CN112640031B - 同位素质谱法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于确定分子的同位素概况的方法。所述同位素概况指示所述分子的同位素含量。所述方法包含在质量窗口中对所述分子的离子进行质量选择，所述质量窗口不包括单同位素分子离子的质量，且包括所述单同位素分子离子的至少一个同位素变体的质量。所述方法包含将质量选择的离子片段化成片段离子，对一个或多个所述片段离子执行质量分析以产生质谱，以及确定所述分子的同位素概况，所述同位素概况包含至少一个数据值。根据所述质谱中多个峰的强度来计算片段离子的每个数据值。提供了一种计算机程序。提供了一种质谱系统。提供了一种用于鉴别样品的方法。

Description

同位素质谱法

技术领域

本公开涉及用于使用质谱确定分子的同位素概况并使用此类概况来鉴别分子的方法和系统。

背景技术

质谱被广泛用于各种领域中的物质分析，包括例如地球化学、生物化学、环境化学、医学诊断和法医学。在这些领域中，已知可基于质谱数据推断分子的同位素签名，并用于推断关于分子的起源或年龄的信息。

已经进行了尝试（例如，参见美国专利第9,111,735号），以基于具有可分辨同位素峰的高分辨率质谱来确定分子的元素组成。此类方法涉及分析质谱，以尝试计算分子中存在的原子数。但是，测量的同位素的丰度和检测到的离子数目低，限制了同位素质谱数据的解释精度。检测到的离子数目又受到质谱仪中的离子光学存储元件的空间电荷容量的限制。由碳、氢、氮、硫和/或氧组成的典型有机分子各自具有稳定的同位素变体，但这些同位素的天然丰度相对较低。这意味着很少使用质谱对分子内同位素结构进行研究。

因此，迄今为止，对分子的分子内同位素含量的研究在很大程度上限于使用NMR进行分析，这是昂贵的，并且需要相对较大的样品才能进行精确分析。如果能够对于小样品快速且精确地确定物质的分子内同位素含量，将是理想的。

发明内容

在此背景下，提供了一种确定分子的同位素概况的方法，如技术方案1所述。还提供了根据技术方案25所述的计算机程序，根据技术方案26所述的质谱系统以及根据技术方案27所述的用于鉴别样品的方法。

本公开总体上涉及一种用于使用质谱来分析分子内的同位素含量的方法。通常，所述方法适用于分析包含至少一种稀有，通常为重同位素的分子。首先，对特定质量窗口内的分子离子（或片段离子）进行质量选择。可选择质量窗口，以使得相比于典型的离子样品所含的具有稀有同位素的离子的比例，所得的选定质量的离子所含的比例更大。这是通过设置质量窗口以排除单同位素离子，而包括一种或多种单同位素离子的同位素体而实现的。因此，选定的同位素体包含至少一种稀有同位素。由于单同位素离子（根据定义）不含同位素，这因此产生同位素富集的离子样品，用于后续分析。实际上，对于许多常见的同位素，这涉及质量选择M+1和/或M+2和/或M+3……等峰的离子，其中M是单同位素峰质量。因此，稀有同位素可能成为目标。

一旦产生了同位素富集的离子样品，所述离子就会片段化并产生所得片段的质谱。所得质谱中的峰强度是关于样品的信息的丰富来源。例如，在包含几个碳原子的分子中，分子内的¹³C同位素的分布可能会导致从分子得出的不同片段具有不同的¹³C含量。因此，与包含相对较高丰度的¹³C的分子片段相关的质谱峰可具有比与¹³C相对耗尽的片段相关的质谱峰更显著的M+1峰。

这可以用来为分子生成数据值集，所述数据值集包含一个或多个从质谱峰强度得出的值。此类值可包括例如质谱中一个或多个片段的M+1峰强度相对于M峰强度的比。此类峰强度比可表示为M0/M+x，其中M0是由于片段离子的单同位素同位素体引起的峰强度，且M+x是由于片段离子的重同位素引起的峰强度。由于分子的片段化途径通常与其分子结构密切相关，因此以这种方式从质谱得出的数据值可与分子中的特定位置有关，而不是简单地与片段离子的质量值关联。因此，可单独使用质谱法来推断分子的原子位点特异性或部分特异性分子内同位素分布。

此类数据值集可用作分子的特征概况，因为这些数据值集可被证明能够可靠且重复地区分来自不同来源的样品。根据这些方法生成的样品的数据值集可用作样品的标识符，因为分子中的同位素分布可指示特定的合成途径或样品来源。因此，可通过使用本公开的方法分析样品并将所得的概况数据与先前分析的样品的数据存储库中的数据进行比较，来推断未知样品的来源或合成。

附图说明

本公开可以不同的方式来实践，现将仅借助于实例并且参考附图来对其进行描述，在所述附图中：

图1示出了示例性已知系统的示意图，使用所述系统可实施本公开的实施例；

图2a示意性地示出了质谱系统，其被配置成使用本公开的实施例进行分析以产生用于分析的数据；

图2b示出了根据本公开（i）产生和（ii）分析的质谱；

图3a示出了当使用本公开的实施例进行分析时，来自不同来源的展现独特分子内同位素分布的甲硫氨酸（Met）的结构和经验结果。

图3b示出了使用本公开的实施例确定的Met的同位素位置分布；

图4示出了使用本公开的实施例获得的低分辨率数据值集；

图5a示出了根据本公开的实施例确定的包含Met的片段和同位素的M0/M+1比的高分辨率数据；

图5b示出了根据本公开的实施例确定的包含Met的片段和同位素的M0/M+1比的高分辨率数据；

图6示出了预测的Met片段化；

图7示出了通过Met M+1离子的高分辨率MS/MS测量（R=240000）分辨的同位素体的实例；

图8示出了用于区分Met的不同来源的片段的同位素精细结构中的信号；

图9a示出了用于Met分析的高分辨率数据值集；且

图9b示出了图9a的数据的可视化。

实施方式

现在将参看附图来说明本公开。首先，参看图1以及图2a和2b来描述适合于实施本公开的方法的硬件布置和一般原理。然后，提供了一个工作实例，其中使用本公开的方法来分析Met的样品，如图3a至9b中所示。

合适的硬件和一般分析原理

参看图1，示出了示例性系统的示意图，使用所述系统可实施本公开的实施例。示例性系统100包含连接至计算机系统160的质谱系统110，用于分析由质谱系统110生成的数据。

质谱系统110是惯常设计的，且包含离子源120、质量选择器130、片段化装置140和包含检测器的质量分析仪150。来自分析仪150的信号由计算机系统160处理和分析。计算机系统160可另外被配置成控制质谱系统110的操作以执行本公开的方法。

现在参看图2a，描绘了质谱系统210的优选实例，其可用于定量分子中的同位素异质性。图2a的系统210是图1的示例性系统的特定实例。在此实施例中，离子由电喷雾电离器220产生，并且在特定质量窗内的那些离子由四极滤质器230过滤。应理解，在其它实施例中，可使用本领域中已知的其它质量选择手段来代替四极滤质器，例如离子阱质量分析仪或基于离子的飞行时间的质量选择器。然后，在质谱系统的片段化装置中发生片段化，所述片段化装置在图2a的实施例中是片段化单元240。然后将离子转移到轨道捕集质量分析仪250（例如，由Thermo Fisher Scientific™制造的Orbitrap™质量分析仪）进行质量分析。适用于此过程的系统是由Thermo Fisher Scientific™制造的Q Exactive™混合四极轨道捕集质谱仪。图2a中示出的是在组件之间转移的物质的质谱，尽管这些质谱仅用于说明目的，且不一定在本文公开的方法的每个阶段进行测量。

应了解，本公开涉及质量值，而质量选择和分过滤和测量析基于质荷比。为了简单起见，本公开内容通常仅描述单电荷的片段，这意味着当表示为m/z值时，本文表示的所有质量值具有相同的数值。因此，在整个本公开中，术语质量与质荷比可互换使用。但是，应了解，可以与单电荷片段离子相同的方式执行多电荷分子离子的质量选择和多电荷片段离子的分析，并且所公开的方法同样适用于多电荷离子离子和单电荷离子的分析，包括在多个带电离子片段化过程中可能发生电荷数变化的事实。

