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離子阱（應用于藥物代謝分析的裝置）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-19

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離子阱

應用于藥物代謝分析的裝置

離子阱(Ion trap)，由一對環(huán)形電極(ring electrod)和兩個呈雙曲面形的端蓋電極(end cap electrode)組成。這種由一對環(huán)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(guī)的三維離子阱的離子存儲數目為幾千個。為了避免空間電荷效應和簡化電極結構，后來人們使用四級桿的結構加入前后端蓋的方式開發(fā)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。

基本信息

中文名	離子阱
外文名	Ion trap
應用	改進光譜測量的精確度
人物	沃爾夫岡·保羅
所屬學科	物理
分類	三維離子阱線性離子阱軌道離子阱
學科	物理

收起

概述

雙壓線性離子阱質

離子阱，又稱離子陷阱，是一種利用電場或磁場將離子（即帶電原子或分子）俘獲和囚禁在一定范圍內的裝置，離子的囚禁在真空中實現，離子與裝置表面不接觸，應用最多的離子阱有“保羅阱”（四極離子阱，沃爾夫岡·保羅）和“Penning阱”。離子阱可以應用于實現量子計算機，量子計算機以粒子的量子力學狀態(tài)，如原子的自旋方向等表示0和1，稱為“量子比特”，離子阱利用電極產生電場，將經過超冷處理的離子囚禁在電場里，實現量子比特。

發(fā)展

離子阱

離子阱并不是一個很新穎的裝置，早在50年代末它就被應用于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「圣杯」，有人曾這么比喻：如果哪一天上帝允諾幫每個人實現一個愿望，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愿望。由于測不準原理的作祟，DE不可能無限小，所以譜線不可能量到無限準。

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。于是離子阱因應而生，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范圍內的目的。

質譜特征

離子阱基本原理

在環(huán)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(wěn)定區(qū)，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并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，對于物質結構的鑒定非常有用。在質譜的使用過程中，離子阱被認為做定性方面有較大優(yōu)勢；而四極桿在定量方面有優(yōu)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(yōu)勢；而四極桿只能做到二級MS（三重四極桿儀器），且價格較貴。

科學研究

原子(含電子,質子,中子)-內部結構模型圖

美國科學家新近研制出一種“平面離子陷阱”，該技術有望用于大規(guī)模制造量子計算機的基本元件———量子比特，加快量子計算機研制過程。離子陷阱是目前實現量子比特的最佳手段，其做法是利用電極產生電場，把經過超冷處理的離子“囚禁”在電場里。

人們通常要把電極搭建成立體的籠狀結構，才能成功地捕獲并囚禁離子。這種立體離子陷阱難以相互連接起來，而真正實現量子運算需要許多量子比特協(xié)同工作。美國國家標準與技術研究所的專家利用現有的電子工業(yè)技術，制造出一種平面結構的離子陷阱，使得離子陷阱的制造規(guī)模很容易擴大。

美國研究人員成功地使金制棒狀電極平行排列在硅芯片的一個平面上，再利用照相平版印刷術將相關的電路蝕刻到這個平面上。研究人員說這樣就可以非常簡單地制作大量同樣的產品，眾多離子陷阱可以被串聯起來，形成量子芯片。

雖然他們已經成功地用平面離子陷阱捕捉了12個鎂離子，但這種離子不太適合用激光操作。用激光改變量子比特的狀態(tài)是進行量子運算的基礎，因此研究人員現在面臨的首要問題是，確保平面離子陷阱可以捕捉更適用于量子計算機的離子。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態(tài)，也就是不確定的“超態(tài)”。這種特性使量子計算機可以同時進行大量運算，比傳統(tǒng)計算機快得多。

應用原理

離子阱一個重要的能力是做MS/MS或MSn。當在離子阱上作MS/MS時，有幾種方法可以激發(fā)離子，讓其碎裂。最有效的和被最廣泛地使用的是共振激發(fā)（resonanceexcitation）。在用于MS/MS時，使用加在端蓋電極上的ac電壓（注：ac電壓分兩種，一個高幅的ac電壓會導致共振逐出，一個低幅的ac電壓會引起共振激發(fā)）。共振激發(fā)的ac電壓一般幅度很?。?V左右），持續(xù)時間大概為幾十個毫秒。ac的頻率需和離子的運動頻率匹配；而離子的運動頻率和主要的trapping場的幅度和離子的m/z有關。

當離子的振動頻率與ac頻率相同時發(fā)生共振，離子從ac電壓上吸收能量，振幅加大，在一個理想的四極場中，如持續(xù)施加共振電壓，離子的振幅將隨時間線性增大。離子的動能隨振幅平方的增大而增大，因此離子會和中性氣體碰撞，使化學鍵斷裂，獲得MS/MS。設置比較好的參數，才能獲得充分的、信息量豐富的MS/MS。

最重要的一個參數就是Q，Q值正比于RF電壓的幅度，反比于m/z。從經典的穩(wěn)定圖上看到，Q大于0.908時，離子會在不穩(wěn)定的軌道上，不能被捕獲，即Q￡0.908，離子才能被捕獲。當RF一定時，小于某一個m/z的離子就不會被捕獲。這個m/z的值被叫作低質量cut-off（LMCO）。

功能應用

離子阱

離子阱有全掃描和選擇離子掃描功能，同時利用離子儲存技術，可以選擇任一質量離子進行碰撞解離，實現二級或多級MSn分析功能。但離子阱的全掃描和選擇離子掃描的靈敏度是相似的。

廣泛應用于蛋白質組學和藥物代謝分析。現在已經出現了很多離子阱質譜與其它分析儀器聯用的技術，如氣相色譜-離子阱質譜聯用儀（GC-ITMS）、ftr-ITMS聯用技術。

離子阱分析器它是由環(huán)行電極和上、下兩個端蓋電極構成的三維四極場。將離子儲存在阱里，然后改變電場按不同質荷比將離子推出阱外進行檢測。

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