В Калифорнийском технологическом институте разработали компактный прибор для поиска жизни на Марсе, который может работать от бортовой батареи. При помощи электрофореза и спектроскопического анализа он будет искать в образцах почвы следы органических кислот. Прототип устройства испытали в чилийской пустыне, в условиях, приближенных к предполагаемым условиям работы марсианских станций. В автоматическом режиме роботу-вездеходу удалось обнаружить в собранных образцах почвы несколько аминокислот и определить их концентрации.
Портативный автоматический прибор объединяет электроаналитический и спектроскопический метод лазерно-стимулированной флуоресценции для поиска признаков жизни в марсианском грунте по органическим кислотам. Электроаналитический метод на принципе электрофореза используется для разделения крупных органических молекул, в том числе биологических. Для этого в устройстве предусмотрено два микрочипа (пластинки размером около 10 см, которые представляют собой миниатюрные «экспериментальные установки» по обработке образцов). Один из них предварительно обрабатывает и маркирует смешанный с водой образец грунта, а второй — разделяет в нём химические соединения под действием электрического поля (электрофорез). Затем система лазерно-стимулированной флуоресценции (LIF) проверяет, могут ли быть какие-то из этих соединений связаны с живыми организмами (определяет аминокислоты в образце). Метод LIF предполагает лазерное возбуждение атомов вещества и фиксацию дальнейшей их флуоресценции на фотодетекторе. Рабочие узлы устройства смонтированы в виде компактного прибора — портативного химического анализатора, который авторы называют Chemical Laptop в виде ящика весом 7 кг и размерами 12×25×38 см со своим аккумулятором. Эта коробка размером с ноутбук устанавливается на дистанционно управляемый вездеход (как предполагается — на один из будущих марсоходов) и интегрируется с другими его узлами, в частности, с буровым приспособлением и системой подготовки и подачи грунтовых проб. Подробнее о разработке и её полевых испытаниях можно почитать в статье 2020 года в журнале Analytical Chemistry.
Электрофорез используется для разделения молекул различных соединений под действием электрического поля. Частицы вещества перемещаются в некоторой среде — жидкой или газообразной, к которой приложено внешнее электрическое поле. В этих условиях частицы имеют различную подвижность (разный коэффициент диффузии в среде, зависящий от множества факторов, включая размер молекул и распределение заряда в них), и их поэтому на пути движения можно разделить. В капиллярном электрофорезе используется движение по заполненному электролитом капилляру; разделяемые вещества с разной скоростью движутся к концу капилляра и детектируются тем или иным способом на его выходе. Часто для этого используются оптические свойства вещества — способность поглощать видимый или ультрафиолетовый свет или люминесцентные свойства. Вещество определяется по времени прохождения пути в капилляре и моменту подхода к анализатору (время миграции), а его концентрация — по высоте соответствующего пика сигнала, как на примерах электрофореграмм ниже. Капиллярный электрофорез с 1960-х годов используется в молекулярной биохимии как метод разделения на фракции смеси белков и других органических макромолекул.
«Микрочипный электрофорез» (microchip electrophoresis, MCE) — это развитие методов капиллярного электрофореза с разработкой компактных микросистем полного анализа, или, иначе, «лаборатории на чипе» (lab-on-a-chip) — небольших устройств, которые в автоматическом или полуавтоматическом режиме могут провести весь цикл анализа вещества от первичной обработки и подготовки образцов до выдачи результата. Технологические циклы для таких компактных лабораторий разрабатываются с начала 1990-х годов. Методика LIF лазерно-стимулированной флуоресценции, как и в предложенном «марсианском» прототипе — один из распространённых способов детектирования в таких устройствах.
Если марсоход, например, запущенный летом 2020 года Perseverance, когда-либо обнаружит на Марсе признаки жизни, вероятно, они будут в форме выделенных из грунта органических соединений. В предыдущих марсианских миссиях обычно анализировали образцы грунта при помощи газовой хроматографии — метода разделения смесей химических веществ, в основе которого лежит испарение образца в среду с подвижной газовой струёй. Как и электрофорез, это кинетический метод, использующий разное распределение различных молекул между фазами (в газовой среде и на неподвижной подложке) и как следствие — разную их скорость дрейфа в движущейся среде. После разделения веществ используется масс-спектрометрии — определение химического состава вещества по спектру. Однако такие подходы не могут специально выделить органические кислоты, особенно если в образце также присутствуют соли, минералы или вода.
Микрочипный электрофорез в сочетании с лазерной флуоресценцией (ME-LIF) для анализа выглядит как почти идеальное решение задачи. Но существующие инструменты работают только с частичной автоматизацией, поэтому для работы на других небесных телах они не годятся. Заслуга разработчиков «марсианского» прибора в данном случае — они смогли адаптировать уже разработанную технологию для автономных и автоматизированных операций, которые можно выполнять с робота-марсохода: инструмент ME-LIF с питанием от батареи может провести весь технологический цикл анализа — приём образцов от пробоотборника, их подготовку и маркировку, разделение и наконец определение органических кислот.
Прототип устройства испытали в чилийской высокогорной пустыне Атакама в условиях, моделирующих условия миссии на Марсе — на участке пустыни (район Юнгай), считающемся самым сухим регионом на Земле. В этом месте дождей может не быть на протяжении сотен лет, и гипераридные условия здесь сохранялись по меньшей мере 150 миллионов лет. Район служит испытательным полигоном для инструментов, связанных с поиском биосигнатур на Марсе, в частности, здесь испытывали анализаторы образцов для марсохода Curiosity и российско-европейского проекта ExoMars.
Прибор установили на вездеход с дистанционным управлением (модель K-REX2, разработка NASA для проекта ARADS — Atacama Rover Astrobiology Drilling Studies). Вездеход также оснащён портативным роботизированным буром, как и действующие марсианские станции. В процессе эксперимента он проделал путь в несколько сот метров, и по пути собрал четыре образца почвы с глубин до 80 см. Робот с мини-лабораторией анализировал по одному образцу в день. Однако перед каждым новым циклом испытатели с утра «заряжали» аппарат: вручную устанавливали свежий химический картридж и микрочип для обработки очередного образца, так что о посылке такого устройства на Марс говорить рано.
Аминокислоты были найдены в трёх образцах из четырёх — как раз на участке трассы с более молодыми осадочными отложениями. Удалось также разделить отдельные виды аминокислот (всего обнаружено пять видов — лейцин, валин, серин, аланин и глицин) и определить их концентрации от 1 до 22 частей на миллиард. Чувствительность прибора оказалась на три порядка выше по сравнению с устройствами на марсианских станциях. Эти системы, использующие метод газовой хроматографии с масс-спектрометрией (GC-MS), пока способны определять концентрации, измеряющиеся только частями на миллион (ppm). Но в отличие от уже работающих на Марсе таких устройств, новая разработка пока является только прототипом для реализации в будущих марсианских проектах.
