《Organic Geochemistry》：Infrared characterisation of fossils down to the nanoscale: Insights from an insect in amber
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基于多尺度红外光谱技术系统分析琥珀中化石昆虫的化学异质性及其界面相互作用，提出超微切割制备工艺。
作者：Antoine Vite、Mathieu Thoury、Pierre Gueriau、Jérémie Mathurin、Alexandre Dazzi
所属机构：巴黎萨克雷大学（Université Paris-Saclay）、法国国家科学研究中心（CNRS）物理化学研究所（Institut de Chimie Physique），地址：91405 Orsay，法国
摘要
红外光谱技术是研究化石中有机残留物化学成分及其化学变化性的强大工具。光热红外光谱（O-PTIR）和原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）是基于光热效应的新型红外光谱技术，它们能够突破传统红外技术的衍射极限，分别实现微米级和纳米级的空间分辨率。本文介绍了一种新的方法，用于在不同空间尺度上分析琥珀与化石界面的异质性。通过使用超薄切片技术制备样品，我们展示了该方法收集红外光谱和图像的潜力，揭示了琥珀内部化学成分的多样性，包括对琥珀填充物可能发生水解的见解，以及化石表皮的红外特征，体现了这些技术的互补性。以昆虫表皮的化石作用与琥珀长期相互作用为例，我们评估了这些技术在技术和实验方面的优缺点，以帮助未来用户判断它们是否适合用于古代材料的研究。
引言
在古生物学领域，使用敏感且具有诊断能力的工具来寻找和表征古代（生物）分子的残留物正在迅速发展，因为这些工具能够提供关于过去环境和生命形式的丰富信息，以及古代材料的降解过程。其中，红外光谱技术通过分析光谱特征（M?sle等人，1998年；Stathopoulou等人，2008年；Bobroff等人，2016年；Vajda等人，2017年；Loron等人，2022年；Loron等人，2023年）非常有效地识别有机化合物，并通过局部分析确定其位置（Igisu等人，2006年；Edwards等人，2011年；Reisz等人，2013年）。然而，衍射效应限制了其空间分辨率，通常仅能达到几微米。一种突破衍射极限的非传统方法是利用光热效应——即材料吸收红外辐射时产生热量的性质。Boccara等人（1980年）证明了通过光学测量可以探测局部温度梯度，后来Hammiche等人（1999年）发现局部红外吸收可以伴随温度变化。这些进展催生了新的无衍射红外光谱技术，如光热红外光谱（O-PTIR，Zhang等人，2016年；Prater等人，2024年）和原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR，Dazzi等人，2005年；Mathurin等人，2022年），它们分别实现了微米级和纳米级的空间分辨率。这些技术越来越被用于检测和表征各种类型的古代有机物质，包括沉积有机质、晶体中的富有机质包裹体（Yang等人，2017年；Abarghani等人，2020年；Liu等人，2024年；Hou等人，2025年；Jubb等人，2025年），以及外星物质中的有机化合物（Phan等人，2022年；Dartois等人，2023年；Mathurin等人，2024年；Dong等人，2025年；Suzuki等人，2025年）和文物（Bertrand等人，2014年；Chua等人，2022年；Georgiou等人，2025年）。尽管这些技术对古生物学研究大有裨益，但据我们所知，目前尚未有针对多细胞化石生物的亚微观化学分析的研究成果发表。
