Αναζήτηση βιοϋπογραφών σε εδάφη με φασματοσκοπία εκπομπής πλάσματος επαγόμενου από Λέιζερ (LIBS)

Abstract

Σε προηγούμενη εργασία, μελετήθηκε το φάσμα της μίξης του ορυκτού μοντμοριλλονίτη με τον μύκητα Ulocladium chartarum μέσω ανάλυσης LIBS, με σκοπό τη διάγνωση βιοϋπογραφών. Ωστόσο, διαπιστώθηκε πως η συμμετοχή του ατμοσφαιρικού αέρα κατά την ανάλυση δυσχεραίνει την ερμηνεία των φασμάτων για τη διάγνωση των βιοϋπογραφών, εξαιτίας του ότι ο ατμοσφαιρικός αέρας της Γης περιέχει όλα τα στοιχεία που περιέχονται και στον μύκητα. Στη σύγκριση μικτής φάσης (μοντμοριλλονίτη με Ulocladium chartarum) και καθαρής φάσης (σκέτος μοντμοριλλονίτης) δε διακρίνεται κάποιο αποδεικτικό στοιχείο που να μπορεί να θεωρηθεί χαρακτηριστικό βιοϋπογραφής. Στην παρούσα εργασία, έγινε προσπάθεια της απομάκρυνσης της παρεμβολής του φάσματος του ατμοσφαιρικού αέρα, με τις αναλύσεις να γίνονται σε συνθήκες κοντά σε αυτές του κενού ή με τη χρήση θαλάμου πληρωμένου με αέριο ήλιο, και στη συνέχεια έγινε καταγραφή του φάσματος των δειγμάτων. Η ανάλυση LIBS δοκιμάστηκε με τέσσερεις καθαρές ορυκτές φάσεις (ή εδάφη) σαν μήτρα, οι οποίες αναμίχθηκαν με τον μικροοργανισμό η καθεμιά ξεχωριστά. Aνάλυση επίσης έγινε και του ίδιου του μικροοργανισμού χωρίς την μίξη του με ορυκτή φάση. Οι τρεις πρώτες ορυκτές φάσεις που αναλύθηκαν και η μίξη τους με τον μύκητα μοντμοριλλονίτης, χαλαζίας, και μίμηση αρειανού εδάφους), ήταν διαμορφωμένα δισκία σκόνης με χρήση υδραυλικής πρέσας. Το Ulocladium chartarum ωστόσο, και τα δείγματα με το τέταρτο ορυκτό (αλβίτης) αναλύθηκαν απευθείας σε μορφή χαλαρής σκόνης. Κατά την ακτινοβόληση των δειγμάτων των τριών πρώτων εδαφών, έγινε διοχέτευση ηλίου (99.999 vol.%) με ακροφύσιο στο σημείο της ανάλυσης, ώστε να αφαιρεθεί τοπικά ο ατμοσφαιρικός αέρας, ενώ τα δείγματα του αλβίτη αναλύθηκαν σε συνθήκες κοντά σε αυτές του κενού χρησιμοποιώντας αντλία κενού που αφαιρούσε συνεχώς τον ατμοσφαιρικό αέρα από τον θάλαμο. Το ήλιο (He) είναι ευγενές αέριο, που σημαίνει ότι είναι δύσκολο να συμμετέχει σε χημικές αντιδράσεις (Lide, 2005) ενώ κυρίως αποτρέπει την ύπαρξη ατμοσφαιρικού αέρα στο σημείο της ανάλυσης, και έτσι, το φάσμα που ανακτάται τοπικά δεν περιέχει τις χαρακτηριστικές κορυφές εκπομπής που προέρχονται από τα χημικά στοιχεία της ατμόσφαιρας αλλά μόνο τις γνωστές κορυφές του ηλίου. Στόχος είναι η διάκριση των χημικών στοιχείων που προέρχονται μόνο από τον μικροοργανισμό και την ορυκτή μήτρα και όχι από την ατμόσφαιρα. Η πιθανή ανίχνευση κάποιου τέτοιου διακριτού σήματος μπορεί να θεωρηθεί «βιοϋπογραφή» και η μεθοδολογία να εφαρμοστεί τελικά στην αναζήτηση ζωής στον πλανήτη Άρη.

Past work involved the study of biosignature detection from LIBS spectra acquired from the mineral montmorillonite mixed with the fungus Ulocladium chartarum. The presence of atmospheric air during the analysis was however misleading in the interpretation of the spectra, because the air consists of the same major volatile elements as U. chartarum does (i.e., H, O, N). The comparison of the spectra acquired from the mixed sample, the mineral itself and the fungus alone could not provide any secure evidence. In the present work we removed the background of atmospheric air by performing the analysis either in helium atmosphere or in vacuum, and eventually magnify any possible differences. Using the LIBS technique, we analyzed four different mineral and soil phases (montmorillonite, quartz, Mars simulant and albite), when mixed with the microorganism, but we also analyzed the microorganism alone. The first three mineral samples (montmorillonite, quartz, Mars simulant) were powder pellets that were shaped with the usage of a hydraulic press, while the fungus and the samples of the fourth mineral (albite) were analyzed as lose powder mixtures. The experiment for the first three mineral samples has been made in a vacuum chamber. The chamber was filled with He gas of purity 99.999 vol.% thus the atmospheric air was removed or highly depleted in volume proportions. Helium is a noble gas that is chemically inert under all conditions (Lide, 2005). Thus, the spectrum contains no characteristic radiation originated from the elements of the atmosphere but only those from helium and which can be ignored, with the aim to distinguish the chemical elements originating only from the microorganism. The samples of albite, were analyzed in vacuum using a vacuum pump that continuously removed the atmospheric air from the chamber. Prior to any analyses, we performed background measurements, i.e., with no samples. The goal is the detection of chemical elements that come from the microorganism and the soil, and not from the atmosphere. The possible detection of such signal, can be considered as “biosignature” and the method could eventually be applied on planet mars missions.