月球撞击观测与传感卫星（LCROSS）任务在月球卡贝乌斯（Cabeus）陨石坑的一个永久阴影区域（PSR）内检测到了H2O、CO2、CH3OH、H2S、NH3及其他重要挥发物[1]。这些LCROSS观测结果为分析从PSR收集的样品中的气体提供了依据[2]，这也是NASA阿尔忒弥斯计划（Artemis Campaign）的最终目标之一。LCROSS观测到的最丰富的挥发物是H2O，平均含量为5.6±2.9 wt.%（1σ）。这一H2O含量远高于阿波罗和嫦娥5号任务返回的阳光照射月球风化层样品中的含量，后者通常H2O含量低于500 ppm[3],[4],[5],[6],[7]。月球勘测轨道器（LRO）的Diviner温度测量表明，在月球南极地区的许多区域存在足够低的温度（<100K），可以保存水冰，这些区域的H2O含量可能与LCROSS测得的结果相似或更高[8]。在月球玻璃和岩浆矿物[9],[10],[11],[12],[13]以及月球PSRs[1],[8]中发现的H2O，促使人们重新评估了水在太阳系中的起源及其现今可能存在的地方[19],[20],[21]。对返回的月球样品中挥发物的定量对于理解月球上外源性和内源性挥发物的历史及其在月球物理化学演化中的作用（包括其表面和内部[9],[22],[23]）具有重要意义。然而，为了利用返回的样品来了解其母体的挥发物历史，必须以一种能够保留其挥发物历史的方式收集、储存、运输、管理和处理这些样品。对于阿波罗任务返回的样品，它们在阿波罗原始样品实验室（Apollo Pristine Sample Lab）中得到了原始条件的保存，这使得在样品返回地球40多年后仍能发现其中的水[22]。对于最终将从PSR返回样品的阿尔忒弥斯任务而言，保持样品的挥发物历史的挑战将更大，因为样品需要从采集点到地球实验室的分析点始终保持较低的温度（50–100K），并且所有中间步骤都必须如此。先进样品管理领域正在为管理、处理、初步检查和分配来自月球PSRs的样品做好准备[7],[24]。
通过独立分析系统检测、精确定量和保存返回的外星样品中的挥发物是先进样品管理研究中的热点[24],[25]。在这里，我们评估了气相IR光谱学作为侦察工具的效用，用于在阿尔忒弥斯或其他旨在返回冷冰质样品的任务的初步检查阶段，对来自返回的冰质风化层材料的挥发物进行表征。这种对冰质天体物质的初步检查可能涉及多种互补的分析方法，包括光谱数据、照片以及其他仪器技术（参见[24]了解初步检查所涉及的步骤）。虽然样品处理链的具体细节尚未确定，但在样品保存、运输或管理活动中可能存在多次进行气体分析的机会，无论是从连接在洁净室中的残余气体瓶中取样，还是在长时间密封或运输过程中持续监测，或者在科学分配前立即分析，或在其他尚未开发的取样框架中进行分析[24]。这种持续监测还可以用来追踪挥发物成分的时间变化，实时识别潜在的污染事件，帮助区分地球污染物和天然挥发物。
气相IR光谱学是一种强大的工具，可用于识别天体物质中存在的红外活性异核挥发物[26],[27]。通常，基于实验室的气相IR光谱测量是在配备有FTIR（傅里叶变换红外）光谱仪的分析系统中进行的，该光谱仪使用1或10厘米长的气体池。然而，对于低浓度（百万分之一[ppm]到十亿分之一[ppb]）的气体样品，需要进一步延长光程长度，这可以通过将长路径气体池连接到现有的FTIR光谱仪模块上来实现。长路径气体池允许光线在两个主镜之间来回传播，从而形成长达16米的光程，通常被称为多路径气体池[25],[28]。正如Stallard等人[29]所报告的，与长路径池耦合的FTIR光谱仪可以在相当低成本的设备方案下，以低至10 ppb的检测限检测到N2、HCl和HBr中的微量水。
我们目前用于在真空条件下分析从富含水的月球风化层模拟样品中释放的水蒸气的方法灵感来源于早期关于超高真空（10-9 mbar）气体提取装置的报告，这些装置是阿波罗下一代样品分析（ANGSA）计划的一部分[30],[31]。该装置证明了高真空气体提取可以用于分析风化层样品中的挥发物含量。作为这种装置的简化版本，我们建立了一个气体提取系统，包括一个加热的长光学路径气体池（高度15英寸，直径6英寸，体积约3.5升，温度约54°C），当抽至约40 mTorr（或更低）时，该气体池可作为静态泵，并与真空泵隔离。我们的气体分析技术结合了真空诱导的挥发物/气体提取系统，旨在主要通过施加高真空来提取颗粒状固体或多孔材料中的水分，而不会过度加热，从而避免不必要的改变风化层的岩石部分[32]。使用具有约0.5 cm–1仪器光谱分辨率的FTIR光谱仪，并结合长路径气体池，我们的系统能够以足够的准确性和精度量化风化层模拟物中的水分含量，作为初步检查工具，用于表征返回样品初始目录中来自冰质风化层的水分含量。
