Масс-спектрометрия решает эту задачу, но для создания более гибких инструментов необходимы более совершенные технологии. В одной многообещающей области исследований используется плазма тлеющего разряда атмосферного давления — частично ионизированный газ, который может быть стабилизирован при комнатной температуре и давлении — для исследования образцов на предмет элементарных и молекулярных частиц, что может привести к удобному для пользователя масс-спектрометрическому анализу. с широкими возможностями.«В идеале нам нужна одна система, которая может обнаруживать все, и мы хотим иметь возможность использовать эту систему в полевых условиях для тестирования материалов на месте», — сказал Джейкоб Шелли, эксперт по плазменным масс-спектрометрическим приборам, который недавно присоединился к факультету. в Политехническом институте Ренсселера. «Мы пытаемся создать более гибкий инструмент, который позволит нам обнаруживать множество вещей одновременно. Это наша цель».
Масс-спектрометрия использует простую истину о том, что атомы каждого элемента, а также ионы и изотопы этих элементов имеют уникальную массу. Следовательно, молекулы, состоящие из атомов, ионов и изотопов, также имеют уникальную массу.
Масс-спектрометр использует электрическое или магнитное поле для измерения массы молекулы, производя сигнал, который может быть преобразован в идентификацию химического вещества: кофеин — 195; дифеиламин, химическое вещество, распыляемое на яблоки, — 170; кокаин — 304.Загвоздка в том, что современные инструменты могут обрабатывать только молекулы, которые находятся в газовом состоянии и ионизированы (обладают положительным или отрицательным зарядом), что означает, что большинство образцов необходимо обработать, прежде чем они будут введены в масс-спектрометр для анализа. На данный момент масс-спектрометрия основана на различных трудоемких методах обработки, которые разделяют и ионизируют молекулы перед анализом. И в зависимости от метода такие образцы, как продукты питания, фармацевтические препараты или ткани, могут быть уничтожены во время обработки.
По словам Шелли, самой большой проблемой для обобщенного метода обработки является химический состав, необходимый для ионизации молекулы. Большинство разработанных методов основаны на определенных химических свойствах, которые отдают предпочтение ионизации одного класса молекул по сравнению с другим.
Шелли разрабатывает метод, который использует необычные свойства и химический состав плазмы, которая богата свободно движущимися ионами и электронами и, следовательно, очень интерактивна. Хотя наиболее известная плазма чрезвычайно горячая — около 10 000 градусов Кельвина, некоторые плазмы могут соперничать с температурой солнца, — Шелли работает с более недавно разработанной плазмой тлеющего разряда, которая стабильна при комнатной температуре и атмосферном давлении.В своей лаборатории Шелли демонстрирует экспериментальный прибор, настолько безупречный, что он может тестировать образцы, ионизированные кончиком пальца, и настолько универсальный, что может обнаруживать виды от относительно небольших следов металлов до больших лабильных биомолекул, таких как пептиды и белки.
При разработке технологии исследовательская группа Шелли использовала прибор для обнаружения поддельного меда, для количественного определения вредных токсинов в цветении пресноводных водорослей и для проверки сырья, используемого в пищевых добавках.«Плазма полезна в качестве источника ионизации, потому что она делает доступным широкий спектр химических веществ», — сказал Шелли. «Это может сделать возможным ионизацию широкого класса молекул, что может привести к созданию более универсальных инструментов».Шелли является профессором химии Алана Пола Шульца по развитию карьеры на кафедре химии и химической биологии компании Rensselaer. Он получил степень бакалавра химии с дополнительным образованием по математике в Университете Северной Аризоны и докторскую степень по аналитической химии с дополнительным по физической химии в Университете Индианы.
До прихода в Ренсселер он был доцентом Кентского государственного университета.Исследования Шелли основаны на видении Нового политехнического института, формирующейся парадигмы высшего образования, которая признает, что глобальные проблемы и возможности настолько велики, что их не может адекватно решить даже самый талантливый человек, работающий в одиночку. Rensselaer служит перекрестком для сотрудничества — работы с партнерами из разных дисциплин, секторов и географических регионов — для решения сложных глобальных проблем с использованием самых передовых инструментов и технологий, многие из которых разработаны в Rensselaer. Исследования в Rensselaer направлены на решение некоторых из наиболее актуальных мировых технологических проблем — от энергетической безопасности и устойчивого развития до биотехнологий и здоровья человека.
Новый политехнический институт преобразует глобальное влияние исследований, новаторскую педагогику и жизнь студентов в Rensselaer.