Os funcionários da alfândega querem detectar o contrabando. Os médicos querem saber com que rapidez um paciente está metabolizando um medicamento terapêutico. E fornecedores de produtos orgânicos, de suplementos nutricionais ao mel, querem saber que suas matérias-primas são puras. Cada caso exige espectrometria de massa - uma técnica que identifica moléculas com base em sua massa - mas os instrumentos atuais são volumosos, caro, e normalmente se especializam em uma classe de produtos químicos, desencorajando o uso difundido fora de um ambiente de laboratório especializado.
A espectrometria de massa está à altura do desafio, mas é necessária uma tecnologia melhor para fazer instrumentos mais flexíveis. Uma área de pesquisa promissora usa um plasma de descarga luminescente à pressão atmosférica - um gás parcialmente ionizado que pode se tornar estável em temperatura e pressão ambiente - para sondar amostras de espécies elementares e moleculares, e pode levar a análises de espectrometria de massa amigáveis com amplos recursos.
"Idealmente, queremos um sistema que possa detectar tudo, e queremos ser capazes de levar esse sistema a campo para testar materiais no local, "disse Jacob Shelley, um especialista em instrumentos de espectrometria de massa ambiente baseados em plasma que recentemente ingressou no corpo docente do Rensselaer Polytechnic Institute. "Estamos tentando fazer um instrumento mais flexível que nos permita detectar muitas coisas simultaneamente. Esse é o nosso objetivo."
A espectrometria de massa tira proveito da simples verdade de que os átomos de cada elemento, bem como íons e isótopos desses elementos, têm uma massa única. Portanto, moléculas - feitas de átomos, íons, e isótopos - também têm uma massa única. Um espectrômetro de massa usa um campo elétrico ou magnético para medir a massa de uma molécula, produzindo um sinal que pode ser traduzido na identidade da espécie química:a cafeína é 195; difeilamina, um produto químico pulverizado nas maçãs, é 170; a cocaína é 304.
O problema é que os instrumentos atuais só podem processar moléculas que estão no estado gasoso e ionizadas (possuem uma carga positiva ou negativa), o que significa que a maioria das amostras deve ser processada antes de serem introduzidas no espectrômetro de massa para análise. Por enquanto, a espectrometria de massa depende de uma variedade de métodos de processamento demorados que separam e ionizam as moléculas antes da análise. E dependendo do método, amostras como alimentos, farmacêuticos, ou o tecido pode ser destruído durante o processamento.
O maior desafio para um método de processamento generalizado é a química necessária para ionizar a molécula, disse Shelley. A maioria dos métodos desenvolvidos depende de químicas específicas que favorecem a ionização de uma classe de moléculas em detrimento de outra. Shelley está desenvolvendo um método que tira proveito das propriedades e químicas incomuns dos plasmas, que são ricos em íons e elétrons que se movem livremente, e, portanto, altamente interativo. Embora os plasmas mais comumente conhecidos sejam extremamente quentes - quase 10, 000 graus Kelvin, alguns plasmas rivalizam com a temperatura do sol - Shelley está trabalhando com plasmas de descarga luminescente desenvolvidos mais recentemente, que são estáveis à temperatura ambiente e pressão atmosférica.
Em seu laboratório, Shelley demonstra um instrumento experimental tão benigno que pode testar amostras ionizadas na ponta do dedo, e tão versátil que pode detectar espécies desde quantidades relativamente pequenas de metais até grandes biomoléculas lábeis, como peptídeos e proteínas. No desenvolvimento da tecnologia, O grupo de pesquisa de Shelley usou o instrumento para detectar mel falsificado, para quantificar toxinas prejudiciais na proliferação de algas de água doce, e para selecionar as matérias-primas utilizadas em suplementos nutricionais.
"O plasma é útil como fonte de ionização porque disponibiliza uma grande variedade de produtos químicos, "disse Shelley." Pode tornar possível ionizar uma ampla classe de moléculas, o que poderia levar a instrumentos mais generalizados. "
