Quadrupole ion trap - Quadrupole ion trap

Skjema for en Quadrupole-ionefelle av klassisk oppsett med en partikkel med positiv ladning (mørk rød), omgitt av en sky av lignende ladede partikler (lysrød). Det elektriske feltet E (blått) genereres av en firkant av endekapper (a, positiv) og en ringelektrode (b). Bilde 1 og 2 viser to tilstander under en vekselstrømssyklus.

En quadrupole ion trap er en type ion trap som bruker dynamiske elektriske felt for å fange opp ladede partikler. De kalles også radiofrekvensfeller eller Paul-feller til ære for Wolfgang Paul , som oppfant enheten og delte Nobelprisen i fysikk i 1989 for dette arbeidet. Den brukes som en komponent i et massespektrometer eller en fanget ion-kvantecomputer .

Oversikt

Ladede melkorn fanget i en quadrupole-ionefelle

En ladet partikkel, som et atom- eller molekylært ion , kjenner en kraft fra et elektrisk felt . Det er ikke mulig å lage en statisk konfigurasjon av elektriske felt som fanger opp den ladede partikkelen i alle tre retninger (denne begrensningen er kjent som Earnshaw-teorem ). Det er imidlertid mulig å skape en gjennomsnittlig begrensende kraft i alle tre retninger ved bruk av elektriske felt som endrer seg i tid. For å gjøre det, blir de begrensende og anti-begrensende retningene byttet med en hastighet raskere enn det tar partikkelen å unnslippe fellen. Fellene kalles også "radiofrekvens" feller fordi byttehastigheten ofte er på en radiofrekvens .

Den kvadrupol er den enkleste elektriske feltet geometri brukes i slike feller, men mer kompliserte geometrier er mulig for spesialiserte enheter. De elektriske feltene genereres fra elektriske potensialer på metallelektroder. En ren kvadrupol er laget av hyperbolske elektroder, selv om sylindriske elektroder ofte brukes for å lage fabrikasjon. Mikrofabrikerte ionefeller eksisterer der elektrodene ligger i et plan med fangstområdet over planet. Det er to hovedklasser av feller, avhengig av om det oscillerende feltet gir inneslutning i tre eller to dimensjoner. I to-dimensjonstilfellet (en såkalt "lineær RF-felle") tilveiebringes inneslutning i tredje retning av statiske elektriske felt.

Teori

Paul Ion Trap Schematic.gif

3D-fellen i seg selv består vanligvis av to hyperbolske metallelektroder med fokusene vendt mot hverandre og en hyperbolsk ringelektrode halvveis mellom de to andre elektrodene. De ionene er fanget i rommet mellom disse tre elektroder av AC (oscillerende) og DC (statisk) elektriske felt. AC-radiofrekvensspenningen svinger mellom de to hyperbolske metallendekapselektrodene hvis ioneksitasjon er ønsket; den drivende vekselspenningen påføres ringelektroden. Ionene blir først trukket opp og ned aksialt mens de skyves inn radialt. Ionene trekkes deretter ut radielt og skyves inn aksialt (fra toppen og bunnen). På denne måten beveger ionene seg i en kompleks bevegelse som generelt innebærer at ioneskyen er lang og smal og deretter kort og bred, frem og tilbake, og svinger mellom de to tilstandene. Siden midten av 1980-tallet har de fleste 3D-feller (Paul-feller) brukt ~ 1 mTorr helium. Bruk av dempegass og masseselektiv ustabilitetsmodus utviklet av Stafford et al. førte til de første kommersielle 3D-ionfellene.

Lineær ionfelle ved University of Calgary

Quadrupole-ionefellen har to hovedkonfigurasjoner: den tredimensjonale formen beskrevet ovenfor og den lineære formen laget av 4 parallelle elektroder. En forenklet rettlinjet konfigurasjon brukes også. Fordelen med den lineære utformingen er dens større lagringskapasitet (spesielt Doppler-avkjølte ioner) og dens enkelhet, men dette etterlater en spesiell begrensning på modelleringen. Paul-fellen er designet for å skape et sadelformet felt for å fange et ladet ion, men med en kvadrupole kan dette sadelformede elektriske feltet ikke roteres rundt et ion i sentrum. Det kan bare 'klaffe' feltet opp og ned. Av denne grunn er bevegelsene til et enkelt ion i fellen beskrevet av Mathieu-ligninger , som bare kan løses numerisk ved datasimuleringer.

