通过电喷雾离子化轨道阱质谱法对磷酸盐和有机磷化合物进行氧同位素分析

《Analytical Chemistry》：Oxygen Isotope Analyses of Phosphate and Organophosphorus Compounds by Electrospray Ionization Orbitrap Mass Spectrometry

氧同位素比值测定在磷酸盐及有机磷化合物代谢与环境研究中的应用。采用ESI-Orbitrap MS分析磷酸盐中18O/16O比值，优化仪器参数（如质量分辨率、AGC目标值），发现长期稳定性±2.8‰。开发基于Zr-MOF的纯化方法有效去除水基质中硝酸盐、硫酸盐干扰，实现磷酸盐提取与同位素分析兼容。研究证实PO3?碎片同位素比值与完整H2PO4?具有良好相关性，为代谢酶促反应及污染物降解研究提供新方法。

　　这项研究聚焦于利用轨道阱质谱（Orbitrap mass spectrometry, MS）结合电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）技术，对磷酸盐和有机磷化合物中的氧同位素比值（¹⁸O/¹⁶O）进行分析。该方法在环境和生物地球化学研究中具有重要的应用潜力，特别是在追踪代谢过程、污染物转化路径以及生态系统的物质循环中。然而，尽管该技术在实验室环境下已被证明具有可行性，其在实际水溶液中的应用仍存在挑战，主要源于水相基质对电离过程的干扰以及对同位素比值测量的准确性影响。

为了克服这些限制，研究团队对仪器操作参数进行了系统评估，并探索了使用金属有机框架（metal–organic frameworks, MOFs）作为选择性吸附材料，以实现对磷酸盐的高效提取与纯化。此外，还分析了甲醇溶液的特性及其对测量结果的影响，以确保在同位素比值测定中获得精确且可重复的数据。最终，通过一系列实验和优化步骤，成功建立了适用于水样处理的磷酸盐同位素分析流程，显著提高了测量的准确性。

研究中发现，水含量超过50%的甲醇溶液会对¹⁸O/¹⁶O比值的测量产生负面影响。这表明在进行同位素分析之前，需要对样品进行适当的处理，以减少水相对电离过程的干扰。同时，研究还表明，硝酸盐和硫酸盐等阴离子可能影响测量的精度和准确性，特别是在电喷雾电离源中。因此，开发一种有效的样品纯化方法对于确保高质量的同位素分析至关重要。

针对这一问题，研究团队评估了基于锆（Zr）的MOFs材料在磷酸盐提取中的性能。结果表明，这种材料能够高效地从含有硝酸盐和硫酸盐的水溶液中提取磷酸盐，并且在后续的回收步骤中保持较高的回收率。通过与标准样品进行对比，验证了该纯化过程对氧同位素比值测定的可行性。此外，实验还显示，使用不同的碳酸盐浓度和时间对磷酸盐的回收率和同位素比值的准确性具有重要影响。较高的碳酸盐过量可以显著提高磷酸盐的回收效率，从而减少因基质干扰导致的同位素比值偏差。

在优化了仪器参数后，研究团队发现，较长的测量时间有助于提高¹⁸O/¹⁶O比值的测量精度。例如，在70,000的分辨率下，15分钟的测量时间可以实现±1.0‰的相对标准误差，而60分钟的测量时间可进一步降至±0.7‰。这些结果表明，通过增加离子计数，可以在一定程度上提高测量的可靠性。同时，研究还发现，不同质量范围的选择对同位素比值的测量结果有影响，尤其是在使用四极质谱滤器时，选择合适的质量范围有助于减少离子传输中的空间电荷效应，从而提高数据质量。

对于磷酸盐的同位素分析，研究团队还评估了不同类型的碎片离子（如PO₃^–和PO₂^–）的相对丰度，并发现其与电离能量密切相关。例如，在较高的碰撞诱导解离（collision-induced dissociation, CID）能量下，PO₃^–碎片的丰度显著增加，从而使得同位素比值的测量更加准确。然而，对于某些有机磷化合物（如氨基乙基膦酸盐AEPA），即使在优化的CID条件下，其同位素比值的测量仍然存在一定的偏差，这提示在进行有机磷化合物的同位素分析时，可能需要进一步优化电离参数。

此外，研究还发现，使用HCD（高能碰撞解离）方法对磷酸盐进行碎片分析，虽然在某些情况下可以提高同位素比值的测量精度，但其效果在不同的化合物中表现不一。例如，在AEPA的碎片分析中，HCD方法未能像CID方法那样有效减少同位素比值的偏差，而AMPA的碎片分析则显示出更显著的同位素分馏现象。这表明，不同类型的碎片分析方法可能适用于不同的化合物，并且需要根据具体的分析目标进行选择。

通过一系列实验，研究团队还验证了所开发的样品纯化流程在实际应用中的有效性。例如，在处理含有硝酸盐和硫酸盐的水样时，该流程能够显著降低这些阴离子对同位素比值测定的干扰，从而提高测量的准确性。最终，通过该纯化流程处理后的样品，在进行¹⁸O/¹⁶O比值测定时，其结果与参考值的偏差控制在实验误差范围内，证明了该方法的可靠性。

这项研究不仅为磷酸盐和有机磷化合物的同位素分析提供了新的技术手段，也为相关领域的研究者提供了可操作的样品处理流程。通过优化仪器参数和开发高效的样品纯化方法，研究团队成功克服了水相基质对同位素比值测定的干扰，为未来在环境和生物地球化学研究中更广泛地应用轨道阱质谱技术奠定了基础。此外，研究还揭示了不同碎片离子对同位素比值测定的影响，为进一步探索复杂化合物的同位素分析提供了理论依据。