在图2a(i)的光谱中，可以看出由电喷雾电离产生的分子离子包含质量M0处的单同位素离子峰、在质量上与M0峰相差1个原子质量单位的M+1（M1）峰和与M0峰相差2个原子质量单位的M+2（M2）峰。通过四极滤质器230分离含有至少一种稀有同位素的分子离子，在这种情况下，质量为M+1（尽管可替代地分离任何M+x离子，其中x是整数），所述四极滤质器在经选择以同位素富集离子的质量窗口内对离子进行质量选择。在图2a(ii)中，示出了M+1个峰的质谱，说明了在通过四极滤质器230之后，质量选择的离子具有基本相同的标称质量M+1。

质量选择的离子被转移到片段化单元240并被片段化，随后被传递到轨道捕集质量分析仪250进行质谱分析，以确定哪些片段富集或耗尽了稀有同位素。从图2a(iii)中所示的质谱中可以看出，由M+1峰的分离和片段化产生的片段含有单同位素M0峰和M+1峰，即使衍生出片段的离子是同位素富集的，并且不含单同位素体质。显然，M+1和M0峰的相对强度在片段之间变化，反映了每个片段中同位素的不均匀分布。这种异质性是可使用本公开的方法进行分析的有力信息来源。

为简单起见，本实例着重于其中初始质量分离选择具有一个额外质量单位（M+1）的分子离子的测量，在此实例中使用Q Exactive^TM质谱仪的四极杆。在这种情况下，有利的是将前体离子分离窗口设置为以质量M+1为中心，并且足够窄（例如1 Da或更小），以使单同位素分子离子（M0）或具有两个额外质量单位的分子离子（M+2）或更高级离子均不被转移用于片段化。然而，本公开的方法也可应用于含有超过一种稀有同位素的分子离子。因此，本领域技术人员应了解，对于比其最丰富形式重2或更多Da的同位素（例如¹⁸O）或团簇同位素体质（例如，在同一分子中含有两种或多种稀有同位素，例如¹³C和¹³C，或¹⁵N和¹³C，或²H和¹³C）的位点特异性分布，然后可分离出M+2、M+3或其它合适的更高质量的峰。在一些实施例中，可使用1 Da或更小的质量选择窗口宽度来仅分离M+2，或M+3，……质量离子。在一些实施例中，所述方法包含在包括质量M+x的质量窗口中对分子的离子进行质量选择，其中M=分子的单同位素离子的质量，x=对应于至少一个重同位素的附加标称质量的整数（通常为1、2、3或更大），其中质量窗口不包括质量为（M+x-1）的离子和质量为（M+x+1）的离子。在这样的实施例中，质量窗口优选地以质量M+x为中心。在这样的实施例中，质量选择窗口的宽度优选为1Da或更小。

在一些其它实施例中，可使用2 Da或更大的分离窗口来同时分离具有不同标称质量的所关注的分子离子，同时排除单同位素峰。优选地，选择质量窗以使其在从M+1离子开始直至M+x离子的范围内分离同位素，其中x是指待分离的最高同位素峰。然而，在一些实施例中，选择质量窗口以使其同时分离在从M+2离子开始直至M+x离子的范围内的同位素体。在这样的实施例的典型实施方案中，至少M+1和M+2同位素峰被分离和片段化。这允许所有主要的+1同位素（例如¹³C、¹⁵N、²H、¹⁷O）以及+2同位素（例如¹⁸O、³⁴S、⁸¹Br、³⁷Cl）均在单一测量模式下进行测量，只要选择用于质量分析的分辨率足够高。通常，当选择质量窗口以使其分离从M+n离子开始直至M+x离子的同位素体时（此处的n是指被分离出的最低同位素峰），可使用基本上为（x-n+1）Da宽的选择窗口宽度。例如，当共同选择M+1分子离子直至M+x分子离子时，可使用基本上x Da宽的选择窗口宽度。质量窗口优选地排除M+n-1和更低的分子离子，并且排除M+x+1和更高的分子离子。使用本文公开的质谱系统可以容易地获得合适的质量选择窗口。

接着对以这种方式产生的分离的离子进行片段化。可使用质谱仪的高能碰撞解离（HCD）片段化单元240来实现质量选择的分子离子的片段化，其产生片段峰的混合物，其中的每一个均以其单同位素形式和单取代形式存在。片段离子的强度比（M0/M+1）将取决于作为全分子M+1离子的一部分的+1 Da同位素被转移到所述特定片段离子的概率。通常，对于较小的片段离子，此比率将较大，因为来自分子的小原子子集继承重稀有同位素的可能性较小。但是，当在另外相同的条件下分析的相同分子的两个样品之间比较给定片段离子的M0/M+1比时，+1同位素丰度和分布的差异表现为M0/M+1比的少量差异。

本公开可使用低分辨率模式（例如，在m/z 200处的分辨力R=15000）来实施，其中将大部分几乎同量异位的M+1物质记录为一个峰，从而组合来自含有例如²H，或¹³C，或¹⁵N，或¹⁷O，或³³S的离子的信号。另外或替代地，本公开可以高分辨率模式（例如，此处R=240000）执行，其中以单独的M+1峰形式观察到大多数或全部几乎同量异位的物质（即，具有相同标称质量但不同精确质量的峰）。图1和图2a以及2b中公开的硬件布置可被配置成收集大范围分辨率内的数据。低质量分辨力下的数据收集将频谱收集速度提高到24 Hz，相比之下，当使用更高分辨率时为至多2 Hz。更快的采集速度允许每单位时间分析更多的离子，从而减少了分析时间和达到测量的一个或多个比率的给定目标精度所需的样品量。高分辨率分析模式的一个优势在于其对母体分子中存在的¹³C和其它+1 Da同位素的位点特异性分布提供了更精确的限制。对于一些应用，例如相对简单的法医鉴别或追踪引入的同位素标记，低分辨率模式是合适的，且在一些情况下是优选的。在其它领域，例如分子同位素结构或复杂的高维法医指纹识别的详细研究中，较高分辨率是优选的（例如50000或更高，或100000或更高，或200000或更高）。可实现1000000的较高分辨率。

例如，以低分辨率模式（例如15000正式分辨率）进行15分钟的数据收集会引起超过22000次扫描。每次扫描测量的离子比围绕其几何平均值对称分布，这展示在数据采集过程中‘局部’平均值只有很小的波动。这种分布使得能够以大约0.1 permil（相对）的相对平均值的标准误差（RSE）（其在相比于许多天然同位素变化时较小）和用于C同位素比的分子平均测量的完善技术来定量平均测量的峰强度比。根据每次扫描观察到的离子数的估算，在一分钟至一小时之间的时间标度内，测量的RSE处于散粒噪声极限。因此，本领域技术人员将认识到，可容易地调整花费在数据采集上的时间以达到期望的精度。

现在通过参考甲硫氨酸（Met）的实验分析来说明上述方法和原理，以证明所公开方法的效用。接下来参看图2b(i)，示出了使用本公开的方法产生的Met和其片段的质谱。Met主要通过电喷雾电离而电离为[M+H]⁺分子离子，标称质量为m/z 150。在图2b(i)的质谱中展示的是质量为M+1的分子离子峰，其在质量M为（150）时没有对应的分子离子峰，表明分子离子峰的同位素变体被分离且单同位素峰被排除。此质谱中还展示了与五个片段离子相关的五个峰组。在整个本公开中，片段离子由其M0峰质量标记。可以看出，峰组包含主峰和其同位素变体，其强度可用于计算数据值，例如峰强度比。

为了说明，在图2b(ii)中示出了数据值集，其包含针对Met的五个片段之一在整个实验的持续时间内计算的M0/M+1比。计算的峰强度比在平均值0.28982附近随机分布。描绘了移动平均值，说明了计算平均值的稳定性。在图2b(ii)的右侧，一同描绘了平均值和平均值的标准误差（0.00005）。应了解，可在分析期间确定和调整扫描的总数，以获得目标裕度误差。这可使用标准的统计方法来实现。

与在没有初始质量选择的情况下将存在的峰相比，M0和M+1片段离子的峰具有更可比的强度。在Met的情况下，最大片段的M0/M+1比为0.07，且最小片段的M0/M+1比为0.8。这意味着可同时检测和定量许多片段，而无因为峰强度降至低于所测质谱的噪声阈值而丢失重要峰的风险。

