得益于射電天文望遠鏡的飛速發(fā)展,人類已經在星際介質中觀測到了上百種復雜有機分子(Complex Organic Molecules,COMs),包括多種與生命相關的醛、羧酸、酯和氨基酸等。研究這些地外復雜有機分子的形成機制,有助于構建分子云和恒星形成區(qū)域的化學模型,為探索生命起源問題提供重要參考,對天體化學、天體生物學和物理化學界具有重要意義。
理論計算顯示僅氣相反應生成的物質的濃度比觀測結果低2到3個數(shù)量級,因此固相反應對復雜有機分子的形成應有重要貢獻。星際介質中的固態(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物的固態(tài)冰構成。在高能宇宙射線和紫外光的作用下,這些小分子物質可被解離為活潑自由基,進而生成更復雜的物種。
傳統(tǒng)星際冰模擬實驗一般運用原位紅外光譜和電子轟擊四極桿質譜技術,這些方法難以準確分析復雜分子混合物。近年來使用了四波混頻真空紫外光電離質譜法,可實現(xiàn)復雜分子異構體的精確分辨;但該方法需要依據(jù)目標產物的電離能,調諧光子能量,進行多次重復實驗,效率較低。
針對前述問題,夏威夷大學Ralf Kaiser教授、華東師范大學楊濤教授與合肥光源質譜線站合作,首次將同步輻射光電離質譜技術引入星際冰模擬實驗研究(如圖1所示)。利用同步輻射真空紫外光的高通量、高能量分辨和波長連續(xù)可調特性,可以快速獲得實驗產物的升華溫度、質荷比、單光子電離效率(PIE)曲線、電離能等多維信息,研究有機分子的種類與分支比,探索其生成路徑與去向。相關研究成果以“Exploitation of Synchrotron Radiation Photoionization Mass Spectrometry in the Analysis of Complex Organics in Interstellar Model Ices”為題,發(fā)表在國際著名學術期刊《The journal of physical chemistry letters》上。
圖1.實驗設備示意圖
運用該方法,合肥光源質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物,分辨了乙烯酮、乙醛、乙烯醇等重要有機分子(如圖2所示)。實驗結果證實,同步輻射真空紫外光電離質譜是一種普適、快速、可用于全面識別空間模擬實驗中產生的復雜物種的實驗方法。這一方法的應用,有望顯著完善天體化學模型,為生命相關復雜有機分子的起源提供參考。
圖2.同步輻射真空紫外光電離質譜解析了一氧化碳-甲烷星際模擬冰在高能電子輻照后的產物
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c01628