星辰大海中的质谱

迄今为止，太空质谱仪的研究和应用已经进行了50多年的研究。太空质谱的工作范围也从电离层扩展大到了外层大气，又到了月球，木星，火星和小行星等深空领域。基于磁扇形，四极杆，离子阱和飞行时间等质量分析器的质谱仪已多次用于太空探索。

太空质谱半个世纪的演变

有趣的是太空质谱的发展过程跟商业质谱的发展过程有惊人的相似，先是磁质谱，然后是四极杆，接着是离子阱，现在是飞行时间质谱，据说轨道阱这类以极高分辨著称的静电阱类质谱也要加入太空质谱的行列，当然超高的真空度要求是最大障碍。

这些质谱优势各异，各有长处，四极杆具有良好的定量能力，对工作真空的要求低，易于实施，重量轻；磁质谱分辨率高，结构简单，稳定性好，广泛用于各种任务，然而体积和重量的减小极大地影响了磁场的强度，所以太空磁质谱的分析性能也大打折扣；离子阱和飞行时间质谱仪在分析大分子成分方面有比较大的优势，随着深空探测的发展，某些生物蛋白质分子也是要探测的目标。

1976年7月20日，美国宇航局NASA发射的人类首个火星探测器维京1号（Viking 1）在火星成功着陆。维京1号在火星待了6年多的时间，收集了第一批火星上的土壤样品。这次火星任务中，在轨道飞行器（orbiter）、着陆器（lander）和隔热罩（aeroshell）上配备了许多科学仪器。质谱也是此次火星任务里使用的仪器之一。着陆器上使用了气相色谱质谱仪，而隔热罩上使用了分析上层大气的质谱仪。

维京1号着落器模型

维京1号上携带了很多科学仪器，包括：

1.成像系统

2.大气环境水汽探测仪

3.红外热像仪

4.气相色谱仪

5.地震仪

6.X射线荧光光谱

7.生物实验室

8.气象仪

9.远程采样臂

10.阻滞势分析器

11.上层大气质谱

维京1号拍摄的火星照片

欧洲空间局(ESA)于2004年3月2日发射了罗塞塔号（Rosetta）彗星探测器，目标是楚留莫夫-格拉希门克彗星（代号67P）。2014年11月13日，由罗塞塔号释放的菲莱（Philae）着陆器成功登陆67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星。2016年9月30日，罗塞塔号撞向67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星，罗塞塔号与地面失去联系，正式结束了长达12年的“追星”之旅。

Rosetta轨道飞行器上使用了双聚焦磁质谱仪（double focusing mass spectrometer, DFMS）和离子阱质谱。

罗塞塔号（Rosetta）轨道飞行器上使用的双聚焦磁质谱

双聚焦磁质谱包含两个尺寸不同的入口狭缝（高分辨率和低分辨率），了解磁质谱的都知道狭缝越窄分辨率越高，灵敏度也越低。同时，这台磁质谱同时使用了三个不同类型的离子检测器，法拉第杯、电子倍增器和微通道板，因此有10个数量级的动态范围。

罗塞塔号（Rosetta）轨道飞行器上使用的双聚焦磁质谱的原理图

罗塞塔号（Rosetta）上使用了离子阱质谱，并采用了基于微阵列的放电源，离子阱是三维离子阱。

罗塞塔号（Rosetta）释放的菲莱（Philae）着陆器上载有10台仪器，总重21公斤。其中的彗星采样和成份探测仪（Cometary Sampling And Composition instrument, COSAC）是一种高分辨率多通道的飞行时间质谱仪 (Time-of-flight Mass Spectrometer, TOFMS) ，其采用了离子反射器的结构减小尺寸、提高分辨，另外还使用了电子轰击源（EI）和电子倍增器。这台飞行时间质谱仪的质量分辨在 2000 (FWHM)左右。

搭载在菲莱（Philae）着陆器上的TOFMS

自先驱者金星计划中使用的轨道器中性质谱（Orbiter Neutral Mass Spectrometer，ONMS）开始，四极杆太空质谱使用的双曲面电极开始越来越长了，目的是为了拓宽质量范围而不损失分辨率。

MOMA（Mars Organic Molecule Analyzer）是欧洲和美国联合设计的一台火星有机分子分析仪，将搭载在ExoMars火星车上。科学家们想要用它分析和识别岩石样本中的有机分析，从而在火星地表和地下寻找现存的生命，或是过去曾有过生命的迹象。MOMA包含了气相色谱、激光解吸装置和线型离子阱质谱。

火星有机分子分析仪MOMA的模型图

火星有机分子分析仪 (MOMA)配备了两种电离源，电子轰击源和小型紫外脉冲激光源。太空质谱的主要科学目标包括测量不同高度的大气成分和正离子，以及着陆在行星表面上以确定局部大气，土壤和岩石的成分。当前研究人员关注的问题在于，如何使质谱仪易于携带和在太空中使用，而又不会降低其性能。另外，尽管已经成功地使用了不同类型的质谱仪，但是随着太空探索的进一步发展，检测的目标也在不断变化。针对不同空间科学目标，选择最适合的质谱类型和配置也非常重要。

在太空探索和太空质谱的研究上，NASA和欧洲航天局都是先驱。进入新世纪以来，中国、日本和印度也都开始积极进行太空探索。太空质谱是目前进行太空探索和寻求外星文明所依赖的主要手段之一。总的来说，经过半个多世纪的发展，用于太空尘埃和等离子的质谱技术似乎已经成熟。有机物的检测开始成为了当前检测的主要目标，气相色谱和质谱的 目前还是这方面的金标准，然而受限于其分析通量和样品种类，类似原位检测的质谱技术也许也会成为星际探测的新宠。

未来随着更多的国家和资本加入到太空探索的队列中，太空质谱的发展也必将进入快速发展的阶段。太空质谱的未来发展可能会以下几个方向：

【1】太空质谱的微型化发展。众所周知太空发射都是按克花钱的，载荷的重量、体积和功耗都是要严格控制的，所以至少目前看来对仪器设备小型化、微型化的要求肯定是没有止境的。而MEMS技术作为一种成熟的加工技术正变得越来越有吸引力，相信未来，MEMS技术必将推动太空质谱的快速发展。但同时，质谱仪器的微型化并不是简单的离子源、质量分析器、检测器这些器件的微型化，更难的地方在于真空系统的微型化和电路模块的微型化。

【2】太空质谱的智能化发展。俗话说，将在外君命有所不受。火星最接近地球的时候，相隔距离也有5500万公里，信号传输需要约30分钟。而未来去探索木卫二或土卫六时，地球发出的信息可能需要5到7个小时才能到达。因此，赋予太空探测器的自主决策能力十分必要，而质谱作为探测器的感官系统之一，时刻都在根据外部环境得到大量的信息，对这些信息进行就地消化和解析，判读下一步的行动，而不在受人的指挥，必定是未来发展的方向。

2021年5月19日国家航天局发布了祝融号火星车前避障相机拍摄到的照片

天文一号探测器和祝融号火星车（模拟图）