一般而言，本公开提供了一种用于确定分子的同位素概况的方法，所述同位素概况指示该分子的同位素含量，所述方法包含：在质量窗口中对分子的离子进行质量选择，所述质量窗口不包括单同位素分子离子的质量，且包括单同位素分子离子的至少一个同位素变体的质量；将质量选择的离子片段化成片段离子；对一个或多个片段离子执行质量分析以产生质谱；以及确定分子的同位素概况，所述同位素概况包含至少一个数据值，根据质谱中多个峰的强度来计算片段离子的每个数据值。

分子的同位素概况可以是任何包含从峰强度得出的同位素数据值的数据结构。换句话说，同位素概况可以是分子内同位素分布。同位素概况也可用于观察和表征多重取代的物质。多重取代物质的特性并非严格地是分子内性质，因为多重取代物质的丰度反映了一个分子中出现两种稀有同位素而不是分布在同一化合物的两个分子中的可能性。因此，本公开的同位素概况有利地编码关于样品中分子内的同位素分布的信息。

每个同位素数据值可与例如相关的片段质量、片段名称、片段化学组成或分子内位置中的一个或多个相关。优选地，同位素概况包含多个数据值。由于分子的片段离子可能与分子的结构有关，因此每个片段可用于推断分子特定部分的同位素数据值。此，可分析分子中多个位点的同位素含量的变化。在一些实施例中，分子的同位素概况可用作指纹以鉴别其来源。

不包括单同位素分子离子的质量，且包括单同位素分子离子的至少一个同位素变体的质量的质量窗口可能会导致样品中富集了重同位素或轻同位素（但通常是重同位素）。因此，本公开可用于推断具有重同位素和轻同位素两者的多种分子的同位素分布或概况。有利地，质量选择在质量上几乎均匀的离子子集使在质量选择之前和期间发生的同位素分级的影响最小化。去除单同位素全分子离子引起被分析离子群体的同位素富集，这使得稀有同位素体作为所有被分析离子的一部分更丰富。

有利地，本公开的方法可应用于含有超过一种稀有同位素的离子，使得能够进行彻底且准确的样品分析。本公开可通过增加递送到质量分析仪进行分析的含有稀有同位素的分析物离子的分数来帮助提高高分辨率质谱仪（例如，具有R=50000或更高，或R=100000或更高的能力，例如混合四极轨道阱质谱仪，或混合四极飞行时间（QToF）质谱仪，或高分辨率四极扇形磁场质谱仪）上的位置特异性同位素比测量的精度和准确性，且减少位置特异性同位素分析所需的分析时间。此外，用于一种分析的样品的量（在本公开的实施例中，在直接输注的15分钟内，<3 nmol）比通过NMR进行同位素分析所需的量少大约五个数量级。因此，可使用本公开，使用相对较小的样本量与质谱系统来确定准确的位置特异性同位素比，所述质谱系统比NMR系统使用起来更简单并且更便宜。

在本公开的优选实施例中，片段离子的产生的质谱包含一个或多个峰组，每个峰组包含：与单同位素片段离子相关的主峰；和至少一个变异峰，每个变异峰与单同位素片段离子的同位素变体相关。

换句话说，质谱中的每个片段离子峰可具有一个或多个与单同位素片段离子的同位素体相关联的变异峰。例如，除了仅含有最天然丰富的¹⁶O的片段离子的单同位素峰以外，含有氧的片段离子还可由于¹⁷O和¹⁸O的存在而具有两个同位素变异峰。本公开的方面可分析与每个片段离子相关的一个或两个变异峰，以提供所述分子的全面同位素概况。同位素概况因此可提供整个分子或分子的一部分的概况。

任选地，使质量选择的离子片段化包含产生至少两个片段离子，所述至少两个片段离子中的每一个与质谱中的对应的不同峰组相关。以这种方式，可以仅使用质谱法确定分子的同位素含量的特定分子内分布。尽管这样的实施方案是有利的，但应了解，本公开的方法不一定需要两个片段峰离子，因为在仅形成一个片段离子种类时就可获得有用的数据，其条件是片段与最初在质量窗口中选择的分子离子峰在化学计量上不同（即，同位素用于确定数据值的元素的原子数不同）。

在优选实施例中，本公开的方法包含确定对应峰组的同位素概况中的每个数据值，每个数据值被计算为对应峰组的主峰与变异峰之间的峰强度比。换句话说，方法可包含对于质谱中的一个或多个，并且优选地两个或更多个片段离子确定强度比M0/M+x，其中M0是由片段离子的单同位素同位素体所致的峰强度，且M+x是由片段离子的重同位素体所致的峰强度。

有利地，比较M0单同位素峰与由单同位素峰的同位素变体所致的M+x峰的强度提供了引起所述峰的特定片段的同位素富集或耗尽的量度。对于+1变体，计算的比率可以是M0/M+1、M+1/M0或与此类比率相关联或由其得出的任何其它量。强度比M0/M+1（当然还有其倒数M+1/M0）将取决于作为完整分子离子一部分的+1 Da同位素转移至片段离子的可能性。一般来说，对于较小的片段离子，此比率（M0/M+1）将较大，因为来自分子的小原子子集继承重稀有同位素的可能性较小。因此，峰强度比可含有关于分子和其片段离子的结构的大量信息。

优选地，单同位素分子离子的至少一个同位素变体是重同位素体。任选地，至少一个同位素变体具有M+x的标称质量，其中M为单同位素离子的质量，且x为整数（1、2、3、……）。单同位素离子的至少一个同位素变体可具有M+x的标称质量，且至少一个同位素变体具有M+y的标称质量，其中y是整数（1、2、3、……），并且y>x，优选地，其中y＝x+1。以这种方式，对不同标称质量的单同位素离子的至少两个重同位素变体同时进行质量选择，且同时使其片段化。例如，这可使得能够以M+1和M+2峰为目标，所述峰在许多有机分子中是特别重要的峰。以这种方式，可在单个实验运行中确定M+1和M+2同位素的分子同位素概况。

优选地，至少一个同位素变体选自²H、¹³C、¹⁴C、¹⁵N、¹⁷O、¹⁸O、³³S、³⁴S、³⁷Cl和⁸¹Br。有利地，这些同位素常见于许多有机分子中，使得大量的有机分子具有+1或+2同位素体。因此，将质量窗口聚焦在这些特定的同位素上可使得能够对大量有机和天然存在的物质进行准确且有效的分析。

任选地，至少一种同位素变体包含团簇同位素（相同分子中两种或多种稀有或重同位素的任何组合）。因此，可分析与其它重同位素一起存在的重同位素。团簇同位素具有普遍的科学兴趣，但尤其是在古气候学和大气研究中，其中团簇同位素特别普遍。

优选地，确定同位素概况包含将同位素概况中的每个数据值与片段离子的质量值相关联。换句话说，每个数据值（例如，每个峰强度比）可与特定的片段质量相关联，从而为所述物质提供独特概况，所述概况指示从所述物质获得的各种片段的同位素富集或耗尽。包含质量值和关联的峰强度比的数据结构可用作物质的唯一标识符。

任选地，同位素概况包含同位素位置分布。有利地，推断与每个片段离子相关的分子位置可使得能够直接从质谱系统确定分子的位点特异性同位素含量，而无需使用NMR来分析样品。位置同位素分布的知识对于机械化学可能特别有利，因为已知许多化学反应的速率取决于质量，且因此取决于同位素富集。因此，关于样品的分子内同位素分布的信息可用于推断样品合成的详细信息。

确定同位素位置分布可包含将每个数据值与分子的部分相关联。因此，在分子中的特定位点没有完全片段化的情况下，仍有可能鉴别整个特定部分中的平均同位素含量。当已知了已知分子的两个（或更多个）片段包含分子中的一个或多个共同原子时，可通过平均共享一个或多个共同原子的片段的同位素含量来确定共同原子的同位素含量。因此，即使特定的原子不能成为片段化的目标，如果原子是分子的几个不同片段所共有的，则仍可根据包含所述原子的部分的同位素含量来确定原子的同位素含量。

任选地，使每个数据值与分子中的部分相关联包含确定与片段离子的部分对应的分子的部分。有利地，可使用片段化库来自动化此过程，所述片段化库使用量子化学和/或启发式模型来预测分子的片段化路径。

