظ بالقوه اثرهای زیستی ارزیابی شد. طیف سنجی رامان به عنوان یک ابزار قدرتمند برای مطالعه کانی شناسی در مقیاس‌های کوچک و تشخیص کربن آلی و کاهش یافته شناسایی شده است.

منبع

۱- yun.ir/ijnfu

0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x