I funzionari doganali vogliono rilevare il contrabbando. I medici vogliono sapere quanto velocemente un paziente sta metabolizzando un farmaco terapeutico. E fornitori di prodotti biologici, dagli integratori alimentari al miele, vogliono sapere che le loro materie prime sono pure. Ogni caso richiede la spettrometria di massa - una tecnica che identifica le molecole in base alla loro massa - ma gli strumenti attuali sono ingombranti, caro, e tipicamente specializzati in una classe di prodotti chimici, scoraggiare l'uso diffuso al di fuori di un ambiente di laboratorio specializzato.
La spettrometria di massa è all'altezza della sfida, ma è necessaria una tecnologia migliore per realizzare strumenti più flessibili. Un'area di ricerca promettente utilizza un plasma a scarica a bagliore a pressione atmosferica - un gas parzialmente ionizzato che può essere reso stabile a temperatura e pressione ambiente - per sondare campioni per specie elementari e molecolari, e potrebbe portare ad analisi di spettrometria di massa di facile utilizzo con ampie capacità.
"Idealmente vogliamo un sistema in grado di rilevare tutto, e vogliamo essere in grado di portare quel sistema sul campo per testare i materiali sul posto, " disse Jacob Shelley, un esperto in strumenti di spettrometria di massa ambientale a base di plasma che recentemente si è unito alla facoltà del Rensselaer Polytechnic Institute. "Stiamo cercando di creare uno strumento più flessibile che ci consentirà di rilevare molte cose contemporaneamente. Questo è il nostro obiettivo".
La spettrometria di massa sfrutta la semplice verità che gli atomi di ciascun elemento, così come ioni e isotopi di quegli elementi, avere una massa unica. Quindi le molecole – costituite da atomi, ioni, e isotopi – hanno anche una massa unica. Uno spettrometro di massa utilizza un campo elettrico o magnetico per misurare la massa di una molecola, producendo un segnale che può essere tradotto nell'identità della specie chimica:la caffeina è 195; difeilammina, una sostanza chimica spruzzata sulle mele, è 170; la cocaina è 304.
Il problema è che gli strumenti attuali possono elaborare solo molecole che sono allo stato gassoso e ionizzate (possiedono una carica positiva o negativa), il che significa che la maggior parte dei campioni deve essere processata prima di essere introdotta nello spettrometro di massa per l'analisi. Per adesso, la spettrometria di massa si basa su una varietà di metodi di elaborazione che richiedono tempo che separano e ionizzano le molecole prima dell'analisi. E a seconda del metodo, campioni come cibi, prodotti farmaceutici, o il tessuto può essere distrutto durante la lavorazione.
La sfida più grande per un metodo di elaborazione generalizzato è la chimica necessaria per ionizzare la molecola, disse Shelley. La maggior parte dei metodi sviluppati si basa su chimiche specifiche che favoriscono la ionizzazione di una classe di molecole rispetto a un'altra. Shelley sta sviluppando un metodo che sfrutta le proprietà e le caratteristiche chimiche insolite dei plasmi, ricchi di ioni ed elettroni in movimento libero, e quindi altamente interattivo. Sebbene i plasmi più comunemente conosciuti siano estremamente caldi - a quasi 10, 000 gradi Kelvin, alcuni plasmi rivaleggiano con la temperatura del sole - Shelley sta lavorando con plasmi a scarica a bagliore sviluppati più di recente, stabili a temperatura ambiente e pressione atmosferica.
Nel suo laboratorio, Shelley mostra uno strumento sperimentale così benigno da poter testare campioni ionizzati da un dito, e così versatile che può rilevare specie da tracce relativamente piccole di metalli a grandi biomolecole labili come peptidi e proteine. Nello sviluppo della tecnologia, Il gruppo di ricerca di Shelley ha utilizzato lo strumento per rilevare il miele contraffatto, quantificare le tossine nocive nelle fioriture algali d'acqua dolce, e per vagliare le materie prime utilizzate negli integratori alimentari.
"Il plasma è utile come fonte di ionizzazione perché rende disponibile una vasta gamma di sostanze chimiche, " ha detto Shelley. "Può rendere possibile ionizzare un'ampia classe di molecole, che potrebbe portare a strumenti più generalizzati".