优选地，方法进一步包含将同位素概况中的至少一个数据值与分子的参考样品的同位素概况中的至少一个对应数据值进行比较。换句话说，这可以包含将一个或多个片段离子的强度比M0/M+x与分子参考样品中对应片段离子的强度比M0/M+x进行比较，并从比较中确定样品的分子中至少一种重同位素的分布相对于参考样品的分子中至少一种重同位素的分布。因此，可使用广泛可用的标准样品对数据值进行归一化。另外，使用广泛可用的参考材料可适用于校准实施本公开内容的方法的质谱系统。

在优选实施例中，质量窗口以单同位素分子离子的同位素变体的质量为中心。当质量窗口分离基本上一个标称质量时（例如，当所述窗口至多为1 Da宽时），这是优选的。在质量窗口更宽且分离具有两个或多个标称质量的分子离子的同位素变体的情况下，质量窗口优选地位于所分离的最低和最高标称质量之间的中间位置（例如，M+1和M+2之间的中间位置，其中单同位素分子离子的M1和M2同位素变体被分离）。因此，可降低来自不需要的同位素体或加合物的干扰概率，从而提高数据采集的准确性。

在本公开的各方面中，分子离子可以是片段离子。换句话说，在本公开的一些方面中，特别有利的是设置质量窗口以分离分子的片段离子而不是物质的分子离子的M+x（其中x=1、2、3、……）值。在某些情况下，特别有利的是实施本身为离子源中形成的片段的离子的二次片段化（或甚至另外轮次的片段化）。分子的非常详细的同位素概况可通过执行多个阶段的片段化来获得。在一些此类实施例中，质谱仪可包含至少两个质量选择器或滤质器，以及任选地至少两个片段化装置。合适的质谱仪的一个实例是Thermo Scientific™Orbitrap Fusion™ Tribrid™质谱仪。此仪器组合了四极滤质器、片段化单元和质量选择离子阱以及轨道捕集质量分析仪。由此可执行片段离子的（同位素变体的）质量选择和所选片段离子的片段化。

在优选的实施例中，质量窗口的宽度小于2道尔顿或小于1道尔顿。此类质量窗口有利地使得能够探究有机分子共有的特定稀有同位素。碳、氢、氮、氧和硫的共同的、稳定的同位素通常将通过此类质量窗口来选择。当然，如果感兴趣的是三重取代或较重的同位素，则可使用包含值M+x（其中x是任何正整数）的质量窗口。

有利地，将质量窗口设置为不大于1道尔顿确保了为整个分子离子的单同位素峰（M0）或双取代峰（M+2）转移相对较少的离子。由于消除了较重的离子（即，含有加合H和/或其它重同位素取代基的那些离子），片段化谱含有较少的峰，从而简化了分析。由于离子选择，串联质谱通常比来自目标分析物的信号更快地降低来自污染物峰的信号，从而产生更好的信噪比。有利地，将质量窗口设置为小于1道尔顿可有助于消除分析中不需要的背景离子。

在本公开的一些实施例中，方法包含以小于20000或小于15000的分辨率执行质量分析。在诸如此类的相对较低分辨率下，质谱中的大多数M+1峰将记录为单个峰。有利地，这可以使得能够快速确定分子的同位素概况，所述同位素概况仍可用于精确地识别分子的来源。

在优选实施例中，方法包含以至少50000的分辨率执行高分辨率质量分析。优选地，分辨率可以是至少100000。质量分辨率可另外至少为240000。有利地，高分辨率质谱的使用可使得包含在同位素精细结构内的信息能够在确定分子的同位素概况时被利用。例如，在质谱中分辨等压线可使得能够将多个同位素变体的概况映射到整个分子中。例如，有可能针对来自单个高分辨率质谱的相同分子得出¹³C概况和²H概况。因此，可从单个实验中得出关于物质的同位素含量的大量信息。

任选地，本公开的方法包含根据分子中的同位素体之间的质量差来确定用于质量分析的分辨率。因此，质谱仪可用于动态地调整质量分辨率，以确保获得所需的误差或信号质量，或专门针对特定元素的同位素。

任选地，方法包含使用以下中的一个或多个来执行质量选择：四极滤质器、质量选择性RF离子阱、扇形磁场、飞行时间装置或维恩过滤器（Wien filter）。任选地，方法包含使用以下中的一个或多个来执行质量分析：轨道捕集质量分析仪、四极质量分析仪、飞行时间质量分析仪、具有RF阱（例如线性RF离子阱或3D RF离子阱）或静电阱（例如Cassini阱）的离子阱质量分析仪、傅里叶变换离子回旋共振质量分析仪和扇形磁场质量分析仪。任选地，方法包含通过执行以下中的一个或多个来使质量选择的离子片段化：碰撞诱发的解离、紫外线光解离、红外多光子解离、电子转移解离和电子捕获解离。本公开的方法可在已知质量分析仪、质量选择器和阱的任何合适的组合上实施。

方法可包含通过电喷雾电离或电子电离（EI，也称为电子碰撞电离或电子轰击电离）来产生分子的离子。可根据分析物的特性选择适当的产生离子的方法。根据所采用的电离方法，分析物的片段化模式可能不同，从而允许使用不同的电离方法来探测不同部分的同位素含量。

使质量选择的离子片段化可包含使质量选择的离子经受以下碰撞能量：至多500eV（即，至多且包括500 eV，或者小于500 eV）；至多100 eV（即，至多且包括100 eV，或者小于100 eV）；10至70 eV（即，大于10 eV且小于70 eV，或者10 eV至70 eV，包括值10 eV和70eV）；10至30 eV（即，大于10 eV且小于30 eV，或者10 eV至30 eV，包括值10 eV和30 eV）；或者50至70 eV（即，大于50 eV且70 eV，或者50 eV至70 eV，包括值50 eV和70 eV）。可根据分析物对片段化的抵抗性来选择片段化能量。例如，较高的碰撞能量可用于不易片段化的分析物。

在本公开的另一方面，提供了一种计算机程序，其被配置为当由处理器操作时使质谱系统执行本文所述的方法。本公开的方法可完全自动化，从而使得能够容易地分析物质并减轻仪器操作员的负担。

还提供了一种质谱系统，其被配置为执行本文所述的任何方法。

在本公开的另一方面，提供了一种鉴别样品的方法，所述方法包含：确定样品的同位素概况，所述同位素概况指示样品的同位素含量，所述方法包含：对质量窗口中的样品的离子进行质量选择，所述质量窗口不包括单同位素分子离子的质量，且包括单同位素分子离子的至少一个同位素变体的质量；将质量选择的离子片段化成片段离子；对一个或多个片段离子执行质量分析以产生质谱；和确定样品的同位素概况，所述同位素概况包含至少一个数据值，每个数据值与片段离子相关并根据质谱中多个峰的强度进行计算；确定所确定的同位素概况与数据存储库中的同位素概况之间的相似性量度；以及当相似性量度满足阈值条件时，将样品鉴别为与数据存储库中的记录对应。因此，可分析未知样品并将其与先前分析的样品的记录进行比较，以获得关于样品来源的信息。当鉴别出样品与所述物质的其它表征样品相对应或具有相似特性时，可将一个或多个匹配项返回给用户。

仪器操作和数据分析的这些原理在下面的特定工作实例中具有普遍适用性。

特定实例

现在参看图3a，描绘了本公开的方法的说明性实例。通过对甲硫氨酸（Met）的分析来证明所公开的方法，Met可通过直接注入溶液而引入质谱仪中。Met主要通过电喷雾电离而电离为[M+H]⁺分子离子，标称质量为m/z 150。其相对较低的分子量允许使用R>100000的当前Orbitrap^TM质量分析仪来分辨几乎所有分子离子和片段离子的同量异位M+1同位素体。Met的MS/MS片段化谱包含几个大于m/z 50的单电荷峰，其为Q Exactive^TM质谱仪中的低质量截止值。应了解，许多的多电荷峰低于低质量截止值，其简化了本公开的质谱的图示和分析。因此，Met是用于证明由本公开的方法提供的益处的理想材料，尽管应注意，所公开的技术通常适用于尺寸相似的有机分子。

