離子阱

離子阱 圖片來自百度

離子阱（Ion trap），大致分為三維離子阱（3D Ion Trap）、線性離子阱（Linear Ion Trap）、軌道離子阱（Orbitrap）三種。

除軌道離子阱外，離子阱使用電磁場將離子限定在特定的空間內，通過改變電場的參數，使特定的離子進入不穩定狀態，最終導致離子從預留的孔或窄縫中射出到達檢測器。除軌道離子阱，離子阱質量選擇器因為其特有的空間限定特點，使其在多級質譜分析(MS-MS)中占據了重要的地位。

• 中文名:離子阱質量分析器

• 外文名:Ion trap mass analyzer

• 分 類:三維離子阱線性離子阱軌道離子阱

• 應 用:改進光譜測量的精確度

• 學 科:物理

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目錄

定義

離子阱是一種將離子通過電磁場限定在有限空間內的設備。

被限定的離子處於「穩定區」。傳統的離子阱通過調整電場參數，使離子進入「不穩定區」，繼而從預製空間脫離離子阱。

發展

離子阱並不是一個很新穎的裝置，早在50年代末它就被應用於改進光譜測量的精確度。設法提高光譜精確度是每個從事原子光譜研究的科學家所追求的聖杯，有人曾這麼比喻：如果哪一天上帝允諾幫每個人實現一個願望，十個原子光譜學家中，大概有九個都會希望上帝做同一件事──以他偉大的神力把一個原子或分子一動也不動地固定在空間中某一點，好讓這些科學家把光譜線量到無比精確。這當然只是一個夢想，一個在真實世界中永遠無法實現的願望。由於測不準原理的作祟，DE不可能無限小，所以譜線不可能量到無限准。但是如果我們能使Dt夠大，DE還是可以很小，換言之，想要量到更精準的譜線，測量時間必須拉長，因此必須設法局限住待測物體。於是離子阱因應而生，它的原理十分簡單：利用電荷與電磁場間的交互作用力來牽制帶電粒子的運動，以達到將其局限在某個小範圍內的目的。

為了避免空間電荷效應和簡化電極結構，後來人們使用四級杆的結構加入前後端蓋的方式開發出線型離子阱，線型離子阱的離子聚焦在一條線上面，與三維離子阱相比，增加了離子的存儲量，提高了儀器的靈敏度。線型離子阱有被稱為二維離子阱。

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結構性能

在質譜的使用過程中，離子阱被認為做定性方面有較大優勢；而四極杆在定量方面有優勢。

離子阱在做多級MS方面有性能（非常容易就能做到3級以上的MS）和成本（只用一個阱就能做）上的優勢；而四極杆只能做到二級MS（三重四極杆儀器），且價格較貴。

三維離子阱

三維離子阱，由一對環形電極（ring electrod）和兩個呈雙曲面形的端蓋電極（end cap electrode）組成。在環形電極上加射頻電壓或再加直流電壓，上下兩個端蓋電極接地。逐漸增大射頻電壓的最高值，離子進入不穩定區，由端蓋極上的小孔排出。因此，當射頻電壓的最高值逐漸增高時，質荷比從小到大的離子逐次排除並被記錄而獲得質譜圖。離子阱質譜可以很方便地進行多級質譜分析，對於物質結構的鑑定非常有用。這種由一對環電極和兩個雙曲面端電極形成的離子阱稱為三維離子阱，離子聚焦的位置是在中心的一個點上，具有比較大的空間電荷效應，常規的三維離子阱的離子存儲數目為幾千個。

線性離子阱

線性離子阱，結構與四級杆質譜非常相似，由兩組雙曲線形級杆和兩端的兩個極板組成。兩組級杆中，其中一組施加一個交變電壓，另一組施加兩個交變電壓。在其中一組級杆上開有窄縫，通過改變三組交變電壓驅動離子從窄縫射出。

線性離子阱的工作原理源自四級杆質譜儀。四級杆質譜儀中，加在兩組級杆上的電場表達可以大致的寫為：P = U + V cos (wt) 和 P' = - U - V cos (wt)。其中，U/V的比值，表示離子的選擇精度和通過率。U/V越高，則選擇精度越高，然而通過的離子數就更少。 [1] 在線性離子阱中，U值為0V，僅在四級杆上施加交變電壓。離子不被選擇的全部限定在空間中。在其中開窄縫的級杆上，加有另外一組交變電壓。也就是有三個交變電壓。通過協調三個交變電壓，使離子進入不穩定狀態繼而從窄縫中射出。

線性離子阱在進行多級質譜分析(MS-MS)時，首先限定目標質量的離子。通過調整交變電壓，將大於以及小於目標質量的離子射出，從而使得僅有一個質量的離子存在於離子阱中。目標質量的範圍被稱為Isolation Width。之後通過向離子阱內注入氣體（通常為氦氣或氮氣），與離子發生碰撞使其被打成碎片。也有直接通過鎢絲的熱電效應釋放的電子來擊碎離子的方法，這種方法非常類似於(Electron Ionization, EI)。

軌道離子阱

軌道離子阱(Orbitrap)在原始專利(US7714283 B2)中的名字是靜電場離子阱(Electrostatic Trap)。 [3] 其中工作原理類似於電子圍繞原子核旋轉。由於靜電力作用，離子受到來自中心紡錘形電極吸引力。由於離子進入離子阱之前的初速度以及角度，離子會圍繞中心電極做圓周運動。離子的運動可以分為兩部分：圍繞中心電極的運動（徑向）和沿中心電極的運動（軸向）。因為離子質量不同，在達到諧振時，不同離子的軸嚮往復速度是不同的。設定在離子阱中部的檢測器通過檢測離子通過時產生的感應電流，繼而通過放大器得到一個時序信號。因為多種離子同時存在，這個時序信號實際是多種離子同時共振在不同頻率的混頻信號。通過傅立葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)，得到頻譜圖。因為共振頻率和離子質量的直接對應關係，可以由此得到質譜圖。

軌道離子阱體積非常小（小於一個手掌），但其支持系統非常龐大。軌道離子阱需要非常苛刻的真空環境，通常在Pa，這個數值接近外太空真空水平。但其解析度可達140000(Thermo(R) Orbitrap Exactive)， 280000(Thermo(R) Orbitrap Fusion)。此解析度可以分辨質子與中子間的質量差。

視頻

離子阱，被捕獲的離子