从小行星(101955) Bennu采集的均质化样本的分子成分分析及有机化合物对比研究

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Molecular inventory and comparative organic profiling of a homogenized aggregate sample from asteroid (101955) Bennu

本研究利用二维气相色谱-高分辨飞行时间质谱技术，对OSIRIS-REx任务从小行星（101955）布尼采集的混合样本进行有机化合物分析，鉴定出87种含氮、氧、硫的有机物，发现其化学组成与泰迪斯湖和塔达拉陨石相似但存在显著差异，具有更高的氮含量和更复杂的有机物分布，表明布尼可能经历了独特的低温水化作用，并可能源自外太阳系。

　　

José C. Aponte | Denise K. Buckner | Angel Mojarro | Jamie E. Elsila | Jason P. Dworkin | Daniel P. Glavin | Harold C. Connolly | Dante S. Lauretta

美国宇航局戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center, GSFC）第690项目组，马里兰州格林贝尔特市，邮编20771

摘要

评估外星物质中可溶于溶剂的有机分子的分布和多样性，可以提供关于前生物化学反应发生的物理化学环境的信息，这对于评估早期地球上可用的前生物化合物的库存至关重要。在这项研究中，我们对美国宇航局OSIRIS-REx任务从小行星（101955）Bennu带回的未分选表土样本（ID: OREX-800107–128）中的可溶性有机化合物进行了全面的分子表征。利用二维气相色谱与高分辨率飞行时间质谱（GC × GC-HRMS）技术，我们鉴定出了87种属于不同分子类别的有机化合物，包括烷烃、多环芳烃以及含氮、氧和硫的化合物。与CI（Orgueil）、C2-未分组（Tagish Lake和Tarda）和CM2（Murchison）碳质球粒陨石中的有机成分相比，发现Bennu样本OREX-800107–128与Tagish Lake和Tarda最为相似，但在成分上有所区别。该样本表现出相对较高的低分子量芳香烃（如甲苯）、吡啶衍生物和二甲基亚硫酸盐等含硫化合物的丰度，这表明其经历了间歇性的低温水蚀变过程。这些有机化合物的存在表明，这种物质在其母体小行星上经历了有利于复杂有机合成的化学过程，包括生成含氮和氧化合物的醛醇缩合反应。我们还将Bennu样本的分子分布与之前分析的（162173）Ryugu样本进行了比较，以评估这两颗碳质小行星之间可能的共同起源。Bennu样本中的有机物质在化学多样性方面更为丰富，且氮含量更高。尽管这两颗小行星的原始成分大致相似，但观察到的化学差异表明它们在可能的共同形成环境中具有不同的演化历史。进一步详细比较Bennu、Ryugu以及特定碳质球粒陨石（如Tagish Lake和Tarda）的样本，将有助于揭示Bennu样本中富含氮的分子特征是如何在外太阳系中形成和演化的。

引言

外星有机化合物主要在坠落到地球的碳质球粒陨石中进行研究。这些陨石富含有机物（总碳含量约为1–5%）（Pearson等人，2006年），作为原始小行星的碎片，它们代表了太阳系中最古老的固体物质之一。碳质球粒陨石中的可溶性有机化合物为我们提供了关于其岩石母体吸积前后发生的化学反应的线索（Sephton，2002年；Pizzarello等人，2006年；Aponte等人，2017年）。这些有机化合物对于理解小行星母体中的化学演化过程以及评估地球上生命出现的化学基础至关重要（关于碳质球粒陨石中有机物的起源和演化的综述，参见Glavin等人，2018年及其中的参考文献）。然而，对碳质球粒陨石的分析常常受到两个主要挑战的阻碍：（1）由于暴露于地球生物圈而导致的不同程度的地球污染（例如，Jenkins等人，2024年）；（2）缺乏关于它们起源的背景信息。为应对这些挑战，美国宇航局的OSIRIS-REx（起源、光谱解释、资源识别和安全-表土探测器）任务从小行星Bennu表面采集了样本（Lauretta等人，2019年；Lauretta等人，2022年），并于2023年9月24日将121.6克表土送回地球（Lauretta和Connolly等人，2024年），这为研究一颗未受地球环境影响、特征明确的陨石碎片提供了难得的机会。

Bennu样本在矿物学、地球化学和纹理特征上与经过水蚀变的碳质球粒陨石（岩石类型1–2）具有相似性，特别是CI、CM和CR组中的陨石，以及一些未分组的样本（Lauretta和Connolly等人，2024年；Connolly和Lauretta等人，2025年；Barnes和Nguyen等人，2025年），这一点通过OSIRIS-REx航天器的遥感数据得到了验证（例如，Hamilton等人，2019年；Kaplan等人，2020年；Kaplan等人，2021年）。与这些陨石类似，Bennu样本也具有高水分含量、表明经历过水蚀变的次生矿物（Zega和McCoy等人，2025年；McCoy和Russell等人，2025年），以及丰富的有机化合物（Glavin和Dworkin等人，2025年）。然而，Bennu样本还显示出一些独特特征，例如蒸发岩矿物组合（McCoy和Russell等人，2025年）。Bennu样本的脆弱性质（Lauretta和Connolly等人，2024年）表明某些岩石单元可能在陨石进入大气层并撞击地球时无法保存下来；因此，预计没有陨石（即自然坠落的样本）会展现出与Bennu样本相同的矿物学和有机成分。

