地外樣品中的有機(jī)質(zhì)研究對(duì)揭示生命起源、探索太陽系前生命分子的形成與演化機(jī)制具有重要意義。日本隼鳥2號(hào)（龍宮小行星）與NASA冥王號(hào)（貝努小行星）任務(wù)均發(fā)現(xiàn)返回樣品中存在復(fù)雜有機(jī)質(zhì)。我國部署的天問二號(hào)與天問三號(hào)深空探測(cè)任務(wù)，將實(shí)現(xiàn)小行星和火星樣品的采集返回，其有機(jī)質(zhì)分析更是實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的核心挑戰(zhàn)。
當(dāng)前針對(duì)龍宮等小行星樣品的有機(jī)質(zhì)研究主要采用兩種技術(shù)路徑：其一基于紅外光譜、拉曼光譜等實(shí)現(xiàn)官能團(tuán)的原位表征；其二通過質(zhì)譜技術(shù)檢測(cè)羧酸、氨基酸等可溶有機(jī)分子。然而，傳統(tǒng)分析方法存在顯著局限：光譜技術(shù)難以獲取分子級(jí)結(jié)構(gòu)信息，而常規(guī)質(zhì)譜測(cè)試依賴溶劑提取過程，既破壞有機(jī)質(zhì)原始賦存狀態(tài)，又增加地球污染風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，全面揭示地外有機(jī)質(zhì)的形成演化規(guī)律需要整合賦存狀態(tài)（與礦物基質(zhì)的空間關(guān)系）、元素組成、分子結(jié)構(gòu)及同位素特征等多維信息。面對(duì)樣品量稀缺（毫克級(jí)）、有機(jī)質(zhì)含量低（ppm級(jí)）且賦存形態(tài)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有單一分析技術(shù)已顯現(xiàn)局限性，亟需發(fā)展多模態(tài)聯(lián)用策略以避免“管窺蠡測(cè)”式分析。
圖1?多模態(tài)成像技術(shù)整合示意圖
針對(duì)此分析技術(shù)難題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生董明潭，在納米離子探針實(shí)驗(yàn)室（IGGCAS-NanoSIMS lab）郝佳龍高級(jí)工程師和楊蔚研究員聯(lián)合指導(dǎo)下，開發(fā)了一種跨尺度多模態(tài)成像技術(shù)，創(chuàng)新性地將振動(dòng)光譜成像與質(zhì)譜成像技術(shù)相融合，系統(tǒng)解決了無污染大面積樣品制備、多模態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、交叉污染控制及復(fù)雜基質(zhì)效應(yīng)校正等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)集成了納米離子探針（NanoSIMS）、掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）、焦平面陣列傅里葉變換紅外光譜（FPA-FTIR）、光學(xué)光熱紅外光譜（O-PTIR）、解吸電噴霧電離四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜（DESI-Q-TOF）、及飛行時(shí)間二次離子探針（TOF-SIMS）等六種互補(bǔ)性成像技術(shù)（圖1）。他們將該技術(shù)體系應(yīng)用于經(jīng)典碳質(zhì)球粒隕石Murchison，成功實(shí)現(xiàn)特定微區(qū)（~100 μm2）內(nèi)礦物相組成、官能團(tuán)分布、分子組成及同位素特征的全息解析，首次構(gòu)建了空間分辨的有機(jī)-無機(jī)多維關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
圖2 Murchison隕石的解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（DESI-MSI）。(a)總離子強(qiáng)度圖；(b)歸一化總離子強(qiáng)度圖；(c)?空間分辨率測(cè)量；(d - f) UMAP空間分割結(jié)果與層次聚類結(jié)果；(g)?碳酸鈣礦物（紅色）與其有機(jī)分子分布
該多模態(tài)成像成功構(gòu)建了有機(jī)質(zhì)-礦物空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。通過DESI-MSI，首次在Murchison隕石中觀察到可溶性有機(jī)分子與含水層狀硅酸鹽礦物之間的空間相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)球粒細(xì)粒邊緣（FGRs）中有機(jī)分子的富集以及碳酸鈣礦物和層狀硅酸鹽礦物中有機(jī)分子組成的差異；通過結(jié)合紅外光譜、TOF-SIMS和NanoSIMS成像，在微米-亞微米分辨率下進(jìn)一步揭示了有機(jī)分子官能團(tuán)、成分、同位素（FGRs）在球粒細(xì)粒邊緣與球粒間基質(zhì)中的差異。為理解太陽系早期有機(jī)分子合成路徑和機(jī)理提供了全新視角。
該多模態(tài)成像平臺(tái)，突破了單一分析技術(shù)的“信息孤島”困境，為解析地外有機(jī)質(zhì)的形成演化提供了新的方法論框架。此外，此技術(shù)在油氣勘探、古生物學(xué)及考古學(xué)等領(lǐng)域同樣存在廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)成果近期作為封面論文發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊AC(董明潭，楊蔚，郝佳龍*，賈曉飛，楊歐，Michael K. F. Lo，曹波波，胡森，林楊挺. Cross-Scale Multimodal Imaging for Organic Matter in Extraterrestrial Samples.?Analytical Chemistry, 2025?97?(15), 8258-8267. DOI:?10.1021/acs.analchem.4c05804.）。研究得到國家自然科學(xué)基金（42241102, 42241103和42173036）項(xiàng)目共同資助。?
相關(guān)研究在Analytical Chemistry發(fā)表封面論文
董明潭（博士生）