得益于射電天文望遠(yuǎn)鏡的飛速發(fā)展,人類已經(jīng)在星際介質(zhì)中觀測(cè)到了上百種復(fù)雜有機(jī)分子(Complex Organic Molecules,COMs),包括多種與生命相關(guān)的醛、羧酸、酯和氨基酸等。研究這些地外復(fù)雜有機(jī)分子的形成機(jī)制,有助于構(gòu)建分子云和恒星形成區(qū)域的化學(xué)模型,為探索生命起源問題提供重要參考,對(duì)天體化學(xué)、天體生物學(xué)和物理化學(xué)界具有重要意義。
理論計(jì)算顯示僅氣相反應(yīng)生成的物質(zhì)的濃度比觀測(cè)結(jié)果低2到3個(gè)數(shù)量級(jí),因此固相反應(yīng)對(duì)復(fù)雜有機(jī)分子的形成應(yīng)有重要貢獻(xiàn)。星際介質(zhì)中的固態(tài)部分主要由塵埃顆粒,以及附著在其表面的數(shù)百納米到幾微米的摻雜小分子有機(jī)物的固態(tài)冰構(gòu)成。在高能宇宙射線和紫外光的作用下,這些小分子物質(zhì)可被解離為活潑自由基,進(jìn)而生成更復(fù)雜的物種。
傳統(tǒng)星際冰模擬實(shí)驗(yàn)一般運(yùn)用原位紅外光譜和電子轟擊四極桿質(zhì)譜技術(shù),這些方法難以準(zhǔn)確分析復(fù)雜分子混合物。近年來使用了四波混頻真空紫外光電離質(zhì)譜法,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子異構(gòu)體的精確分辨;但該方法需要依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的電離能,調(diào)諧光子能量,進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),效率較低。
針對(duì)前述問題,夏威夷大學(xué)Ralf Kaiser教授、華東師范大學(xué)楊濤教授與合肥光源質(zhì)譜線站合作,首次將同步輻射光電離質(zhì)譜技術(shù)引入星際冰模擬實(shí)驗(yàn)研究(如圖1所示)。利用同步輻射真空紫外光的高通量、高能量分辨和波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)特性,可以快速獲得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的升華溫度、質(zhì)荷比、單光子電離效率(PIE)曲線、電離能等多維信息,研究有機(jī)分子的種類與分支比,探索其生成路徑與去向。相關(guān)研究成果以“Exploitation of Synchrotron Radiation Photoionization Mass Spectrometry in the Analysis of Complex Organics in Interstellar Model Ices”為題,發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《The journal of physical chemistry letters》上。
圖1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖
運(yùn)用該方法,合肥光源質(zhì)譜線站用戶成功分析了被高能電子輻照后的一氧化碳-甲烷冰升溫解吸出的產(chǎn)物,分辨了乙烯酮、乙醛、乙烯醇等重要有機(jī)分子(如圖2所示)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜是一種普適、快速、可用于全面識(shí)別空間模擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的復(fù)雜物種的實(shí)驗(yàn)方法。這一方法的應(yīng)用,有望顯著完善天體化學(xué)模型,為生命相關(guān)復(fù)雜有機(jī)分子的起源提供參考。
圖2.同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜解析了一氧化碳-甲烷星際模擬冰在高能電子輻照后的產(chǎn)物
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c01628