Met的低分辨率测量结果表明¹³C的变化趋于主导M0/M+1比率变化，因为¹³C是Met中最丰富的+1 Da同位素。另外，高分辨率测量展现了由样品在位点特异性¹³C、¹⁵N、³³S、²H和¹⁷O变化之间的差异所致的一大类M0/M+1比值变化。本文介绍了对七个市售Met样品的调查分析，其中六个（Met-A、Met-B、Met-C、Met-D、Met-G、Met-H）是化学合成的，且其中一个（Met-E ）被描述为源自合成来源，但显示的特性表明其可能源自加工的母羊奶†。在下表1中描绘了本文所述的材料的完整规格，并且在表2中描绘了使用本公开的方法对于某些样品确定的位点特异性同位素比。

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† Met-E与来自Romek等人所用的MP Biomedicals的材料相同，其中以不同的批号（MR31057）对其进行报道。其原产地证书规定了合成来源，并且此产品的制造不使用任何动物来源的原料。但是，有可能的是其已从母羊奶中得到提纯，且由于加工而随后将其来源标记为‘合成的’。

‡ 由Romek等人先前报道的NMR和茚三酮反应。

* 通过irm-EA/MS对游离氨基酸的总值

** 位点C2和C3不可通过MS/MS进行区分，因此代表平均值。来自工具重复分析的值在括号内。

由于本公开返回了几个片段离子峰的M0/M+1比的相对精确的观察结果，每一个片段离子峰测量了母体分子离子中原子位点的不同子集，因此确定了Met的位点特异性同位素分布且将其与类似物进行比较使用其它方法获得的数据。特别地，最近通过irm-¹³C-NMR研究了此实例中分析的三种Met产物（Met-E、Met-G、Met-H），以获得¹³C/¹²C位置比。这两个（Met-E和Met-H）的NMR数据先前已有报道（Romek等人, “对甲硫氨酸合酶在天然产物的O和N甲基的普遍¹³C消耗中的作用的见解（Insights into the role of methionine synthasein the universal¹³C depletion in O- and N-methyl groups of natural products）”，《生物化学与生物物理学档案（Arch. Biochem. Biophys.）》, 2017, 635, 60-65）。因此，有可能将使用本公开的方法获得的结果与现有的分析方法进行比较。

为简单起见，在这些特定实例中，在材料之间的比较中，Met-A被视为内部参考标准。但是，应了解，可相对于其它参考标准对数据进行归一化。

现在参看图3a(i)，展示了Met的化学结构，其中将碳环境标记为C1（在羧酸根基团中），连续增加直至C5（在远离羧酸根基团的末端与硫键合的甲基）。在图3a(ii)中，对于在2017年10月（Oct-2017）和2018年2月（Feb-2018）进行的测量中在104的质量处具有峰值的片段，展示了三种不同的Met来源（Met-A、Met-B和Met-C）的M0/M+1比。在图3a(iii)中，展示了Met中的部分之间的映射以及与所述部分相关的片段的质量。然后，在图3a(iv)中，展示了Met的不同组合的混合物的M0/M+1值。

在图3a(ii)中证明了使用Met-A、Met-B和Met-C测量M0/M+1比的再现性。这三个化学合成的Met样品可通过其M0/M+1比来区分。片段104显示了这一点，所述片段是通过脱羧作用使碳C1损失而产生的。可以看出，在数据收集的第一天（2017年10月），Met-A的峰强度比与Met-B的峰强度比相差平均值的标准误差（SEM）的58倍，且与Met-C相差11 SEM。Met-B与相同材料的独立制备溶液之间的差异很小（<2 SEM）。

在2018年2月重复进行分析时，观察到三种材料之间的相似差异。具体而言，Met-A与Met-B相差（平均值）54 SEM，且与Met-C相差9 SEM。在这一天，对Met-A进行了四次分析，使用的是新鲜溶液，且重复注入相同的样品，相隔最多6个小时。对于这些运行，片段104的个别M0/M+1展现较大的可变性（至多7 SEM）。总体而言，M0/M+1值在数据收集的两个日期之间略有偏移，并且略高于早期的测量值，但三种材料之间的相对差异明显可再现。例如，Met-A的精确质量与Met-B的精确质量的平均差异在2017年10月为0.003004且在2018年2月为0.00308。因此，不同的Met来源各自具有特征性的M0/M+1值，所述值即使在制备和测量样品间隔数月的情况下，也随时间推移足够稳定。

在一天中，可见获得的值在重复之间存在差异，尤其是当样品相隔数小时进行分析时。例如，在图3a(ii)中，在2018年2月的Met-A测量中可见一定程度的可变性。因此，在本公开的某些实施例中，以可用于校正这种偏移比的方式收集数据可能是有利的。这可以通过例如在样品与参考标准品之间交替电离来实现。本领域技术人员将容易理解用于执行这种校正的其它合适的方法。因此，这些测量令人惊讶地证明了以可再现方式区分样品的能力。

在图3a(ii)中使用Met-A、Met-B和Met-C的四种等摩尔混合物证明了这些测量的线性和：mixA/B、mix-B/C、mixA/C和mixA/B/C。可以看出所述方法提供了位点特异性同位素分布差异的线性量度，因为分析了末端成员的混合物并证明具有测量的峰强度比介于那些末端成员中间的组成。在测量精度和样品制备中的称量误差的范围内，这基本上是正确的。某些预期比率与观察到的比率之间的细微差异可能是由于以下事实而出现：涉及某些同位素体的同位素指数可能展现细微的非线性，如先前针对团簇同位素体质所探讨（J.M.Eiler，“分子和矿物的同位素解剖学（The isotopic anatomies of molecules andminerals）”，《地球和行星科学年鉴（Annu. Rev. Earth Planet. Sci.）》 41 (2013) 411-441）。然而，这样的差异很小，并且不会明显损害所公开的方法区分来自不同来源的材料的能力。

如图3a(iv)所描绘，所有四种混合物的测量的M0/M+1比均在针对末端成员测量的那些之间，并接近预期值。来自在低分辨率和高分辨率下定量的所有片段和Met材料的这些和类似比较（例如，图4、5a和5b中示出的其它数据）表明，材料之间的同位素差异可以惊人程度的再现性和相对精度分辨，因此表明了在多种领域中的新颖应用。

接下来参看图3b，示出了四个Met样品的同位素概况。同位素的这种位置分布可通过将质谱中的峰组与分子部分相关联来获得。因此，可使用本公开的方法来确定指示物质在不同分子位点的相对富集或耗尽的同位素概况。

图3a(iii)的五个片段（具有单同位素质量56、61、102、104和133）与分子位置之间的关系可用来根据分子中的位置推断分子的同位素含量。图3b中所示的样品是Met-A（其为比较所有同位素丰度的参考样品）、Met-B、Met-B的重复样品和Met-C。在每个Met样品的每个可分辨位置示出了+1同位素的富集或耗尽。由于将Met-A用作这些测量的参考值，因此Met-A（根据定义）在每个分子位置的富集度均为0.0。

如在图3b中可见，Met-B和Met-B（重复）在羧酸盐部分处展现+1同位素的相对耗竭（-11.3%和-10.2%），而包含硫和C5甲基的部分为相对富集了+1同位素（+8.6%和+8.9%）。这些值在Met-B样品之间是一致的，并且清楚地证明与Met-A相比，Met-B的独特分子内同位素分布。类似地，Met-C在其分子位点之间展现将Met-C与Met-A以及Met-B样品区分开的分子内同位素分布。

结果表明，相对于Met-A和Met-C，Met-B在C1处耗尽。总体而言，与参考Met-A相比，Met-B和Met-C Met彼此更相似。Met-B与Met-C之间的共同特征是其在含有甲基（C5）的末端区域中的同位素富集。这些差异共同在结构上说明了这三种化学合成的Met样品的M+1离子在其分子内同位素分布中如何变化。如此处基于ESI-MS/MS数据执行的，将同位素变化映射到结构上有助于研究这些同位素异质性模式的形成。因此，本公开的方法提供了丰富的结构信息，其可用于描绘分子的来源和合成途径。

在图4中，描绘了同位素概况，其包含从低分辨率质谱得出的数据值集，其中，针对图3a(iii)中描绘的Met的五个片段中的每一个描绘了M0/M+1峰强度比。针对本公开中描述的七个Met样品计算这些比率：Met-A、Met-B、Met-C、Met-D、Met-E、Met-G和Met-H。由于此数据的质谱是在低分辨率下收集的，因此每个片段的M+1峰代表了+1同位素的总贡献，因为不可分辨仅通过含有不同+1同位素而不同的几乎同量异位的峰。如图4中所示，与各种样品中M0/M+1的变化相比，每种材料的每个M0/M+1比的误差条相对较小。因此，此低分辨率数据提供了分子的有用同位素概况，其可用于可靠且一致地区分样品。

