Масс-спектрометрия является ключевым аналитическим методом в космохимии, позволяя определять изотопный состав и элементный состав веществ космического происхождения с высокой точностью. Она используется для исследования метеоритов, лунного грунта, космических пылинок и кометного материала, что даёт возможность реконструировать условия формирования Солнечной системы и происхождение химических элементов.
Принцип метода основан на разделении ионов по их массовому числу на основе соотношения массы и заряда (m/z). Источником ионов служат различные образцы, которые подвергаются ионизации с помощью электронного пучка, лазера или индуктивно-связанной плазмы. Ионы затем ускоряются в электрическом поле и проходят через анализатор, где измеряется их отклонение в магнитном или электрическом поле. Результатом является масс-спектр — график интенсивности ионов в зависимости от их массового числа.
1. Магнитные масс-спектрометры (Magnetic Sector Mass Spectrometers) Используются для высокоточной изотопной спектрометрии. Принцип основан на отклонении ионов в магнитном поле, которое зависит от их m/z. Позволяют определять малые отклонения изотопных соотношений, например, для кислорода, углерода, железа и титана, что критично для реконструкции процессов в протопланетном диске.
2. Времяпролетные масс-спектрометры (Time-of-Flight, TOF-MS) Применяются для анализа малых частиц и космических пылевых образцов. Ионы ускоряются до одинаковой кинетической энергии и время их пролета до детектора зависит от массы. Преимущество TOF-MS — высокая скорость анализа и возможность работы с частицами микронного масштаба.
3. Ионные ловушки и квадрупольные масс-спектрометры Используются для локального анализа малых проб и для исследований на бортах космических аппаратов. Квадрупольные фильтры позволяют избирательно пропускать ионы заданного m/z, а ионные ловушки обеспечивают многократное накопление ионов, повышая чувствительность и разрешение спектра.
Ключевое значение масс-спектрометрии в космохимии заключается в возможности измерения изотопных соотношений.
Изотопы кислорода (O-16, O-17, O-18) позволяют выделять метеоритные группы и изучать процессы дифференциации в протопланетном диске. Соотношения изотопов углерода (C-12/C-13) и азота (N-14/N-15) дают информацию о происхождении органических молекул в космосе.
Изотопы железа и никеля применяются для датирования метеоритов с использованием радиоактивного распада (например, ^60Fe → ^60Ni), что позволяет устанавливать хронологию ранней Солнечной системы.
Масс-спектрометрия позволяет различать компоненты метеоритов: хондрулы, металлические вкрапления, силикатные матрицы. Метод используется для изучения редких элементов, таких как платина, родий, осмий, и редкоземельных элементов. Их изотопные аномалии указывают на присутствие нуклеосинтетических компонентов, унаследованных от предшествующих поколений звезд.
Сенсорные методы анализа частиц космической пыли включают сочетание TOF-MS с аэродинамическими фильтрами, что позволяет идентифицировать отдельные частицы с микронными размерами и определять их химический и изотопный состав. Это критично для исследований кометного вещества и межзвёздной пыли, возвращаемой космическими миссиями.
Современные космические миссии, такие как Rosetta, Hayabusa2 и OSIRIS-REx, оснащены миниатюрными масс-спектрометрами для анализа поверхности и пылевых частиц вблизи комет и астероидов.
Принципы работы включают прямую ионизацию частиц с последующим их анализом с помощью TOF-MS или квадрупольных фильтров. Это позволяет проводить изотопный анализ in situ, исключая необходимость возвращения образцов на Землю, и получать данные о составе органических и минеральных компонентов, а также о процессах водного и теплового воздействия на астероидные тела.
Развитие высокоточного масс-спектрометрического анализа направлено на повышение разрешающей способности, чувствительности и миниатюризации приборов для космических миссий. Это позволит более точно определять изотопные аномалии, исследовать органику в межзвёздной среде и проводить сравнительные анализы материалов с разных тел Солнечной системы, что создаёт основу для понимания эволюции химических элементов и происхождения жизни.
Масс-спектрометрия в космохимии остаётся основным инструментом для реконструкции химической истории Солнечной системы, позволяя связывать локальные данные из образцов с глобальными моделями формирования планет и протопланетного диска.