激光探秘：寻找外星生命的新征程
Ricardo Arévalo
美国马里兰大学副教授
用于行星探测的小型质谱仪尚未开发出分析肽、蛋白质等复杂有机分子的功能，在太空探测中，对生命体的探测存在缺陷。美国马里兰大学开发了小型“Orbitrap-激光解吸质谱仪”，有望为未来的天体生物学探测提供最全面、最高效的搭载设备。为什么要开发这类仪器？该仪器具有怎样的功能和优势？
美国马里兰大学近日开发了小型“Orbitrap-激光解吸质谱仪”，可用于识别太空中的有机分子，寻找外星生命。
该仪器结合了20世纪90年代发明的Orbitrap分析仪和激光解吸质谱仪（LDMS）两项技术。
仪器能检测到较大的有机分子。相比于有机小分子，大分子更能证明生命的存在。
仪器质量轻、体积小、能耗低：尺寸为厘米级别，重量不到8公斤。
新仪器的问世具有开创性意义，将成为其他仪器的先驱，大力促进天体生物学和天体地质化学的未来研究。
近日，美国马里兰大学副教授Ricardo Arévalo的课题组成功开发了小型“Orbitrap-激光解吸质谱仪”，可检测和识别复杂有机分子，探测太阳系其他行星和卫星上是否存在生命。Orbitrap-激光解吸质谱仪比过往同类设备小了许多，也轻了不少，很适合搭载在太空探测器上，如美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯登月项目飞行器和土卫二绕落器上。
在太阳系寻找外星生命，吸引着一代代科学家不懈努力。未来几十年即将开展的航天计划中均含有此项任务, 如土卫二、木卫二探测计划。这些卫星的巨大地下海洋中可能蕴藏着生命体。执行任务的设备不仅要能检测出简单的有机分子，还要能识辨别生物标志，如微生物分泌的蛋白质、产生的复杂生物结构等。
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激光技术+光谱仪技术
用于行星探测的小型质谱仪存在已久，可以追溯到20世纪70年代的阿波罗15号任务。这些仪器的主要功能是外太空生命探测和天体生物学研究，已探测识别出火星地表下、土卫二的喷射羽流和土卫六大气层中的挥发性有机物质。然而到目前为止，能分析肽、蛋白质等复杂非挥发性有机分子的质谱仪尚未用于太空探测中。
“相比于有机小分子，蛋白质等复杂有机大分子更有可能由生命体或生命活动产生。”
激光解吸质谱仪（LDMS）有望肩负起历史使命。LDSM使用聚焦的紫外线激光束解吸、电离有机分子，使其化学成分能够根据质荷比来确定。此技术的优点在于，激光可以聚焦在样品表面的一个小点上，准确地表征颗粒、灰尘颗粒和其他微米级结构。用激光束扫描样品表面，就能绘制出样品的“化学组成图谱”。LDMS还能最大限度减少仪器和样本之间的接触，降低了样本污染的风险——这在天体生物学研究中尤其重要。
Arévalo团队开发的Orbitrap-激光解吸质谱仪结合了LDMS与Orbitrap分析仪技术。Orbitrap分析仪是Alexander Makarov（课题组前成员，现就职于德国赛默飞世尔科学公司）在20世纪90年代发明的质谱仪。运行时，样品中解吸的离子被输送到质谱仪中，质谱仪将离子捕获到电极周围的轨道上，由此可以跟踪离子的运动，并通过数据分析确定离子的质量，最终用质量推算出样品中有机成分的分子式。
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检测复杂有机大分子
Arévalo解释道：“我们的仪器集成了脉冲紫外线激光系统和分析仪，前者可以有效地‘轰击’材料，后者可以根据质量从样品中分离化学物质。”两个子系统的协同，实现了对更大、更复杂的有机分子的检测和明确识别。后者尤其重要，因为复杂有机大分子是生命存在的有力证据。“氨基酸等较小的有机化合物不足以证明生命存在，所以有机大分子的检测十分关键。”
Arévalo详细介绍道：“氨基酸可以通过非生物方式产生。陨石撞击行星或卫星表面，会沾上有机物质，有些陨石上携带了不少氨基酸分子。蛋白质等复杂有机大分子则更有可能是由生命体或生命活动产生的。”
由于LDMS和Orbitrap两种技术都相当成熟，Orbitrap-激光解吸质谱仪最大限度地减少了质量、体积和能耗：重量不到8公斤（相比之下，实验室同等仪器的重量约为180公斤），尺寸仅为厘米级，但能达到超高质量分辨率，不亚于体积更大的商用设备，有能力检测出木卫二和土卫二地表下可能存在的生物特征分子浓度。
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助力天体生物学
Arévalo希望在未来几年内将Orbitrap-激光解吸质谱仪送入太空，用于行星目标探测。在他看来，未来必将有更多基于LDMS和Orbitrap的设备，而他的课题组的开发成果算得上是“先驱”，有望显著改善当前行星表面地质化学、天体生物学研究手段。
“我们的仪器能测出生命体广泛的物理和化学特征，含有微生物群落化石的地层分层、生物化合物产生的矿物质、蛋白质、核苷酸[DNA成分]和脂质[细胞膜成分]等有机化合物都能识别。”
“我们的仪器能测出生命体广泛的物理和化学特征。”
“Orbitrap-激光解吸质谱的顺利开发，说明仪器技术已充分成熟，可以用于探索地外行星环境。它体积小、能效高、结构坚固，适合部署于土卫二、木卫二环境中，寻找外星生命的痕迹。仪器的开发，得益于我校与法国奥尔良的物理化学环境与空间实验室、德国赛默飞世尔科学公司的国际合作。许多青年学者为项目做出了重大贡献，我为他们感到无比骄傲。”
未来，课题组将研究如何将其他更先进仪器的功能结合到Orbitrap-激光解吸质谱上，例如目前在火星表面使用的仪器技术。Arévalo说：“我们将凭借这些努力为未来的天体生物学探测任务打造最全面、最高效的搭载设备。”
作者
Isabelle Dumé
编辑
https://www.nature.com/articles/s41550-022–01866-x
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0138
