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离子阱（应用于药物代谢分析的装置）

次浏览 | 更新时间：2023-05-19

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离子阱

应用于药物代谢分析的装置

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。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。

基本信息

中文名	离子阱
外文名	Ion trap
应用	改进光谱测量的精确度
人物	沃尔夫冈·保罗
所属学科	物理
分类	三维离子阱线性离子阱轨道离子阱
学科	物理

收起

概述

双压线性离子阱质

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。

发展

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。

质谱特征

离子阱基本原理

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。在质谱的使用过程中，离子阱被认为做定性方面有较大优势；而四极杆在定量方面有优势。

离子阱在做多级MS方面有性能（非常容易就能做到3级以上的MS）和成本（只用一个阱就能做）上的优势；而四极杆只能做到二级MS（三重四极杆仪器），且价格较贵。

科学研究

原子(含电子,质子,中子)-内部结构模型图

美国科学家新近研制出一种“平面离子陷阱”，该技术有望用于大规模制造量子计算机的基本元件———量子比特，加快量子计算机研制过程。离子陷阱是目前实现量子比特的最佳手段，其做法是利用电极产生电场，把经过超冷处理的离子“囚禁”在电场里。

人们通常要把电极搭建成立体的笼状结构，才能成功地捕获并囚禁离子。这种立体离子陷阱难以相互连接起来，而真正实现量子运算需要许多量子比特协同工作。美国国家标准与技术研究所的专家利用现有的电子工业技术，制造出一种平面结构的离子陷阱，使得离子陷阱的制造规模很容易扩大。

美国研究人员成功地使金制棒状电极平行排列在硅芯片的一个平面上，再利用照相平版印刷术将相关的电路蚀刻到这个平面上。研究人员说这样就可以非常简单地制作大量同样的产品，众多离子陷阱可以被串联起来，形成量子芯片。

虽然他们已经成功地用平面离子陷阱捕捉了12个镁离子，但这种离子不太适合用激光操作。用激光改变量子比特的状态是进行量子运算的基础，因此研究人员现在面临的首要问题是，确保平面离子陷阱可以捕捉更适用于量子计算机的离子。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态，也就是不确定的“超态”。这种特性使量子计算机可以同时进行大量运算，比传统计算机快得多。

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）。

功能应用

离子阱

离子阱有全扫描和选择离子扫描功能，同时利用离子储存技术，可以选择任一质量离子进行碰撞解离，实现二级或多级MSn分析功能。但离子阱的全扫描和选择离子扫描的灵敏度是相似的。

广泛应用于蛋白质组学和药物代谢分析。现在已经出现了很多离子阱质谱与其它分析仪器联用的技术，如气相色谱-离子阱质谱联用仪（GC-ITMS）、ftr-ITMS联用技术。

离子阱分析器它是由环行电极和上、下两个端盖电极构成的三维四极场。将离子储存在阱里，然后改变电场按不同质荷比将离子推出阱外进行检测。

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