文|創(chuàng)瞰巴黎
導(dǎo)讀
用于行星探測(cè)的小型質(zhì)譜儀尚未開發(fā)出分析肽、蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)分子的功能，在太空探測(cè)中，對(duì)生命體的探測(cè)存在缺陷。美國(guó)馬里蘭大學(xué)開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀”，有望為未來的天體生物學(xué)探測(cè)提供最全面、最高效的搭載設(shè)備。為什么要開發(fā)這類儀器？該儀器具有怎樣的功能和優(yōu)勢(shì)？
一覽：
- 美國(guó)馬里蘭大學(xué)近日開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀”，可用于識(shí)別太空中的有機(jī)分子，尋找外星生命。
- 該儀器結(jié)合了20世紀(jì)90年代發(fā)明的Orbitrap分析儀和激光解吸質(zhì)譜儀（LDMS）兩項(xiàng)技術(shù)。
- 儀器能檢測(cè)到較大的有機(jī)分子。相比于有機(jī)小分子，大分子更能證明生命的存在。
- 儀器質(zhì)量輕、體積小、能耗低：尺寸為厘米級(jí)別，重量不到8公斤。
- 新儀器的問世具有開創(chuàng)性意義，將成為其他儀器的先驅(qū)，大力促進(jìn)天體生物學(xué)和天體地質(zhì)化學(xué)的未來研究。
近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)副教授Ricardo Arévalo的課題組成功開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀”，可檢測(cè)和識(shí)別復(fù)雜有機(jī)分子，探測(cè)太陽(yáng)系其他行星和衛(wèi)星上是否存在生命。Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀比過往同類設(shè)備小了許多，也輕了不少，很適合搭載在太空探測(cè)器上，如美國(guó)國(guó)家航空航天局的阿爾忒彌斯登月項(xiàng)目飛行器和土衛(wèi)二繞落器上。
在太陽(yáng)系尋找外星生命，吸引著一代代科學(xué)家不懈努力。未來幾十年即將開展的航天計(jì)劃中均含有此項(xiàng)任務(wù), 如土衛(wèi)二、木衛(wèi)二探測(cè)計(jì)劃。這些衛(wèi)星的巨大地下海洋中可能蘊(yùn)藏著生命體。執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備不僅要能檢測(cè)出簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，還要能識(shí)辨別生物標(biāo)志，如微生物分泌的蛋白質(zhì)、產(chǎn)生的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)等。
01 激光技術(shù)+光譜儀技術(shù)
用于行星探測(cè)的小型質(zhì)譜儀存在已久，可以追溯到20世紀(jì)70年代的阿波羅15號(hào)任務(wù)。這些儀器的主要功能是外太空生命探測(cè)和天體生物學(xué)研究，已探測(cè)識(shí)別出火星地表下、土衛(wèi)二的噴射羽流和土衛(wèi)六大氣層中的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)。然而到目前為止，能分析肽、蛋白質(zhì)等復(fù)雜非揮發(fā)性有機(jī)分子的質(zhì)譜儀尚未用于太空探測(cè)中。
“相比于有機(jī)小分子，蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)大分子更有可能由生命體或生命活動(dòng)產(chǎn)生?！?/p>
激光解吸質(zhì)譜儀（LDMS）有望肩負(fù)起歷史使命。LDSM使用聚焦的紫外線激光束解吸、電離有機(jī)分子，使其化學(xué)成分能夠根據(jù)質(zhì)荷比來確定。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，激光可以聚焦在樣品表面的一個(gè)小點(diǎn)上，準(zhǔn)確地表征顆粒、灰塵顆粒和其他微米級(jí)結(jié)構(gòu)。用激光束掃描樣品表面，就能繪制出樣品的“化學(xué)組成圖譜”。LDMS還能最大限度減少儀器和樣本之間的接觸，降低了樣本污染的風(fēng)險(xiǎn)——這在天體生物學(xué)研究中尤其重要。