尽管O-PTIR和AFM-IR在检测化学特征方面非常敏感，但它们在处理异质材料时在样品制备和分析协议方面面临新的挑战（Dazzi和Prater，2017年；Beltran等人，2021年；Kebukawa等人，2023年）。在本研究中，我们通过对一块约4500万年前波罗的海琥珀中的昆虫包裹体进行多尺度分析（结合了μFTIR、O-PTIR和AFM-IR技术），提供了这些技术的全面概述。琥珀是一种经过地质变化的有机材料，以其能够三维、逼真地保存小型灭绝生物的软组织而闻名，是进行红外光谱分析的理想对象。它能够将组织与环境分离，并具有抗菌特性（Mart??nez-Delclòs等人，2004年），使其成为保存生物分子的理想介质（Bada等人，1994年；Wang和Poinar，1996年；Koller等人，2005年；Smejkal等人，2011年；McCoy等人，2019年；Mitchell等人，2023年）。然而，虽然已在琥珀中发现了化石生物分子，但其保存状态多样，从完全缺失到软组织的结构和分子保存都有（Henwood，1992年；Mart??nez-Delclòs等人，2004年；Labandeira，2014年；McCoy等人，2016年），包括表皮的保留（Grimaldi等人，2002年；Mitchell等人，2023年）和组织矿化（Jiang等人，2022年）。得益于多种分析化学方法，世界各地发现的化石树脂的化学成分已得到越来越详细的表征（Beck等人，1964年；Beck，1986年；Grimalt等人，1988年；Anderson等人，1992年；Truic?等人，2014年；McCoy等人，2017年；McCoy等人，2021年）。然而，对化石组织本身的研究极为有限，因为需要部分破坏样品才能获取信息，而且化石材料通常数量有限且容易受到污染。另一个关键问题是如何在尽量减少琥珀对化石组织影响的同时，探测化石-琥珀界面的化学性质，因为树脂成分可能渗透到微观尺度以下的包裹体中（Georgiou等人，2019年）。
据我们所知，结合μFTIR、O-PTIR和AFM-IR的结果，首次提供了从宏观到纳米尺度上对琥珀-化石界面的全面分析，同时突出了每种技术的优势和局限性。我们还概述了一种用于琥珀中化石包裹体的多尺度红外分析的制备方案，尽管该方案会对样品造成一定程度的损伤（因为需要接触化石组织），但能确保高重复性，并允许对单个化石标本进行多种类型的分析。
样本制备
本研究使用的样本是一种节肢动物，很可能属于半翅目（Hemiptera，Insecta）昆虫，被困在波兰格但斯克（Gdànsk）地区的琥珀块中（图1）。由于其被不透明的琥珀部分遮挡，其解剖结构难以清晰辨认。身体前部附有五条腿，但未观察到口器。
为了在同一感兴趣区域进行多尺度分析，样品按照以下方法进行了制备：
琥珀的多尺度红外光谱分析
我们使用高光谱测量技术（μATR-FTIR、O-PTIR和AFM-IR）对琥珀立方体的宏观（μATR-FTIR）、微观（O-PTIR）和纳米（AFM-IR）尺度进行了成分分析（图2）。为了避免包裹体对分析结果的干扰，我们选择了一个远离包裹体的区域进行测量。该区域也不靠近琥珀的外部，因为外部可能因水解和氧化而发生降解。
对于每种技术，我们都
FTIR、O-PTIR和AFM-IR的优势与局限性
多尺度分析对于表征古代材料至关重要，因为它能够捕捉到全部的化学异质性。通过对琥珀内化石包裹体的多尺度光谱研究，我们评估了在宏观、微观和纳米尺度上探测到的异质性和化学信息。使用三种不同的技术具有各自的优缺点，这些都需要加以说明和讨论，以指导未来的使用者。
结论
本研究首次探讨了化石节肢动物与其所处琥珀基质之间的原位化学相互作用。我们使用FTIR、O-PTIR和AFM-IR技术从宏观到纳米尺度对化石包裹体进行了分析。在使用O-PTIR和AFM-IR分析古生物样本之前，需要满足严格的制备要求。是否可以使用这些技术研究化石主要取决于
作者贡献声明
Antoine Vite：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、实验设计及数据分析。Mathieu Thoury：撰写、审稿与编辑、概念构建。Pierre Gueriau：撰写、审稿与编辑、资源协调。Jérémie Mathurin：撰写、审稿与编辑、结果验证及研究监督。Alexandre Dazzi：撰写、审稿与编辑、结果验证及项目管理工作。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Carla Collange和Julien Rojas开发了用于光谱处理的Python脚本，感谢Andrzej Górski提供琥珀样本，以及André Nel对化石的初步鉴定。本研究得到了巴黎大区DIM“Matériaux Anciens et Patrimoniaux”项目的支持。
