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高清DESI質(zhì)譜成像首次實現(xiàn)地外樣品原位有機(jī)分子精細(xì)解析
地外樣品中的有機(jī)物質(zhì)研究對揭示生命起源、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（龍宮小行星）與NASA冥王號（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)物，而我國天問系列任務(wù)即將獲取的小行星及火星樣品，其有機(jī)分析更是實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的核心挑戰(zhàn)。由于地外樣品具有珍貴、復(fù)雜且不可再生的特性，亟需發(fā)展無損、高分辨的原位成像技術(shù)。當(dāng)前主流技術(shù)如納米離子探針（NanoSIMS）雖可解析同位素或元素分布，卻難以獲取分子級有機(jī)信息。以解吸電噴霧電離（DESI）為代表的質(zhì)譜成像技術(shù)，憑借其分子特異性與空間分辨能力，為地外樣品原位分析提供了全新解決方案。
近期，沃特世公司推出的Low-flow DESI技術(shù)將空間分辨率提升至5 μm，且無需基質(zhì)噴涂或切片制備，可直接對樣品表面進(jìn)行高精度分析，極大簡化了前處理流程。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所納米離子探針實驗室（IGGCAS-NanoSIMS lab）聯(lián)合沃特世公司，基于
DESI XS-SELECT SERIES Cyclic IMS質(zhì)譜儀及ACQUITY M-Class微升二元溶劑管理系統(tǒng)，對碳質(zhì)球粒隕石Murchison樣品展開系統(tǒng)性研究，相關(guān)成果發(fā)表于分析化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Analytical Chemistry》（點擊此處查看原文鏈接）。
相對比MALDI成像，DESI可分析的樣品類型更多元化，例如文章中的隕石樣品可直接分析。
應(yīng)用DESI XS-SELECT SERIES Cyclic IMS及ACQUITY M-Class微升二元溶劑管理系統(tǒng)對隕石樣品進(jìn)行10 μm高清成像。
DESI-MSI有機(jī)分子的全譜圖解析
圖1. Murchison隕石的光學(xué)（左）與電子顯微鏡（右）圖像，展示其復(fù)雜礦物相組成。
圖2. DESI離子源分析隕石樣品現(xiàn)場。
通過Waters HDI V1.8軟件處理，研究團(tuán)隊成功獲取了有機(jī)分子空間分布（圖3）。結(jié)果顯示，Murchison隕石中的有機(jī)分子傾向于富集于球粒邊緣的細(xì)粒區(qū)域，并在水蝕變程度較高的角礫中含量顯著升高，首次揭示了隕石中有機(jī)分子分布的空間異質(zhì)性。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣礦物（圖4紅色區(qū)域）中僅富集少數(shù)特定有機(jī)分子，而多數(shù)分子呈虧損狀態(tài)，首次實現(xiàn)了不同礦物相中有機(jī)分子的精準(zhǔn)區(qū)分。
圖3. Murchison隕石總離子流圖（左）及歸一化校正后分布（右）。
圖4. 碳酸鈣礦物（紅色）及其有機(jī)分子分布。
借助于沃特世成像軟件MSI Segment，團(tuán)隊通過統(tǒng)一流形逼近投影（UMAP）與層次密度聚類（HDBSCAN）對隕石有機(jī)分子進(jìn)行空間分割（圖5），結(jié)合Ward層次聚類構(gòu)建相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)（圖5），揭示了不同區(qū)域分子組成的顯著差異。
圖5. UMAP空間分割結(jié)果與Ward層次聚類網(wǎng)絡(luò)。
多模態(tài)成像
在高清DESI質(zhì)譜成像的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所納米離子探針實驗室（IGGCAS-NanoSIMS lab）研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了一種跨尺度多模態(tài)成像工作流程，將質(zhì)譜成像（MSI）和振動光譜成像相結(jié)合，包括解吸電噴霧電離四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜（DESI QTOF）、飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）以及納米級二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）、傅里葉變換紅外光譜（FPA-FTIR）和光學(xué)光熱紅外光譜（O-PTIR），旨在建立從毫米到亞微米尺度上礦物相、分子組成、官能團(tuán)和同位素組成之間的空間關(guān)聯(lián)。
圖6. 多模態(tài)成像技術(shù)整合示意圖。
該文章首次應(yīng)用高清M-Class μBSM結(jié)合DESI XS-SELECT SERIES Cyclic IMS實現(xiàn)對地學(xué)樣品原位有機(jī)分子精細(xì)解析。DESI成像技術(shù)的突破性進(jìn)展使其可與電子顯微鏡與離子探針等實現(xiàn)多模態(tài)成像，實現(xiàn)有機(jī)物賦存狀態(tài)、組成及同位素特征的全息解析，突破單一技術(shù)的局限性。DESI技術(shù)憑借其原位、高分辨、免前處理的優(yōu)勢，有望成為地外珍貴樣品中有機(jī)分子成因研究及火星生命痕跡探測的核心工具。此外，其在油氣勘探、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。
通訊作者郝佳龍（高級工程師），第一作者董明潭（博士生）。
新型設(shè)計、性能優(yōu)異
質(zhì)譜（MS）成像利用分析物的質(zhì)荷比（m/z）直接在樣品表面將空間分布可視化。這項技術(shù)可縮短樣品前處理時間，提高可用性和靈敏度，應(yīng)用范圍更加廣泛。
沃特世精心設(shè)計的
DESI XS使質(zhì)譜成像能夠發(fā)揮穩(wěn)定性、可靠性和簡便性，實為創(chuàng)新錘煉之作。這款離子源可部署在沃特世高分辨率質(zhì)譜儀（HRMS）產(chǎn)品組合中，帶來一套靈活的解決方案，確保所有成像分析客戶均能穩(wěn)定獲得高性能。DESI XS是沃特世新一代DESI MS成像技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)，可滿足未來對MS成像分析的需求。
