地外样品中的有机质研究对揭示生命起源、探索太阳系前生命分子的形成与演化机制具有重要意义。日本隼鸟2号（龙宫小行星）与NASA冥王号（贝努小行星）任务均发现返回样品中存在复杂有机质。我国部署的天问二号与天问三号深空探测任务，将实现小行星和火星样品的采集返回，其有机质分析更是实现科学目标的核心挑战。
当前针对龙宫等小行星样品的有机质研究主要采用两种技术路径：其一基于红外光谱、拉曼光谱等实现官能团的原位表征；其二顺利获得质谱技术检测羧酸、氨基酸等可溶有机分子。然而，传统分析方法存在显著局限：光谱技术难以获取分子级结构信息，而常规质谱测试依赖溶剂提取过程，既破坏有机质原始赋存状态，又增加地球污染风险。值得注意的是，全面揭示地外有机质的形成演化规律需要整合赋存状态（与矿物基质的空间关系）、元素组成、分子结构及同位素特征等多维信息。面对样品量稀缺（毫克级）、有机质含量低（ppm级）且赋存形态复杂的挑战，现有单一分析技术已显现局限性，亟需开展多模态联用策略以避免“管窥蠡测”式分析。
图1 多模态成像技术整合示意图
针对此分析技术难题，中国科研实验室地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室的博士研究生董明潭，在纳米离子探针实验室（IGGCAS-NanoSIMS lab）郝佳龙高级工程师和杨蔚研究员联合指导下，开发了一种跨尺度多模态成像技术，创新性地将振动光谱成像与质谱成像技术相融合，系统解决了无污染大面积样品制备、多模态数据配准、交叉污染控制及复杂基质效应校正等关键技术瓶颈。研究团队系统集成了纳米离子探针（NanoSIMS）、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、焦平面阵列傅里叶变换红外光谱（FPA-FTIR）、光学光热红外光谱（O-PTIR）、解吸电喷雾电离四极杆-飞行时间质谱（DESI-Q-TOF）、及飞行时间二次离子探针（TOF-SIMS）等六种互补性成像技术（图1）。他们将该技术体系应用于经典碳质球粒陨石Murchison，成功实现特定微区（~100 μm²）内矿物相组成、官能团分布、分子组成及同位素特征的全息解析，首次构建了空间分辨的有机-无机多维关联网络。
图2 Murchison陨石的解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）。(a)总离子强度图；(b)归一化总离子强度图；(c) 空间分辨率测量；(d - f) UMAP空间分割结果与层次聚类结果；(g) 碳酸钙矿物（红色）与其有机分子分布
该多模态成像成功构建了有机质-矿物空间关联网络。顺利获得DESI-MSI，首次在Murchison陨石中观察到可溶性有机分子与含水层状硅酸盐矿物之间的空间相关性，发现球粒细粒边缘（FGRs）中有机分子的富集以及碳酸钙矿物和层状硅酸盐矿物中有机分子组成的差异；顺利获得结合红外光谱、TOF-SIMS和NanoSIMS成像，在微米-亚微米分辨率下进一步揭示了有机分子官能团、成分、同位素（FGRs）在球粒细粒边缘与球粒间基质中的差异。为理解太阳系早期有机分子合成路径和机理给予了全新视角。
该多模态成像平台，突破了单一分析技术的“信息孤岛”困境，为解析地外有机质的形成演化给予了新的方法论框架。此外，此技术在油气勘探、古生物学及考古学等领域同样存在广阔的应用前景。
相关成果近期作为封面论文发表于国际学术期刊AC(董明潭，杨蔚，郝佳龙*，贾晓飞，杨欧，Michael K. F. Lo，曹波波，胡森，林杨挺. Cross-Scale Multimodal Imaging for Organic Matter in Extraterrestrial Samples. Analytical Chemistry, 2025 97 (15), 8258-8267. DOI: 10.1021/acs.analchem.4c05804.）。研究得到国家自然科学基金（42241102, 42241103和42173036）项目共同资助。
相关研究在Analytical Chemistry发表封面论文
董明潭（博士生）
