成果简介

东京大学及合作研究机构在《International Journal of Astrobiology 》杂志发表的研究报告显示，团队成功利用光学光热红外（O-PTIR）光谱技术，在火星类玄武岩样本中以亚微米级分辨率实现了微生物与黏土矿物的同步检测。

这项突破性进展解决了火星样本返回任务的关键技术瓶颈——传统傅里叶变换红外显微镜因10微米空间分辨率和破坏性制样要求，始终制约着生物安全评估的有效性。研究团队亟需能在完整岩石样本中同步识别微生物特征与伴生蒙脱石矿物的无损检测方法。

实验证实O-PTIR光谱技术具有显著优势：无需样品制备即达0.5微米空间分辨率，在100微米厚切片中同步检出微生物细胞与绿脱石黏土矿物。相较于因自发荧光干扰失效的微拉曼光谱技术，O-PTIR成功获取了生物与地质材料的诊断性光谱，从而确立其作为火星样本返回设施核心分析工具的地位——该场景要求分析手段同时具备无损性与高灵敏度检测能力。 

图文解读

图1.蒙皂石参照物和岩芯粘土部分的FT-IR光谱

1. 在透射模式下，观察到了与层间水振动、硅氧化合物伸缩以及阳离子-OH伸缩相关的特定峰（如3390 cm^-1、1000 cm^-1，以及3550、3630、3680 cm^-1的峰），且U1365E-8R4光谱与Nontronite相似；

2. 但在ATR模式下，光谱信噪比低、主峰波数偏移，关键特征（如1635 cm^-1峰和阳离子-OH峰）缺失；

3. 此外，薄片样品未检测到蒙脱石或微生物细胞的峰，可能因ATR模式的空间分辨率不足。

图2.(a)–(c) 展示岩芯薄片中含蒙脱石裂隙的逐步放大照片。(d) 和 (e) 对应图2c黄色区域的O-PTIR光谱成像图，分别对应成像波数为1000 cm^-1（硅氧键振动）和1530 cm^-1（推测与有机物相关）特征。(f) 展示三类样本的O-PTIR光谱比对。

1. 通过O-PTIR图谱技术，在薄片裂隙的海绿石边缘（褐色区域）同时检测到1000 cm^-1（蒙脱石）与1530 cm^-1（微生物）的强信号，证实矿物-微生物共存现象。

2. 1530 cm^-1高信号位点的光谱呈现三类生物标志峰：酰胺I/II带（1530 cm-¹附近，肽键特征）、脂质CH₂弯曲振动（1450 cm^-1）、羧基伸缩振动（1390 cm^-1），该谱型与培养微生物细胞高度匹配，但不同于包埋树脂（LR White）。

3. O-PTIR重复测量未造成可观测的样本损伤，支持该方法对珍贵地外样本的无损分析价值。

图3. 图2（c）-（e）中浅蓝色点和蒙皂石参考品的光学光热红外（O-PTIR）光谱

图4.图2（c）-（e）中所示的浅蓝色和粉红色点以及大肠杆菌（NBRC 13168）培养细胞的拉曼光谱

图5. NanoSIMS（上图）和O-PTIR（下图）（a）以及TEM-EDS（上图）和O-PITR（下图）（b）之间分析数据的比较。以前和现在的研究中进行的岩石表征程序（c）。

结论展望

基于以上结果，光热红外（O-PTIR）光谱被认为优于深紫外线荧光显微镜/微拉曼（μ-Raman）光谱法，尤其是在蒙脱石的识别方面。同时获取与生物分子和蒙脱石相关的结构单元的空间分布对于区分样品中的生物物质以及表征非生物背景至关重要。

原文链接：https://doi.org/10.1017/S1473550425000011