之前对Bennu样本中有机物的分析揭示了多样且富含氮的可溶性有机化合物。通过热提取、液相色谱、气相色谱和高分辨率质谱等互补分析技术，Glavin和Dworkin等人（2025年）鉴定出了构成DNA和RNA的所有五种核碱基、生命用来构建蛋白质的20种氨基酸中的14种（第十五种后来由Mojarro等人（2025年）发现），以及其他水溶性有机物，如羧酸、甲醛、氨和多种含氮杂环化合物。羧酸中以甲酸和乙酸为主，而氨和胺类（如甲胺和乙胺）的浓度远高于大多数碳质球粒陨石以及日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的Hayabusa2任务带回的Ryugu样本（Naraoka等人，2023年）。Bennu样本中的有机化合物似乎以盐的形式或结合在粘土矿物和有机基质中保存下来，其¹⁵N富集程度表明它们可能是在寒冷的分子云或外行星盘中合成的。在此基础上，Mojarro等人（2025年）利用热解-气相色谱-质谱和一步衍生化技术发现，不同岩石类型的Bennu样本中的有机化合物分布存在差异，表明经历了异质性的水蚀变过程。他们的结果表明，正如先前所提到的（例如，Cleaves等人，2006年；Kebukawa等人，2017年），前生物分子（如氨基酸和核碱基）是在碱性、富含氨的条件下通过多种水反应路径形成的，反映了在化学上原始且富含挥发物的母体中的复杂化学演化过程。

与碳质球粒陨石和Ryugu相比，Bennu样本的总碳和氮含量更高，氮化合物的种类也更多，这表明它们具有不同的演化历史（Glavin和Dworkin等人，2025年）。较低的嘌呤与嘧啶比例、丰富的氨基酸种类以及高浓度的氨表明可能存在与NH₃-H₂O盐溶液相关的低温化学过程，暗示Bennu可能起源于外太阳系或包含了来自外太阳系的物质，可能是一个重要的前生物化合物库。

在这项研究中，我们使用二维气相色谱（GC × GC）分析了Bennu样本（ID: OREX-800107–128）中的均质化颗粒（颗粒直径<0.5厘米）。与传统气相色谱相比，GC × GC技术具有更强的分离能力，能够以更高的分辨率和灵敏度检测和表征复杂混合物中的多种有机分子（Meinert和Meierhenrich，2012年；Aponte等人，2023年）。通过结合高分辨率飞行时间质谱（HRMS），我们能够准确识别和量化各种有机化合物，包括芳香烃、烷烃和含杂原子（N、O、S）的分子。

作为对比，我们对CI（Orgueil）、C2-未分组（Tagish Lake和Tarda）和CM2（Murchison）碳质球粒陨石的样本也进行了相同的分析；我们还可以将我们的发现与之前使用相同方法分析的Ryugu样本的结果进行比较（Aponte等人，2023年）。这种非靶向的分子分析为了解Bennu的有机成分多样性提供了关键见解，有助于更深入地理解这颗小行星的地质历史及其在外太阳系中在生命起源中的作用。

材料与试剂

OSIRIS-REx航天器从小行星Bennu表面采集了深度达约48厘米的表土样本和岩石碎片（Lauretta等人，2022年）。为了考虑Bennu样本的岩石多样性和异质性（Lauretta和Connolly等人，2024年；Connolly和Lauretta等人，2025年；McCoy和Russell等人，2025年；Zega和McCoy等人，2025年），OSIRIS-REx样本有机分析工作组（SOAWG；Lauretta等人，2023年）分配了6.425克未分选的表土样本。

结果

在我们搜索的134种可溶于DCM/MeOH的有机化合物中，有87种通过认证标准被鉴定并量化（表1）；25种仅基于NIST10库的光谱匹配被初步鉴定（表S1）；还有22种虽然使用了标准但未找到（表S1）。通过分析标准鉴定和量化的化合物包括14种直链烷烃（碳原子数从C₆到C₃₀不等）、38种多环芳烃（PAHs）以及12种含氮、含氧的化合物。

OREX-800107–128中的脂肪烃

低分子量的脂肪族挥发性化合物，如甲烷、乙烷和丙烷，此前已在碳质球粒陨石中被检测到（Yuen等人，1984年；Butterworth等人，2004年），因此预计也会存在于Bennu样本中。然而，本研究中使用的GC × GC-HRMS分析方法并未针对这类小分子挥发性化合物进行优化。历史上，由于这些化合物在陨石中的普遍存在，其检测一直存在争议。

结论

我们使用GC × GC-HRMS技术鉴定了Bennu样本OREX-800107–128有机溶剂提取物中的多种有机化合物。我们的结果揭示了丰富的脂肪烃、芳香化合物和含杂原子的有机化合物，其中许多与在陨石中发现的化合物一致。该样本中高浓度的吡啶、二甲基硫化物和其他与前生物过程相关的化合物表明了广泛的低温水蚀变过程。

数据和材料的获取

支持Bennu样本OREX-800107–128及本研究中陨石实验结果的仪器数据可在以下链接获取：https://astromat.orghttps://doi.org/10.60707/2dnf-z260。

未引用参考文献

Aponte等人，2019年；Ryan等人，2025年；Tunney等人，即将发表。

CRediT作者贡献声明

José C. Aponte：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。Denise K. Buckner：撰写 – 审稿与编辑、研究实施。Angel Mojarro：撰写 – 审稿与编辑、研究实施。Jamie E. Elsila：撰写 – 审稿与编辑。Jason P. Dworkin：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、研究实施、资金筹集。

资助

本研究得到了美国宇航局（NASA）通过New Frontiers计划颁发的NNH09ZDA007O奖项和NNM10AA11C合同的支持，以及NASA博士后计划（NPP）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢整个OSIRIS-REx团队使得从小行星Bennu采集和分析样本成为可能。我们感谢NASA约翰逊航天中心Astromaterials研究和探索科学（ARES）部门的Astromaterials采集与管理工作组在样本回收、初步检验和长期保存方面的努力。我们也非常感谢OSIRIS-REx样本分析微观信息系统（SAMIS）团队的支持。