同位素外标检测

发布时间：2025-07-04 08:24:38 阅读量：1 作者：生物检测中心

同位素外标检测技术详解

同位素外标检测（Isotope Dilution Mass Spectrometry with External Calibration，简称 IDMS-EC）是现代分析化学中一项高精度、高准确度的定量分析技术。它结合了同位素稀释法的优势与外部校准的便捷性，特别适用于复杂基质中痕量目标物的精确定量。其核心原理在于利用同位素标记物作为参照，通过质谱检测信号强度的相对关系进行定量。

核心原理与工作流程

  1. 同位素标记物： 使用化学性质与目标分析物（目标物）极其相似、但含有特定稳定同位素（如 ²H、¹³C、¹⁵N）的化合物作为标记物（如分析物为某药物，则标记物为氘代或¹³C标记的该药物）。标记物在样品前处理、色谱分离和电离等过程中行为应与目标物高度一致。
  2. 样品前处理与添加：
    • 在样品基质（如血液、尿液、环境水样、食品提取液）中，精确加入已知量的同位素标记物。
    • 进行必要的提取、净化、富集等前处理步骤。由于标记物与目标物化学性质相似，它们在处理过程中的损失或回收率变化应高度一致（共洗脱、共萃取）。
  3. 色谱分离： 使用高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）或超高效液相色谱（UPLC）等技术将目标物、标记物以及其他可能干扰的组分分离开来。
  4. 质谱检测：
    • 分离后的组分进入质谱仪（通常为串联质谱 MS/MS 或高分辨质谱 HRMS）进行电离和检测。
    • 质谱仪同时监测目标物和同位素标记物各自的特征离子对（母离子->子离子）的信号强度（峰面积或峰高）。目标物信号记为 A<sub>n</sub>，标记物信号记为 A<sub>s</sub>。
  5. 外部校准曲线建立：
    • 独立于样品： 使用不含目标物的空白基质或溶剂，配制一系列已知浓度梯度的标准溶液（标准曲线点）。
    • 加入标记物： 在每个标准曲线点溶液中，加入与样品中相同浓度的同位素标记物。
    • 同步处理与分析： 这些标准溶液需经历与样品完全相同的前处理（如有）和仪器分析过程。
    • 计算响应比： 对每个标准点，计算目标物信号 A<sub>n</sub> 与标记物信号 A<sub>s</sub> 的比值：R = A<sub>n</sub> / A<sub>s</sub>。
    • 绘制曲线： 以目标物的已知浓度 (C<sub>n</sub>) 为横坐标，以对应的响应比 (R) 为纵坐标，绘制标准曲线。该曲线通常呈现良好的线性关系。
  6. 样品定量计算：
    • 对处理好的样品进行分析，同样计算其目标物信号 A<sub>n(sample)</sub> 与标记物信号 A<sub>s(sample)</sub> 的比值：R<sub>sample</sub> = A<sub>n(sample)</sub> / A<sub>s(sample)</sub>。
    • 将 R<sub>sample</sub> 代入上述建立的外部标准曲线中，即可直接查得或计算出样品中目标物的浓度 C<sub>sample</sub>。
 

技术优势

  • 高精度与准确度：
    • 标记物的加入补偿了样品前处理过程中的损失（回收率校正）。
    • 标记物与目标物共洗脱，共同经历基质效应（离子抑制/增强），有效抵消其对定量结果的影响。
    • 利用响应比（R）而非绝对信号强度进行定量，减少仪器波动带来的误差。
    • 外部校准曲线经过与实际样品相同的处理流程，更贴近实际分析条件。
  • 高灵敏度与特异性： 质谱检测，特别是MS/MS或HRMS，具有极高的灵敏度和选择性，能有效区分目标物、标记物和基质干扰。
  • 适用性广： 适用于各种复杂基质（生物体液、环境样品、食品、药品等）中痕量、超痕量物质的定量分析。
 

关键应用领域

  • 临床检验与诊断： 精准定量血液、尿液中的药物、激素、代谢物、生物标志物（如维生素D、类固醇激素、治疗药物监测）。
  • 药物研发与药代动力学： 研究药物在生物体内的吸收、分布、代谢和排泄（ADME），进行生物等效性评价。
  • 环境监测： 检测水、土壤、沉积物中的农药残留、环境激素、持久性有机污染物（POPs）等。
  • 食品安全： 分析食品中的兽药残留、农药残留、真菌毒素、非法添加物等。
  • 法医毒理学： 鉴定和定量生物样本中的毒物、毒品及其代谢物。
  • 代谢组学与蛋白质组学： 对复杂生物样本中的小分子代谢物或特定蛋白质进行精确定量。
 

局限性

  • 成本较高： 同位素标记物通常价格昂贵。
  • 标记物可获得性： 并非所有目标物都有市售或易于合成的合适同位素标记物。
  • 潜在干扰： 高丰度天然同位素峰可能干扰低丰度标记物的检测（需选择合适标记位置和同位素）；目标物与标记物色谱行为需高度一致。
  • 标准曲线制备： 需要模拟样品基质或使用基质匹配标准曲线，制备相对繁琐。
 

总结

同位素外标检测（IDMS-EC）是当前痕量定量分析的金标准方法之一。它巧妙地利用稳定同位素标记物作为内标，结合外部校准策略，在最大程度上克服了复杂基质干扰和前处理损失带来的误差，实现了无与伦比的准确度和精密度。尽管存在成本较高和标记物可获得性的限制，其在临床检验、药物研发、环境监测、食品安全等众多关键领域的需求持续增长，是支撑高水平科学研究与精准检测的基石技术。随着质谱技术的不断进步和标记物合成方法的优化，该技术将继续在复杂体系痕量分析中发挥不可替代的作用。