应了解，尽管在本公开的一些实施例中，得出例如图3b中所描绘的同位素位置分布可能是有益的，但图4中所描绘的数据值集（或类似数据）本身具有很高的优势。如贯穿本公开所证明的，从包含片段质量和相关联的峰强度比（或从其得出的值）的物质得出的数据结构可有效地用作物质的同位素概况，其可用于可靠地鉴别和物质。因此，尽管可通过将片段与特定分子位点相关联而在可视化和定量分析中产生另外的好处，但这些与图4中示出的数据值集互补，提供了物质的唯一标识符。

接下来参看图5a和5b，描绘了高分辨率的数据值集，其显示了七个Met源样品的Met所有片段和同位素的M0/M+1比值：Met-A、Met-a（重复）、Met-D、Met-E、Met-E（重复）、Met-G和Met-G（重复）。可以看出，高分辨率质谱的使用使得能够确定Met的每种同位素体的片段特异性同位素比。此类数据可存储为甲硫氨酸的每个同位素变体（即，¹³C、²H、³³S、¹⁵N）的同位素片段和相关峰强度比。另外或替代地，数据可与分子位置而不是片段质量相关联，类似于图4的数据可如何与分子部分相关联。

从图5a和5b中所示的误差条可以明显看出，数据值（在这种情况下，峰强度比）在Met的不同来源之间以可靠且可再现的方式变化。因此，高分辨率方法被证明是准确的，并且能够区分不同的材料来源，同时提供关于M+1峰的精确同位素组成的更多细节。对Met片段化方案的理解意味着可使用图5a和5b的数据来合理化Met材料的同位素组成中的特定差异。

例如，现在参看图6，示出了用于Met的预测的片段化方案。如参看图4和5a、5b中的数据值集所描述的，此类片段化方案可用于自动缔合片段离子和分子部分。在图6中展示，Met片段的高分辨率质量和同位素精细结构与由广泛使用的工具（例如www.mzcloud.org）预测的片段化模式紧密匹配。检查了Met的片段化模式，使得能够预测哪些片段离子取样了哪些位点。

图6的数据可用于推断由片段化预测算法建议的机制生成的片段离子。值得注意的是，鉴别的机制包括脱氨作用（片段133）、脱羧作用（片段104）、C3与C4之间的C-C键断裂（片段61）、C4与S之间的C-S键断裂（片段102）以及相同的C-S键断裂外加脱羧作用（片段56）。

来自片段化方案的此信息有助于识别Met材料之间的特定差异。例如，较低的脱羧片段104的M0/M+1比指示在羧基（C1）中具有¹³C的同位素体占M+1分子离子的比例较小。因此，片段组成和测量的同位素丰度可用于计算不同分子位点中+1 Da同位素的丰度，应注意，通过质谱法不可区分的原子位置可分组成一个独特位点。

通过计算分子的独特位点的M+1离子（或其它同位素变体，如果需要）的丰度，图6的预测片段化方案可用于将预测片段离子的同位素变异映射到Met的化学结构。Met中氨基的N和H原子通常在低分辨率分析中一起测量，且因此被认为在同位素概况中形成了一个独特位点。然后，可预期从包含N和H位点的每个Met片段离子得出的峰强度比有助于针对N和H位点确定的同位素数据值。

在本公开的实施例中，针对Met（或任何其它物质）的片段，这可以通过用矩阵F定义片段来系统地实施，所述矩阵包含值0和1并且具有尺寸m×n。F中的每一列n依次代表Met的分子结构中的六个独特位点之一：氨基、C2-H、羧基、C3-H₂、C4-H₂和S-CH₃。每行m定义一个片段（片段-133：脱氨作用，片段-104：脱羧作用，片段-102：甲基硫的损失，片段-61：含硫的片段）。然后，值0和1可指示在第m个片段中不存在或存在第n个独特位点。可使用预测的片段化方案为各种分子自动填充矩阵F。

矩阵F可用于定义方程组，其可以F⋅S = A的形式表示，如方程式1所示。在本公开的实施例中，S是具有各自代表独特位点的同位素丰度的值的向量，而A是从通过执行质量分析获得的质谱得出的测量的中子丰度(M+1)/(M0 + M+1)的向量。

方程式1

展开方程式1中的方程组的顶行示出了可基于来自构成氨基位点的每个Met片段对峰强度比的贡献来计算用于Met中的氨基位点的同位素数据值。在这种情况下，如预期的那样，除了脱氨基片段以外的所有片段均对氨基位点的同位素数据值有贡献。

可通过改变矢量S中的值，通过最小化片段中预测和观察到的同位素丰度之间的相对差异，而从此方程组中计算出Met位点中M+1的丰度。Met位点中M+1的丰度可另外加以限制，以使其总和等于100%。用于求解这样的方程组的合适的线性代数技术对于本领域技术人员将是已知的。因此，求解由方程式1定义的方程组可使得能够计算同位素位置分布，例如对于不同的Met样品在图3b中所描绘的那些。应了解，可使用例如总同位素比的附加测量来对所计算的数据值提供进一步的限制。

现在参看图7，展示了使用以240000分辨率执行的Met M+1离子的高分辨率MS/MS测量来分辨同位素体的方法的实例。以高分辨率运行的Orbitrap^TM质量分析仪能够分辨M+1片段离子中特定元素的贡献，且因此能够获得有关同位素组成的高度确定的信息。

在图7(i)中，示出了Met的质谱。在图7(ii)中，分离并选择了单同位素分子离子峰的M+1变体进行MS²分析，从而提供了来自M+1分子离子的片段离子的高分辨率质谱。在图7(iii)中，示出了MS²产物离子组成和其理论精确质量。然后，图7(iv)描绘了在较窄质量范围内的图7(ii)的高分辨率数据，且展示从图7(iii)的值可以看出，高分辨率质谱中的几乎同量异位峰可被分辨且与特定的同位素化学组成相关联。因此，本公开的方法可使得峰强度比能够与以下中的任何一个或多个相关联：片段质量；片段化学组成（包括有关存在哪些同位素体和存在的数量的精确信息）；以及片段或分子中同位素的位置分布。

参看图8，示出了数据值集，其指示片段的同位素精细结构中的信号可如何用于区分Met的来源。在此实例中，高分辨率模式是使用与先前所述相同的仪器设置执行的，除了增加分辨力并在更长的时间段内收集数据。在本实例中，以240000的分辨率收集了1个小时的数据，大约相当于7000次扫描。描述了2017年9月和2018年2月进行的测量，以证明所获得值的长期稳定性。

为了获得图8的数据，在2017年9月对两种市售的化学合成产品Met-A和Met-D、其等摩尔混合物（mix-A/D）以及重复注入的Met-D的溶液各自以高分辨率进行了分析。高分辨率仪器设置的使用使得能够分辨M+1峰的许多同位素变体（¹³C、²H、³³S、¹⁵N，其中¹⁷O未分辨）。在图8中，所示数据与¹³C峰的M0/M+1比有关，其中数据点表示几何平均值，且误差条为±SEM。这些数据表明，在高分辨率操作模式下，其中某些问题的数据收集可能需要在不超过几个小时内注入样品，因此测量的相对准确性足以检测Met材料之间的清晰和可再现的同位素差异。

为了深入测试本公开的高分辨率方法，再次分析了来自Met材料的子集的广泛数据值集。特别是在2018年2月再次分析了Met-A和Met-D，证实了同位素差异的长期再现性。因此，本公开的高分辨率方法代表了用于表征物质的准确和可靠的工具。

接下来参看图9a和9b，示出了从Met的分析得出的另外的高分辨率数据值集。在图9a(i)中，针对多个样品展示了Met的片段-104的¹³C、²H、¹⁵N和³³S同位素比：Met-A、Met-A（重复）、Met-D、Met-E、Met-E（重复）、Met-G和Met-G（重复，分析两个小时）。在图9a(ii)中，对于在图9a(i)中分析的每个样品，对于使用在整个本公开中描述的实验装置可分辨的Met的五个片段中的每一个，描绘了¹³C峰强度比。

