文|創(chuàng)瞰巴黎
導讀
用于行星探測的小型質譜儀尚未開發(fā)出分析肽、蛋白質等復雜有機分子的功能，在太空探測中，對生命體的探測存在缺陷。美國馬里蘭大學開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質譜儀”，有望為未來的天體生物學探測提供最全面、最高效的搭載設備。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？
一覽：
- 美國馬里蘭大學近日開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質譜儀”，可用于識別太空中的有機分子，尋找外星生命。
- 該儀器結合了20世紀90年代發(fā)明的Orbitrap分析儀和激光解吸質譜儀（LDMS）兩項技術。
- 儀器能檢測到較大的有機分子。相比于有機小分子，大分子更能證明生命的存在。
- 儀器質量輕、體積小、能耗低：尺寸為厘米級別，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，大力促進天體生物學和天體地質化學的未來研究。
近日，美國馬里蘭大學副教授Ricardo Arévalo的課題組成功開發(fā)了小型“Orbitrap-激光解吸質譜儀”，可檢測和識別復雜有機分子，探測太陽系其他行星和衛(wèi)星上是否存在生命。Orbitrap-激光解吸質譜儀比過往同類設備小了許多，也輕了不少，很適合搭載在太空探測器上，如美國國家航空航天局的阿爾忒彌斯登月項目飛行器和土衛(wèi)二繞落器上。
在太陽系尋找外星生命，吸引著一代代科學家不懈努力。未來幾十年即將開展的航天計劃中均含有此項任務, 如土衛(wèi)二、木衛(wèi)二探測計劃。這些衛(wèi)星的巨大地下海洋中可能蘊藏著生命體。執(zhí)行任務的設備不僅要能檢測出簡單的有機分子，還要能識辨別生物標志，如微生物分泌的蛋白質、產(chǎn)生的復雜生物結構等。
01 激光技術+光譜儀技術
用于行星探測的小型質譜儀存在已久，可以追溯到20世紀70年代的阿波羅15號任務。這些儀器的主要功能是外太空生命探測和天體生物學研究，已探測識別出火星地表下、土衛(wèi)二的噴射羽流和土衛(wèi)六大氣層中的揮發(fā)性有機物質。然而到目前為止，能分析肽、蛋白質等復雜非揮發(fā)性有機分子的質譜儀尚未用于太空探測中。
“相比于有機小分子，蛋白質等復雜有機大分子更有可能由生命體或生命活動產(chǎn)生。”
激光解吸質譜儀（LDMS）有望肩負起歷史使命。LDSM使用聚焦的紫外線激光束解吸、電離有機分子，使其化學成分能夠根據(jù)質荷比來確定。此技術的優(yōu)點在于，激光可以聚焦在樣品表面的一個小點上，準確地表征顆粒、灰塵顆粒和其他微米級結構。用激光束掃描樣品表面，就能繪制出樣品的“化學組成圖譜”。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險——這在天體生物學研究中尤其重要。
Arévalo團隊開發(fā)的Orbitrap-激光解吸質譜儀結合了LDMS與Orbitrap分析儀技術。Orbitrap分析儀是Alexander Makarov（課題組前成員，現(xiàn)就職于德國賽默飛世爾科學公司）在20世紀90年代發(fā)明的質譜儀。運行時，樣品中解吸的離子被輸送到質譜儀中，質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動，并通過數(shù)據(jù)分析確定離子的質量，最終用質量推算出樣品中有機成分的分子式。
02 檢測復雜有機大分子
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)質量從樣品中分離化學物質?！眱蓚€子系統(tǒng)的協(xié)同，實現(xiàn)了對更大、更復雜的有機分子的檢測和明確識別。后者尤其重要，因為復雜有機大分子是生命存在的有力證據(jù)?！鞍被岬容^小的有機化合物不足以證明生命存在，所以有機大分子的檢測十分關鍵?！?/p>
Arévalo詳細介紹道：“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，會沾上有機物質，有些隕石上攜帶了不少氨基酸分子。蛋白質等復雜有機大分子則更有可能是由生命體或生命活動產(chǎn)生的。”
由于LDMS和Orbitrap兩種技術都相當成熟，Orbitrap-激光解吸質譜儀最大限度地減少了質量、體積和能耗：重量不到8公斤（相比之下，實驗室同等儀器的重量約為180公斤），尺寸僅為厘米級，但能達到超高質量分辨率，不亞于體積更大的商用設備，有能力檢測出木衛(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
Arévalo希望在未來幾年內將Orbitrap-激光解吸質譜儀送入太空，用于行星目標探測。在他看來，未來必將有更多基于LDMS和Orbitrap的設備，而他的課題組的開發(fā)成果算得上是“先驅”，有望顯著改善當前行星表面地質化學、天體生物學研究手段。
“我們的儀器能測出生命體廣泛的物理和化學特征，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、蛋白質、核苷酸[DNA成分]和脂質[細胞膜成分]等有機化合物都能識別?！?/p>
“我們的儀器能測出生命體廣泛的物理和化學特征?！?/p>
“Orbitrap-激光解吸質譜的順利開發(fā)，說明儀器技術已充分成熟，可以用于探索地外行星環(huán)境。它體積小、能效高、結構堅固，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)，得益于我校與法國奧爾良的物理化學環(huán)境與空間實驗室、德國賽默飛世爾科學公司的國際合作。許多青年學者為項目做出了重大貢獻，我為他們感到無比驕傲。”
未來，課題組將研究如何將其他更先進儀器的功能結合到Orbitrap-激光解吸質譜上，例如目前在火星表面使用的儀器技術。Arévalo說：“我們將憑借這些努力為未來的天體生物學探測任務打造最全面、最高效的搭載設備。”