离子阱

离子阱

离子阱并不是一个很新颖的装置，早在50年代末它就被应用于改进光谱测量的精确度。设法提高光谱精确度是每个从事原子光谱研究的科学家所追求的「圣杯」，有人曾这么比喻：如果哪一天上帝允诺帮每个人实现一个愿望，十个原子光谱学家中，大概有九个都会希望上帝做同一件事──以他伟大的神力把一个原子或分子一动也不动地固定在空间中某一点，好让这些科学家把光谱线量到无比精确。这当然只是一个梦想，一个在真实世界中永远无法实现的愿望。由于测不准原理的作祟，DE不可能无限小，所以谱线不可能量到无限准。但是如果我们能使Dt够大，DE还是可以很小，换言之，想要量到更精准的谱线，测量时间必须拉长，因此必须设法局限住待测物体。于是离子阱因应而生，它的原理十分简单：利用电荷与电磁场间的交互作用力来牵制带电粒子的运动，以达到将其局限在某个小范围内的目的。

离子阱，又称离子陷阱，是一种利用电场或磁场将离子（即带电原子或分子）俘获和囚禁在一定范围内的装置，离子的囚禁在真空中实现，离子与装置表面不接触，应用最多的离子阱有“保罗阱”（四

极离子阱，沃尔夫冈·保罗）和“Penning阱”。离子阱可以应用于实现量子计算机，量子计算机以粒子的量子力学状态，如原子的自旋方向等表示0和1，称为“量子比特”，离子阱利用电极产生电场，将经过超冷处理的离子囚禁在电场里，实现量子比特。

离子阱(Ion trap)，由一对环形电极(ring electrod)和两个呈双曲面形的端盖电极(end cap electrode)组成。在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上下两个端盖电极接地。逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖极上的小孔排出。因此，当射频电压的最高值逐渐增高时，质荷比从小到大的离子逐次排除并被记录而获得质谱图。离子阱质谱可以很方便地进行多级质谱分析，对于物质结构的鉴定非常有用。这种由一对环电极和两个双曲面端电极形成的离子阱称为三维离子阱，离子聚焦的位置是在中心的一个点上，具有比较大的空间电荷效应，常规的三维离子阱的离子存储数目为几千个。

为了避免空间电荷效应和简化电极结构，后来人们使用四级杆的

结构加入前后端盖的方式开发出线型离子阱，线型离子阱的离子聚焦在一条线上面，与三维离子阱相比，增加了离子的存储量，提高了仪器的灵敏度。线型离子阱有被称为二维离子阱。

线性离子阱

线性离子阱，结构与四级杆质谱非常相似，由两组双曲线形级杆和两端的两个极板组成。两组级杆中，其中一组施加一个交变电压，另一组施加两个交变电压。在其中一组级杆上开有窄缝，通过改变三组交变电压驱动离子从窄缝射出。[2]

线性离子阱的工作原理源自四级杆质谱仪。四级杆质谱仪中，加在两组级杆上的电场表达可以大致的写为：P = U + V cos (wt) 和P' = - U -V cos (wt)。其中，U/V的比值，表示离子的选择精度和通过率。U/V 越高，则选择精度越高，然而通过的离子数就更少。[1] 在线性离子阱中，U值为0V，仅在四级杆上施加交变电压。离子不被选择的全部限定在空间中。在其中开窄缝的级杆上，加有另外一组交变电压。也就是有三个交变电压。通过协调三个交变电压，使离子进入不稳定状态继而从窄缝中射出

。

线性离子阱在进行多级质谱分析(MS-MS)时，首先限定目标质量的离子。通过调整交变电压，将大于以及小于目标质量的离子射出，从而使得仅有一个质量的离子存在于离子阱中。目标质量的范围被称为Isolation Width。之后通过向离子阱内注入气体（通常为氦气或氮气），与离子发生碰撞使其被打成碎片。也有直接通过钨丝的热电效应释放

的电子来击碎离子的方法，这种方法非常类似于(Electron Ionization, EI)。

应用原理

离子阱一个重要的能力是做MS/MS或MSn。当在离子阱上作MS/MS 时，有几种方法可以激发离子，让其碎裂。最有效的和被最广泛地使用的是共振激发（resonanceexcitation）。在用于MS/MS时，使用加在端盖电极上的ac电压（注：ac电压分两种，一个高幅的ac电压会导致共振逐出，一个低幅的ac电压会引起共振激发）。共振激发的ac电压一般幅度很小（1V左右），持续时间大概为几十个毫秒。ac 的频率需和离子的运动频率匹配；而离子的运动频率和主要的trapping场的幅度和离子的m/z有关。

当离子的振动频率与ac频率相同时发生共振，离子从ac电压上吸收能量，振幅加大，在一个理想的四极场中，如持续施加共振电压，离子的振幅将随时间线性增大。离子的动能随振幅平方的增大而增大，因此离子会和中性气体碰撞，使化学键断裂，获得MS/MS。设置比较好的参数，才能获得充分的、信息量丰富的MS/MS。

最重要的一个参数就是Q，Q值正比于RF电压的幅度，反比于m/z。从经典的稳定图上看到，Q大于0.908时，离子会在不稳定的轨道上，不能被捕获，即Q£0.908，离子才能被捕获。当RF一定时，小于某一个m/z的离子就不会被捕获。这个m/z的值被叫作低质量cut-off （LMCO）。

（部分资料源于网络资料）

谭雅琪2014301020171 物基（2）班