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Probing Mineral-Organic Interfaces in Soils and Sediments Using Optical Photothermal Infrared Microscopy

利用光学光热红外显微镜探测土壤和沉积物中的矿物有机界面

第一、通讯作者： Floriane Jamoteau, University of Lausanne

Recommendations and Advances for Analyzing Microbe-Mineral-Organic Matter Interactions with O-PTIR

O-PTIR分析微生物-矿物-有机物相互作用的建议和进展

O-PTIR的分析潜力是什么，特别是与解决微生物-矿物-有机物相互作用的其他成像和光谱技术相比或结合使用？目前，复杂微生物-矿物-有机物组合中的矿物相可以使用元素映射（如X射线荧光成像或显微光谱学（X射线微探针或拉曼显微光谱学在亚微米尺度上进行描述，而单个元素的命运可以使用同位素成像（纳米级二次离子质谱）进行跟踪。 目前缺乏的是一种在互补尺度上操作的方法，能够表征这种复杂组合中的有机相。 我们的分析表明，O-PTIR有潜力解决这一分析差距。 O-PTIR不仅提供了传统红外显微镜以前无法达到的亚微米分辨率，而且提高了复杂矿物基质中有机相的检测。此外，通过仔细的激光校准，可以避免光束损坏，从而实现活细胞成像。O-PTIR不需要使用薄片或锗电池来成功地对标本进行红外成像，从而限制了对困难和易产生伪影的样品制备的需求。O-PTIR分析有效地克服了漫反射和镜面反射造成的伪影，导致与ATR-FTIR相似的光谱质量（比μ-FTIR好得多），但低至微米级。最后，O-PTIR测量可以在共传播模式（红外激光从上方照射样品）或反向传播模式（IR激光从下方照射样品）下进行，允许更大范围的样品样本（例如，单个颗粒、抛光表面、薄切片等）和实验系统（例如， 芯片上的土壤或微流体设备 ）。 由于提高了分辨率、灵活性和对有机物的独特敏感性，O-PTIR在分析复杂的微生物-矿物-有机物相互作用方面补充了上述 显微光谱学（XRF/XAS和拉曼）和成像质谱工具（如NanoSIMS ）。因此，根据所有这些技术能力，O-PTIR显微镜为解决微生物、矿物质和有机化合物在微观尺度上的空间关联以及跟踪它们随时间的相互作用打开了大门。

基于我们的研究结果，我们为使用O-PTIR显微镜对微生物-矿物-有机物相互作用进行无伪影和无损表征提供了以下建议，该显微镜应允许进行稳健的分析：

1.损伤阈值： 在分析之前，我们建议对系统的关键有机和矿物部件进行梁损伤阈值评估。我们的结果表明，损伤阈值因特定化合物而异。首先，当处理可能含有特别敏感的结晶不良矿物或高分子量有机化合物的样品时，我们建议使用0.7%的低探测激光功率和4.6%的低红外激光功率。然而，对于复杂的样品，可能需要增加红外和探测激光功率，导致对结晶不良的矿物和高分子量有机化合物的损伤和低估。

2.光谱解释： 对于本研究中分析的大多数化合物，O-PTIR光谱与ATR-FTIR光谱相似，可以与文献中的光谱进行比较。然而，对于页硅酸盐或亮氨酸等各向异性化合物，我们建议通过O-PTIR分析参考样品，因为优先检测某些晶面会显著改变峰强度。尽管文献中O-PTIR光谱的数量有限，但Kim等人现在提供了一些矿物光谱。鉴于峰强度的这种可变性，在复杂的环境样品中识别各向异性化合物似乎很难实现。此外，在解释数据时，必须考虑优先检测结晶矿物和潜在的低分子量有机化合物。

3.矿物-有机界面分析： O-PTIR在识别和定位矿物基质中的有机化合物方面特别有效。我们的结果表明，有机化合物可以定位和鉴定到0.4重量%的浓度。在分析之前，我们建议对这些矿物-有机物组合进行特定的损伤阈值分析，因为它可能与单个有机相和矿物相的损伤阈值不同。

4.样品制备： 样品必须干燥（除非使用水物镜），在共传播模式下相对平坦（形貌高达±8 mm），或在反传播模式下较薄（<1 mm）。为了分析微环境，我们建议使用冷冻保存和切片技术（如冷冻（超）切片机），因为有机树脂（如环氧树脂）可以与样品信号显著重叠。对于样品架，优选红外光透明的CaF2窗口；然而，对于共凝聚模式下的测量，也可以使用低热膨胀的材料。

5. 时间序列分析： 使用片上固体系统和其他模型系统设备，可以使用O-PTIR进行不同时间点的分析。 对于芯片上的土壤样品架，我们建议避免使用塑料作为基材，因为塑料会在分析中产生强烈的背景。相反，我们建议使用红外透明的CaF2窗口。在模型系统设备中，如果用作基板，红外透明CaF2窗口可能会限制背景，如果用作盖玻片，则可以通过设备进行成像。在设备内部，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）介质创建孔隙网络是可行的；然而，我们不鼓励沿CaF2壁形成均匀的PDMS层，因为O-PTIR对PDMS具有高灵敏度，导致与样品信号重叠。 此外，对于微生物的重复分析，我们建议收集初始参考光谱，因为重复分析可能会影响它们的行为，甚至损坏细胞，并可能改变最终的光谱。