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元素同位素丰度比的测定需要一种非常专业的质谱仪器 —— 同位素比质谱仪（IRMS）。IRMS 通常配备一个（燃烧）模块，用于在对化合物中所含的特定元素进行高分辨率质谱检测和分析之前，将给定的有机化合物转化为更简单的形式（CO2、SO2、H2、N2等）。虽然 IRMS 的灵敏度和准确性使其成为这类分析的黄金标准，但它确实存在一些问题，由于特定元素的转化过程以及相应的硬件模块，导致其结构更为复杂、成本更高，而且会造成样品损耗。在本文中，我们介绍了一种直接测定元素同位素比率的方法，该方法无需任何转化步骤或额外的硬件模块，结合MassWorks软件在常规的单四极杆GC/MS等系统上即可实现。

1. 方法

对于元素组成为AaBbCcDd的离子，完整的同位素分布由以下公式给出：

其中，a、b、c、d分别是原子A、B、C、D的数量，ai、bi、ci、di分别是同位素Ai、Bi、Ci、Di的自然丰度。该表达式可以展开并重新组织，以给出所有预期同位素物种的质量位置和丰度。例如，对于PFTBA的EI-MS谱图中的碎片C3F5，C和F的自然丰度如下：

该离子碎片的同位素质量（m）和相对丰度（y）可以计算如下：

从上述展开式中有两个值得注意的发现：

在这种情况下，[12C]₂[13C]F₅和[12C]₃F₅之间(A+1)与A的离子丰度比为：

或者[13C]的相对丰度为：

也就是说，元素[13C]与[12C]的丰度比等于离子碎片[12C]₂[13C]F₅和[12C]₃F₅之间的强度比，并按系数f=3进行缩放。

系数 f = 3 来自下面这个包含两种稳定同位素的著名二项式表，它对应于电子轰击（EI）碎片离子C₃F₅中所含的 3 个碳原子：

从上述分析来看，使用诸如飞行时间质谱（TOF）或静电场轨道阱质谱（Orbitrap）等高分辨率质谱系统测量 A+1 相对于 A 的丰度似乎相当简单，因为在这些系统中 A 和 A+1 之间能够实现基线分离。但遗憾的是，正如其他文献所指出的，高分辨率质谱系统可能存在系统性的谱图准确度不足问题，这有时还取决于仪器的操作条件。

我们最近发表的研究成果表明，相对简单且成本较低的单位质量分辨率单四极杆质谱系统，尽管存在离子间的质谱相互重叠现象，但对于各种不同标记化合物的精确相对定量分析具有较高的谱图准确度。

在单位质量分辨率下进行同位素测量时，一个明显的难题是同位素（例如 A 和 A+1）之间的谱图重叠。由于重叠程度取决于质谱峰的精确形状和峰宽，而这两者又与特定的离子光学系统以及质谱测量时的仪器调谐有关，所以这使得精确测量变得困难或不准确。

通过 MassWorks 软件中实施的全质谱图校准过程，不仅解决了质谱峰形状不确定或未知的问题，还能够对具有重叠质谱信号的离子混合物进行精确的定量分析。这一方法之前已应用于带有不同同位素标记的化合物，而在本文中则用于研究特定的同位素种类。

2. 从全氟三丁胺（PFTBA）调谐气的各种EI碎片中测定[13C]%

GC/MS系统中的全氟三丁胺（PFTBA）调谐气会产生许多碳数不同且含有或不含氮原子的碎片，这为评估这种新方法提供了绝佳的测试案例。借助精确的质量和谱图准确度校准，就能够确定用于计算 [13C]% 的关键丰度比。

PFTBA校正GC/MS的精确质量和谱图准确度

通过基于精确质量的CLIPS分子式分析计算同位素离子的含量

即使在存在[15N]同位素的情况下，从广泛的 EI 碎片中也获得了有前景的结果。在与峰拟合进行比较时，相对标准偏差（RD%）在4%以内。

PFTBA各碎片离子中[13C]同位素比的计算结果

3. [36S]、[37Cl]、[18O]和 [15N]丰度比的测定

对于同一离子，如果已知所有其他元素的丰度（例如美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准值），就可以确定其中任何一种元素的同位素丰度。

MassWorks计算分子式C4H8N4O4S2中[34S]含量

MassWorks 软件中的离子系列分析功能允许对特定的标记同位素进行多次替换，这能够在整个质荷比（m/z）范围内实现良好的谱图准确度拟合，并且除了本研究中使用的首项之外，还能提供额外的二项式或多项式项用于分析。

从下面的结果汇总表可以看出，特定元素的数量越多，测量精度越高，这表明有更多相关的同位素信号可用于确定其相对丰度。与从全氟三丁胺（PFTBA）电子轰击（EI）碎片测量 [13C] 的研究一致，只要有足够的质谱信号，并且对于给定元素有四个以上的原子可供分析，即使对于像 [15N] 和 [16O] 这样的低丰度同位素，测量的相对误差也小于百分之几。

三中分子式中不同元素的同位素比计算结果

4. 结论

• 通过了解离子的元素组成和其他元素的同位素丰度，可以确定给定同位素的相对丰度。

• 如果给定元素的相对丰度和原子数能够产生超过1.0%的相对丰度响应，则测定误差可以控制在4%以内。

• 全质谱图校准是实现谱图准确度的关键，这对于准确测定特定同位素离子以进行相对丰度计算是必需的。

• 尽管这种方法的灵敏度和准确性可能不如专用的IRMS系统，但其易用性和所需质谱仪器的广泛可用性使其成为一种有吸引力的解决方案。

• 当化合物中有多种元素需要测定时，可以使用非线性优化算法同时求解多个未知数。

原文链接：

//cernobioscience.com/wp-content/uploads/2022/06/ASMS2022Isotopes.pdf