矿物-微生物相互作用研究的新利器：三维原子探针（APT）

摘要

矿物-微生物相互作用是地球系统中最为活跃的地质动力之一，对地球演化过程具有深远的影响，也是矿物学和地质微生物学领域最重要的交叉研究方向之一.要全面正确理解微生物与矿物之间的相互作用，重点之一在于揭示超微尺度下微生物如何影响矿物表面结构和物质组成的变化.尽管近年来矿物-微生物相互作用的研究取得了显著进展，但由于该相互作用涉及更小尺度的微观过程，在纳米甚至亚纳米尺度同时表征矿物结构、化学成分和微生物残存印记等方面仍面临巨大挑战，因此许多原理性和机制性问题依然亟待解决.近年来新兴的三维原子探针（APT）技术突破了这一分析极限，可在亚纳米（近原子）尺度实现对几乎所有元素/同位素同时成像与定量分析（检测限为10-6），可为重建矿物-微生物相互作用过程提供近原子尺度、高灵敏度分析.APT最初是在材料科学领域发展并得到广泛应用，近年来该技术在地球科学领域受到日益增多的关注.本文概述了APT的原理、发展和样品制备等基本内容，介绍了生物矿化的概念及相关研究，并重点讨论了APT技术在微生物矿化、地质微生物的残存信号识别、生物材料等矿物-微生物相互作用领域的重要应用.最后，客观总结了当前APT技术在矿物-微生物相互作用研究中的局限性和面临的问题，并展望这种超级原位微区分析技术在矿物-微生物研究领域的未来发展方向.

关键词

生物矿化 / 地质微生物 / 生物矿物 / 生物材料 / 跨圈层研究 / 纳米科学 / 矿物学