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2014-05-01火星上好奇的SAM展功夫
533 期
Author 作者
高憲章／任職淡江大學化學系。
火星能住人嗎？火星有生命存在嗎？火星有水存在嗎？美國航太總署在2011年將耗資25億美元打造的好奇號送上火星，酬載著各種精密儀器，已可確認火星存在著碳、氫、氧、磷與硫等重要的元素與化合物。能完成這些任務，就靠著各種儀器；在好奇號上的眾多儀器之中，有一組專門負責採取及分析樣品的設備，被航太總署的工程人員暱稱為好奇號的鼻子，它就是「火星樣本採集分析器」（sample analysis at Mars, SAM），是一個完整化學實驗室的縮影。
神通廣大的好奇鼻子：SAM
搭載在好奇號上的SAM，是目前研究火星大氣與地表最精密的儀器，它可以直接自火星大氣中採樣、從火星土表中採集，將岩石樣本磨碎加熱，甚至是以化學方式處理樣本，再送入儀器進行分析。SAM能精確分析出樣品中極微量的成份及其同位素的比例，提供給我們由化學的角度看到的火星過去及目前的狀況。
SAM包含了一組樣品處理設備與三套化學儀器，整組裝置大約四十公斤。
樣品處理系統包含了74個樣品槽，用以裝載與處理樣品，其中59個石英樣品槽可搭配加熱裝置，把固態的樣品加溫到趕走附著在上頭的氣體，另有9個杯子是密封的，裝載化學溶劑以進行低溫化學實驗，找尋特定的有機聚合物，其他的杯子則裝了用來校正儀器的標準品。整個裝置還有真空管線、輸送氣體的儲存槽與調節閥、壓力計、化學洗劑、可加溫到約一千度的烘箱，以及每分鐘可運轉超過十萬週期的泵浦來傳送各種樣品（圖一）。
圖一：火星樣本採集分析器SAM，其中SSIT為固態樣品處理器。
（圖片來源：NASA）
三套化學儀器分別是四極質譜儀（quadrupole mass spectrometer, QMS）、六管柱的氣相層析儀（gas chromatograph, GC），還有一套可調式雷射光譜儀（tunable laser spectrometer, TLS），這三套儀器分別與樣品處理系統相連結，每種樣品可能被這三套儀器的任何一套或是全部進行分析。
分離化合物的不二法門 :氣相層析儀
要分離與確認混合物的成分，層析法一直是化學實驗室裡重要的技術。層析法是1903年俄羅斯科學家茨維特（Mikhail Semenovich Tswett, 1872~1919）發明，經過英國化學家馬丁（Archer John Porter Martin, 1910~2002）在液相–液相層析和濾紙層析法的發展，更在1950年發明了氣相– 液相層析儀，傑出的貢獻也讓馬丁獲頒1952諾貝爾化學獎。演進至今，各種層析儀已經是實驗室中分離樣品時必備的儀器。
氣相層析儀是將樣品氣化後再進行分離的一種儀器，它看起來像個大烘箱，這個烘箱提供儀器操作需要的溫度，打開烘箱內最先映入眼簾的就是那盤繞成一圈一圈的管柱，目前是以石英毛細管管柱為主流，在這些毛細管的內壁塗佈了一層極薄的液態材料，這些材料會與樣品產生作用力，依據液態材料的不同，可以分離各種不同的樣品，而管柱的粗細長短都與分離的效果相關（圖二）。
圖二：GC構造圖。
當樣品汽化後，被氣體帶著送入管柱，氣體推著樣品往前，但是管柱內壁上的液態材料卻會把樣品吸附留住，且因樣品中不同的成分會受到不同大小的作用力，使得不同的分子在管柱中駐留的時間就出現差異，因此不同的成分依時間先後一個個的離開管柱，就能夠被分離開來。
在氣相層析儀中，由於樣品先汽化再以氣體推動進行分析，因此分析物的汽化程度、各種溫度下的移動速度都對分析的結果影響甚巨，溫度設定得越高，樣品會跑得越快，管柱對樣品的作用時間就會縮短，有時會降低分離效率。
當樣品分離之後，氣相層析儀最常使用的偵測器之一是熱傳導偵測器（thermal conductivity detector, TCD），它是利用氣體的導熱係數改變來偵測樣品。若需要更高的解析度，可以與質譜儀串聯，兼顧層析的分離效果以及質譜精密定性、定量的特性，分析各種成份。
搭載在SAM上的氣相層析儀，使用氦氣來推動樣品前進，有六隻不同特性的管柱可以使用，這六隻管柱分別負責處理一到四個碳（C1-C5）的小分子、五到十五個碳（C5-C15）的有機物、大於十五個碳（>C15）的有機物、含氮化合物、含硫化合物以及掌性異構物（chiral isomers）等不同的功能，使用TCD做為偵測器，或與四極質譜儀進行串聯，偵測的極限提高到10-11莫耳。
鑑定化合物的超強儀器：質譜儀
質譜儀（mass spectrometer）在1913年由英國物理學家湯木生（Joseph John Thomson 1856~1940；1913 諾貝爾物理獎得主）發明，數十年來科學家們提出了各種新穎設計，增強質譜儀的功能。約翰芬恩（J. B. Fenn）與田中耕一（Koichi Tanaka, 1959~）在2002年因提出了新的樣品游離化方法：電灑游離法（electo-spray ionization, ESI）及介質輔助雷射脫附游離法（matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI）而得到諾貝爾化學獎，這兩種游離法使得質譜的應用與設計有了突飛猛進的發展，目前，質譜儀已經變成科學鑑定上最重要的儀器之一。
湯木生在進行分析陽極射線的成分時，讓氖的離子經過有電場與磁場的區域，然後用顯像板測量離子軌跡，結果找到兩條拋物線的離子飛行軌跡，因此得知氖氣是由不同質量的原子（也就是同位素Ne20與Ne22）所組成的結論。他利用這個現象，設計出質譜儀，可以分離不同質量的離子。
質譜儀測量的是必須帶電荷的離子，負責游離化樣品的離子源是質譜儀的重要部分。對氣體或可蒸發的樣品，常用的是利用電子束撞擊樣品氣體分子的電子游離法（electron ionization），若為巨分子或不穩定分子，則必需另謀對策。有兩種游離化方式非常適合用在這些樣品上，其一為介質輔助雷射脫附游離法，先將固態的化合物與基質均勻混合，再利用脈衝雷射激發此化合物– 基質混合物，使基質脫附時失去質子而帶電，且與分析物亦一起被脫附游離；另一個為電灑游離法，在毛細管出口端施以高電壓，利用電場使噴出的溶液帶電，因溶劑蒸發液滴表面的電荷互斥而不斷爆裂成更小的帶電液珠，最後成為化合物離子的方法，這兩種游離化方式非常適合用在固態和液態樣品上。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第533期】