合肥光源用户在星际分子形成机制研究中获得新进展
时间 : 2023-03-11     

得益于射电天文望远镜的飞速发展,人类已经在星际介质中观测到了上百种复杂有机分子(Complex Organic Molecules,COMs),包括多种与生命相关的醛、羧酸、酯和氨基酸等。研究这些地外复杂有机分子的形成机制,有助于构建分子云和恒星形成区域的化学模型,为探索生命起源问题提供重要参考,对天体化学、天体生物学和物理化学界具有重要意义。  

理论计算显示仅气相反应生成的物质的浓度比观测结果低2到3个数量级,因此固相反应对复杂有机分子的形成应有重要贡献。星际介质中的固态部分主要由尘埃颗粒,以及附着在其表面的数百纳米到几微米的掺杂小分子有机物的固态冰构成。在高能宇宙射线和紫外光的作用下,这些小分子物质可被解离为活泼自由基,进而生成更复杂的物种。 

传统星际冰模拟实验一般运用原位红外光谱和电子轰击四极杆质谱技术,这些方法难以准确分析复杂分子混合物。近年来使用了四波混频真空紫外光电离质谱法,可实现复杂分子异构体的精确分辨;但该方法需要依据目标产物的电离能,调谐光子能量,进行多次重复实验,效率较低。 

针对前述问题,夏威夷大学Ralf Kaiser教授、华东师范大学杨涛教授与合肥光源质谱线站合作,首次将同步辐射光电离质谱技术引入星际冰模拟实验研究(如图1所示)。利用同步辐射真空紫外光的高通量、高能量分辨和波长连续可调特性,可以快速获得实验产物的升华温度、质荷比、单光子电离效率(PIE)曲线、电离能等多维信息,研究有机分子的种类与分支比,探索其生成路径与去向。相关研究成果以“Exploitation of Synchrotron Radiation Photoionization Mass Spectrometry in the Analysis of Complex Organics in Interstellar Model Ices”为题,发表在国际著名学术期刊《The journal of physical chemistry letters》上。

 
 
图1.实验设备示意图 

运用该方法,合肥光源质谱线站用户成功分析了被高能电子辐照后的一氧化碳-甲烷冰升温解吸出的产物,分辨了乙烯酮、乙醛、乙烯醇等重要有机分子(如图2所示)。实验结果证实,同步辐射真空紫外光电离质谱是一种普适、快速、可用于全面识别空间模拟实验中产生的复杂物种的实验方法。这一方法的应用,有望显著完善天体化学模型,为生命相关复杂有机分子的起源提供参考。

 
 
图2.同步辐射真空紫外光电离质谱解析了一氧化碳-甲烷星际模拟冰在高能电子辐照后的产物 

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c01628