[科普中国]-离子阱

定义

离子阱是一种将离子通过电磁场限定在有限空间内的设备。1

被限定的离子处于“稳定区”。传统的离子阱通过调整电场参数，使离子进入“不稳定区”，继而从预制空间脱离离子阱。1

发展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。

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。2

结构性能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。3

三维离子阱三维离子阱，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。2

线性离子阱(Linear Ion Trap)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。4

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)。

轨道离子阱(Orbitrap)轨道离子阱(Orbitrap)在原始专利(US7714283 B2)中的名字是静电场离子阱(Electrostatic Trap)。3其中工作原理类似于电子围绕原子核旋转。由于静电力作用，离子受到来自中心纺锤形电极吸引力。由于离子进入离子阱之前的初速度以及角度，离子会围绕中心电极做圆周运动。离子的运动可以分为两部分：围绕中心电极的运动（径向）和沿中心电极的运动（轴向）。因为离子质量不同，在达到谐振时，不同离子的轴向往复速度是不同的。设定在离子阱中部的检测器通过检测离子通过时产生的感应电流，继而通过放大器得到一个时序信号。因为多种离子同时存在，这个时序信号实际是多种离子同时共振在不同频率的混频信号。通过傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)，得到频谱图。因为共振频率和离子质量的直接对应关系，可以由此得到质谱图。

轨道离子阱体积非常小（小于一个手掌），但其支持系统非常庞大。轨道离子阱需要非常苛刻的真空环境，通常在Pa，这个数值接近外太空真空水平。但其解析度可达140000(Thermo(R) Orbitrap Exactive)， 280000(Thermo(R) Orbitrap Fusion)。此解析度可以分辨质子与中子间的质量差。2