在重复实验中分析了Met-E（一种疑似非合成的材料）和Met-G。对于Met-E和Met-G，位点特异性碳同位素组成也通过¹³C-NMR得知，使得能够分析所公开方法的准确性。即使个别注入相隔数小时，仍在图9a(i)和9a(ii)中展示了Met样品之间的可再现同位素差异。图5a和5b是图9a(i)和9a(ii)的数据的更全面的概述。

在Met-E和Met-G中，由于脱羧而产生的片段（片段104,）的¹³C峰的峰强度比（M0/¹³C）小于Met-A和Met-D，表明相比于Met-A和Met-D，片段-104相对更富集在¹³C中。这表明Met-E和Met-G中的羧基在同位素上较轻。使用参看图4描述的低分辨率数据可获得相同的结论，其中在样品之间观察到峰强度的相同模式。因此，低和高分辨率数据值集都是有关分子的组成、结构和合成历史的有力信息来源。

现在参看图9b(i)，描绘了使用与高分辨率数据有关的所公开的方法可获得的信息的进一步可视化。如在整个本公开中所证明的，高分辨率数据含有许多同位素尺寸。通过将M0/M+1绘制为雷达图来描绘Met源之间的相似性和差异，其中每个楔形代表一个同位素尺寸，且每个楔形的半径与针对特定同位素尺寸的测量的M0/M+1比值成正比。图9b(i)的右侧提供了一个键，其指示所描绘的峰强度比。

从这些可视化结果中可以明显看出，Met-E和Met-G在许多测量的同位素尺寸中相似，并且仅在尺寸上对M+1分子离子的总同位素含量有微弱的贡献。最显著的差异是，相比于Met-E，片段133对Met-G的雷达图的贡献小得多；且Met-E的片段-104中的²H楔形非常突出，而在Met-G中则可以忽略不计。因此，这些分析表明，MS/MS提供了一种基于同位素概况来区分材料的合适的方法。

接下来参看图9b(ii)，描绘了与NMR和茚三酮反应相比，MS/MS数据可用于限制位点特异性同位素组成的程度的图示。为了确定位点特异性δ¹³C值，位点C1-C5的¹³C含量可受样品的总δ¹³C测量限制。此外，由于位点C2和C3通常不能在单独的MS/MS片段中测量，因此这两个位点可被限制为具有相同的值。位点特异性δ¹³C值可接着通过最小化片段的预测同位素丰度与观察到的同位素丰度之间的差异，通过改变C1、C2（限制为等于C3）和C4的δ¹³C值来确定。C5的δ¹³C值可另外受每个样品的测量的总δ¹³C值限制。因此，可确立样品的详细同位素概况。

极少数具有中等结构复杂性的化合物已针对其C或H同位素结构进行了表征，并且对于所有位点特异性同位素比，都没有限制与Met相当大小的天然存在的生物分子。因此，本公开的方法为Met提供比任何先前已知的工作彻底得多的同位素剖面，使得难以评估在本公开中观察到的所有同位素尺寸的准确性。

然而，对于材料Met-G和Met-E，有可能将本文所述的实验发现与在使用¹³C-NMR的先前研究中测量的位点特异性δ¹³C值进行比较。此外，有可能使用由茚三酮处理获得的δ¹³C值来评估羧基碳（C1）的同位素含量，所述处理以含有此特定碳原子的分子部分为目标。对于茚三酮方法，在δ¹³C已从Met释放之后，从CO对其进行测量。

对于后续评估，重要的是应注意，源自本公开内容的MS/MS方法的位点特异性同位素变异并不是关于²H、¹³C、¹⁵N、¹⁷O或³³S的分子平均同位素清单的陈述。这是因为本公开不需要相对于被排除的分子离子（即，M0、M+2等）对M+1分子离子的丰度进行任何限制。但是，已知多种完善的测量H、C、N、O和S同位素的总同位素组成的方法，且本研究中所检验的Met材料的此类数据如表1中所示。表2中的比较使用表1的总δ¹³C和来自NMR的位点特异性δ¹³C值来计算Met-G的MS/MS谱，接着将其相比于Met-G的测量M0/M+1比，以校正MS/MS测量中存在的同位素分级。对针对Met-E测量的MS/MS数据应用相同的校正因子为Met-E的位点特异性δ¹³C（VPDB）提供了限制，接着将其与通过NMR和茚三酮方法测量的那些相比。

对于Met-E的C1原子，有可能比较三种独立的位点特异性测量技术，如图9b(ii)所描绘。茚三酮反应和NMR均表明，Met-E中的C1比Met-G中的C1在同位素上轻4-5‰。MS/MS分析针对Met-G产生的δ¹³C为-31.8‰，且针对Met-E产生的δ¹³C为-38.5‰。就绝对δ¹³C值以及差异而言，Met-E在同位素上比Met-G轻6.7‰，这与NMR和茚三酮方法均为一致的。

对于C2至C5处的碳位点，只能将MS/MS数据与NMR进行比较，因为茚三酮反应无法探测这些位点的同位素含量。由于Met的片段不包括通过破坏C2-C3键生成的片段，因此在质谱中从未单独观察到这两个位点，且因此无法区分。因此，对于C2和C3得到的δ¹³C表示这两个碳位点的平均值。基于MS/MS，Met-E的C2和C3（-28.7‰）比C1位置在同位素上更富集。NMR数据表明-32.0‰的一致但稍轻的平均值，且NMR另外展现所述位点不相等。

位点C4和C5通过MS/MS分辨，且当由NMR和MS/MS确定时展现非常相似的δ¹³C值。

因此，从MS/MS数据推断的位点特异性δ¹³C值与通过NMR和茚三酮反应可获得的测量值是一致的，在约1‰内，如表2所示。因此，所公开的方法与用于确定分子中的位点特异性同位素分布的现有方法一致，并且与其相比有利，而所需的样本量却小得多。

尽管从针对高分辨率数据值集中的其它Met材料的NMR分析不可获得位点特异性同位素限制，但仍可计算其同位素组成，如图9b(ii)所示。Met-A和Met-D具有相似的δ¹³C同位素结构，且这两种材料中的羧基碳C1相对于位点C2-C4没有被耗尽，与Met-G和Met-E形成了鲜明对比。因此，本公开的方法提供了用于区分材料的稳定、可靠的方法。

因此，本公开的方法可被证明能够提供可靠的分子概况，其可用于区分材料来源。此类概况的特定应用是在尝试鉴别已知或未知材料的来源时。在这种情况下，可使用上述的低分辨率或高分辨率方法对样品进行分析，且由此获得指示样品的同位素含量的样品的同位素概况。此概况包含数据值集，且可在数据存储库或数据库中搜索这些值。此类数据存储库可包含先前已被鉴别并且从已知来源获得的物质的概况。因此，如果数据存储库中的概况具有与未知物质的概况足够相似的值（即，满足相似条件），则存储库中的概况可用于鉴别来源、供应商、年龄、身份或可能与数据存储库中鉴别的概况相关的物质的任何其它特征。可使用用于比较数据值集的任何已知的相似性量度，例如，Jaccard距离。

在整个本公开中，已参考Met论证了所公开的方法的有效性。然而，应了解，本公开的方法可应用于其它物质。例如，公开的质谱系统将能够分辨具有与Met相当的尺寸的有机分子的质谱中的许多同位素峰。因此，任何质量至多为大约150原子质量单位的物质都将适合使用高分辨率操作模式进行分析，且低分辨率模式可再次探测到更高的质量。特别地，在某些情况下，可用的质谱系统可能能够对质量高达250、500、1000或高达10-100 kDa的分子执行高分辨率分析。

以上方法和说明性数据涉及对作为溶解于极性溶剂中的溶质递送至电喷雾电离离子源的分析物的分析。上面呈现的所有此类测量均使用Q Exactive^TMHF质谱仪进行。然而，以上方法不限于此硬件，且可使用其它设备和分析物的形式。例如，气体离子源电离可用作研究非极性挥发性分析物的一种手段。特别地，可使用上述类似方法对引入至电子碰撞（EI）气体离子源中的非极性挥发性化合物执行位点特异性同位素分析。此类测量易于与挥发性分析物的气相色谱（GC）分离相结合，从而促进了对复杂混合物的组分的同位素结构的研究（例如，通过将混合物注入至GC中，接着将洗脱峰引入至轨道捕集质谱仪的气相离子源中）。可使用Q Exactive^TMGC质谱仪来执行此类测量。