Arévalo團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀結(jié)合了LDMS與Orbitrap分析儀技術(shù)。Orbitrap分析儀是Alexander Makarov（課題組前成員，現(xiàn)就職于德國(guó)賽默飛世爾科學(xué)公司）在20世紀(jì)90年代發(fā)明的質(zhì)譜儀。運(yùn)行時(shí)，樣品中解吸的離子被輸送到質(zhì)譜儀中，質(zhì)譜儀將離子捕獲到電極周圍的軌道上，由此可以跟蹤離子的運(yùn)動(dòng)，并通過數(shù)據(jù)分析確定離子的質(zhì)量，最終用質(zhì)量推算出樣品中有機(jī)成分的分子式。
02 檢測(cè)復(fù)雜有機(jī)大分子
Arévalo解釋道：“我們的儀器集成了脈沖紫外線激光系統(tǒng)和分析儀，前者可以有效地‘轟擊’材料，后者可以根據(jù)質(zhì)量從樣品中分離化學(xué)物質(zhì)?！眱蓚€(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更大、更復(fù)雜的有機(jī)分子的檢測(cè)和明確識(shí)別。后者尤其重要，因?yàn)閺?fù)雜有機(jī)大分子是生命存在的有力證據(jù)?！鞍被岬容^小的有機(jī)化合物不足以證明生命存在，所以有機(jī)大分子的檢測(cè)十分關(guān)鍵?！?/p>
Arévalo詳細(xì)介紹道：“氨基酸可以通過非生物方式產(chǎn)生。隕石撞擊行星或衛(wèi)星表面，會(huì)沾上有機(jī)物質(zhì)，有些隕石上攜帶了不少氨基酸分子。蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)大分子則更有可能是由生命體或生命活動(dòng)產(chǎn)生的?！?/p>
由于LDMS和Orbitrap兩種技術(shù)都相當(dāng)成熟，Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀最大限度地減少了質(zhì)量、體積和能耗：重量不到8公斤（相比之下，實(shí)驗(yàn)室同等儀器的重量約為180公斤），尺寸僅為厘米級(jí)，但能達(dá)到超高質(zhì)量分辨率，不亞于體積更大的商用設(shè)備，有能力檢測(cè)出木衛(wèi)二和土衛(wèi)二地表下可能存在的生物特征分子濃度。
03 助力天體生物學(xué)
Arévalo希望在未來幾年內(nèi)將Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜儀送入太空，用于行星目標(biāo)探測(cè)。在他看來，未來必將有更多基于LDMS和Orbitrap的設(shè)備，而他的課題組的開發(fā)成果算得上是“先驅(qū)”，有望顯著改善當(dāng)前行星表面地質(zhì)化學(xué)、天體生物學(xué)研究手段。
“我們的儀器能測(cè)出生命體廣泛的物理和化學(xué)特征，含有微生物群落化石的地層分層、生物化合物產(chǎn)生的礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、核苷酸[DNA成分]和脂質(zhì)[細(xì)胞膜成分]等有機(jī)化合物都能識(shí)別?！?/p>
“我們的儀器能測(cè)出生命體廣泛的物理和化學(xué)特征。”
“Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜的順利開發(fā)，說明儀器技術(shù)已充分成熟，可以用于探索地外行星環(huán)境。它體積小、能效高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適合部署于土衛(wèi)二、木衛(wèi)二環(huán)境中，尋找外星生命的痕跡。儀器的開發(fā)，得益于我校與法國(guó)奧爾良的物理化學(xué)環(huán)境與空間實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)賽默飛世爾科學(xué)公司的國(guó)際合作。許多青年學(xué)者為項(xiàng)目做出了重大貢獻(xiàn)，我為他們感到無比驕傲?！?/p>
未來，課題組將研究如何將其他更先進(jìn)儀器的功能結(jié)合到Orbitrap-激光解吸質(zhì)譜上，例如目前在火星表面使用的儀器技術(shù)。Arévalo說：“我們將憑借這些努力為未來的天體生物學(xué)探測(cè)任務(wù)打造最全面、最高效的搭載設(shè)備?！?/p>