具体地，对M+1峰进行片段化和分析的上述技术可用于限制13C和D在正庚烷和芘的片段离子当中的位点特异性分布。在两种情况下，分析物都可能溶解在非极性溶剂中，注入至GC中，且将洗脱峰捕集在钝化的不锈钢储集器中，且接着用氦气冲洗至Q Exactive^TMGC质谱仪的EI离子源中。使用AQS四极滤质器来分离M+1分子离子峰。然后，分离的离子在HCD单元中进行碰撞片段化，且将片段离子注入至Orbitrap^TM分析仪中进行质量分析。因此，一般而言，本公开的方法可包含通过电喷雾电离或电子电离（EI，也称为电子碰撞电离或电子轰击电离）产生分子离子。

通过电子电离而不是电喷雾电离产生分子离子的主要区别在于，EI离子源中的电离通常会产生母体分析物分子的大量片段离子。因此，尽管将M+1技术应用于在电喷雾电离离子源中被电离的分子通常会分离一个分子离子峰且使其片段化，但将相同原理应用于具有EI离子源的质谱仪可允许将相同方法应用于片段离子的分离的M+1峰（即，在质量分析之前，将片段离子分离且使其在HCD单元中进行第二片段化）。对于具有某些结构和EI片段化模式的某些分析物，此附加能力可能非常有利。在有利的情况下，此方法允许表征母体分析物分子的一个或多个特定部分的位点特异性同位素结构。例如，睾酮的甲酯衍生物的EI电离会产生由母体分子的‘A’环构成的片段离子。当对此片段离子进行M+1峰分析时，有可能限制‘A’环中非等价原子位点之间的¹³C和D的位点特异性分布。因此，分子中位点的同位素含量可被限制到高度的特异性。

本文所述的技术利用各种分子的片段化模式来阐明有关分析物的信息。例如，碰撞片段化（例如在Q Exactive^TM质谱仪的HCD单元中）通常适合于将分离的离子片段化为两个或更多个由原子位点的非等价混合物构成的片段。一些化合物（例如多环芳烃）在10至30eV的典型碰撞能量下具有很高的碰撞片段化抗性。在这种情况下，可使用Q Exactive^TMGC系统以50至70 eV的碰撞能量在HCD单元中对芘的分离的M+1分子离子进行碰撞片段化。这种极端的碰撞能量能够将抗性离子物质分裂为较小的片段，从而允许通过对M+1离子进行质量分析来测量同位素结构。因此，取决于特定的分析物，可使用各种碰撞能量，其中优选的能量范围是10至30 eV和50至70 eV。

尽管已参考特定类型的数据、装置和应用描述了本公开，并且尽管本公开在这种情况下提供了特定优点，但如本文所论述，本公开可应用于其它类型的数据、装置和应用。例如，任何提及的质量选择器可理解为替代地提及滤质器，且任何提及的片段化装置可理解为提及片段化单元。除非另有说明，否则本说明书中公开的每一个特征可以由具有相同，等同或相似目的的替代特征代替。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。

如本文所使用（包括在权利要求书中），除非上下文另有指示，否则本文中的术语的单数形式应被理解为包括复数形式，且当上下文允许时，反之亦然。例如，除非上下文另有指示，否则在本文中，包括权利要求书中的单数形式，例如“一（a/an）”（例如一个峰强度比，或一个变异峰）意指“一个或多个”（例如，一个或多个峰强度比，或一个或多个变异峰）。在本发明的描述和权利要求书中，词语“包含（comprise）”、“包括”、“具有”和“含有”以及这些词语的变型，例如，“包含（comprising）”和“包含（comprises）”或类似词语表示“包含但不限于”，且并不意图（且并不）排除其它组件。

本文提供的任何和所有实例或示例性语言（“例如（for instance）”、“如”、“例如（for example）”以及类似语言）的使用旨在仅更好地说明本公开，并且除非另外要求，否则并不指示对本公开范围的限制。说明书中的任何语言均不应解释为指示实施本公开所必需的任何未要求要素。

除非另有说明或上下文另外要求，否则本说明书中描述的任何步骤可以任何顺序或同时执行。

本说明书中公开的所有方面和/或特征可以任何组合进行组合，此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。确切地说，本公开的优选特征能适用于本公开的所有方面且可以任何组合使用。同样，以非必需组合形式所述的特征可单独（不以组合形式）使用。

Claims (27)

1.一种用于确定分子的同位素概况的方法，所述同位素概况指示所述分子的同位素含量，所述方法包含：

在质量窗口中对所述分子的离子进行质量选择，所述质量窗口不包括单同位素分子离子的质量，且包括所述单同位素分子离子的至少一个同位素变体的质量；

将质量选择的离子片段化成片段离子；

对一个或多个所述片段离子执行质量分析以产生质谱；以及

确定所述分子的所述同位素概况，所述同位素概况包含至少一个数据值，根据所述质谱中多个峰的强度来计算片段离子的每个数据值。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述质谱包含一个或多个峰组，每个峰组包含：

与单同位素片段离子相关的主峰；和

至少一个变异峰，每个变异峰与所述单同位素片段离子的同位素变体相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使所述质量选择的离子片段化包含产生至少两个片段离子，所述至少两个片段离子中的每一个与所述质谱中对应的不同峰组相关。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其包含确定对应峰组的所述同位素概况中的每个数据值，每个数据值被计算为所述对应峰组的所述主峰与所述变异峰之间的峰强度比。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述单同位素分子离子的所述至少一个同位素变体是重同位素体。

6.根据权利要求5所述的方法，其中至少一个同位素变体具有M+x的标称质量，其中M为所述单同位素离子的质量，且x为整数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个同位素变体具有M+x的标称质量，且至少一个同位素变体具有M+y的标称质量，其中y是整数，并且y>x。

8.如权利要求7所述的方法，其中y＝x+1。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中至少一个同位素变体选自：²H；¹³C；¹⁴C；¹⁵N；¹⁷O；¹⁸O；³³S；³⁴S；³⁷Cl；和⁸¹Br。

10.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中至少一个同位素变体包含团簇同位素。

11.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述同位素概况包含将所述同位素概况中的每个数据值与片段离子的质量值相关联。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述同位素概况包含同位素位置分布。

13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述同位素位置分布包含将每个数据值与所述分子的部分相关联。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将每个数据值与所述分子中的部分相关联包含确定与所述片段离子的部分对应的所述分子的部分。

15.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含将所述同位素概况中的所述至少一个数据值与所述分子的参考样品的同位素概况中的至少一个对应数据值进行比较。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述质量窗口以所述单同位素分子离子的所述同位素变体的质量为中心。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述分子离子是片段离子。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述质量窗口具有小于2道尔顿或小于1道尔顿的宽度。

19.根据权利要求1所述的方法，其包含以小于20000的分辨率执行质量分析。

20.根据权利要求1所述的方法，其包含以至少50000的分辨率执行高分辨率质量分析。

21.根据权利要求1所述的方法，其包含根据所述分子中的同位素体之间的质量差来确定所述质量分析的分辨率。

22.根据权利要求1所述的方法，其包含使用以下中的一个或多个来执行质量分析：轨道捕集质量分析仪、四极质量分析仪、飞行时间质量分析仪、具有RF阱或静电阱的离子阱质量分析仪、傅里叶变换离子回旋共振质量分析仪和扇形磁场质量分析仪。

23.根据权利要求1所述的方法，其包含通过执行以下中的一个或多个来使所述质量选择的离子片段化：碰撞诱发的解离、紫外线光解离、红外多光子解离、电子转移解离和电子捕获解离。

24.根据权利要求1所述的方法，其包含通过电喷雾电离或电子电离来产生所述分子的所述离子。

25. 根据权利要求1所述的方法，其中使所述质量选择的离子片段化包含使所述质量选择的离子经受以下碰撞能量：至多500 eV；至多100 eV；10至70 eV；10至30 eV；或50至70eV。

26.一种质谱系统，其被配置成执行根据权利要求1所述的方法。

27.一种鉴别样品的方法，所述方法包含：

使用根据权利要求1所述的方法来确定所述样品的同位素概况；

确定所确定的同位素概况与数据存储库中的同位素概况之间的相似性量度；和

当所述相似性量度满足阈值条件时，将所述样品鉴别为与所述数据存储库中的记录对应。