Den intuitive forklaringen og tilnærming av laveste orden er den samme som sterk fokusering i akseleratorfysikk . Siden feltet påvirker akselerasjonen, henger posisjonen etter (til laveste orden med en halv periode). Så partiklene er i defokuserte posisjoner når feltet er i fokus og omvendt. Å være lenger fra sentrum, opplever de et sterkere felt når feltet fokuserer enn når det defokuserer.

Ligninger av bevegelse

Joner i et firepannsfelt opplever å gjenopprette krefter som driver dem tilbake mot sentrum av fellen. Bevegelsen til ionene i feltet er beskrevet av løsninger på Mathieu-ligningen . Når det er skrevet for ionebevegelse i en felle, er ligningen

hvor representerer x-, y- og z-koordinatene, er en dimensjonsløs variabel gitt av , og er dimensjonsløse fangstparametere. Parameteren er den radiale frekvensen til potensialet som påføres ringelektroden. Ved å bruke kjederegelen kan det vises

Å erstatte ligning 2 i Mathieu ligning 1 gir

.

Å multiplisere med m og omorganisere vilkår viser oss det

.

Etter Newtons bevegelseslover representerer ligningen ovenfor kraften på ionet. Denne ligningen kan løses nøyaktig ved hjelp av Floquet-teoremet eller standardteknikkene for flerskala-analyse . Partikkeldynamikken og tidsmessig tetthet av ladede partikler i en Paul-felle kan også oppnås ved begrepet ponderomotiv kraft .

Kreftene i hver dimensjon er ikke koplet, og dermed er kraften som virker på et ion i for eksempel x-dimensjonen

Her er det kvadrupolare potensialet, gitt av

hvor er det anvendte elektriske potensialet og , og er vektingsfaktorer, og er en størrelsesparameter konstant. For å tilfredsstille Laplace-ligningen , kan det vises

.

For en ionfelle, og og for et firepolemassefilter , og .

Transforming ligning 6 inn i et sylindrisk koordinatsystem med , og og påføring av enhetsformelen gir

Diagram over stabilitetsregionene til en kvadrupolionfelle i henhold til spenningen og frekvensen som påføres ionefelleelementene

Det anvendte elektriske potensialet er en kombinasjon av RF og DC gitt av

hvor og er den anvendte frekvensen i hertz .

Å erstatte ligning 8 i ligning 6 med gir

Å erstatte ligning 9 i ligning 5 fører til

Sammenligning av vilkår på høyre side av ligning 1 og ligning 10 fører til

og

Videre ,

og

Fangst av ioner kan forstås i form av stabilitetsregioner i og rom. Grensene til de skyggelagte områdene i figuren er grensene for stabilitet i de to retningene (også kjent som grenser for bånd). Domenet til overlapping av de to regionene er fangstdomenet. For beregning av disse grensene og lignende diagrammer som ovenfor, se Müller-Kirsten.

Lineær ionefelle

Klassisk bevegelse av et fanget ion i en radiofrekvens (rf) quadrupole (Paul) felle. Et firefelt elektrisk felt vises som referanse. Den blå linjen representerer ionebanen i tverrgående (eller radial) retning av en lineær felle. Den oransje linjen er den sekulære bevegelsen. En lineær eller en sirkulær sekulær bevegelse kan genereres avhengig av de innledende forholdene. Micromotion er den raske svingningen rundt den sekulære bevegelsen, som forsterkes når et bortkommen likestrømsfelt skyver ionet bort fra sentrum av fellen, plassert i krysset mellom aksene. Legg merke til hvordan mikromotion alltid er i retning av det lokale RF-feltet
LTQ (Linear trap quadrupole)

Den lineære ionefellen bruker et sett med kvadrupolstenger for å begrense ioner radialt og et statisk elektrisk potensial på slutten av elektroder for å begrense ionene aksialt. Den lineære formen av fellen kan brukes som et selektivt massefilter, eller som en faktisk felle ved å skape en potensiell brønn for ionene langs elektrodenes akse. Fordeler med den lineære felleutformingen er økt ionelagringskapasitet, raskere skanningstider og enkelhet i konstruksjonen (selv om kvadrupolstangjustering er avgjørende, noe som gir en kvalitetskontrollbegrensning for deres produksjon. Denne begrensningen er i tillegg til stede i maskineringskravene til 3D-fellen ).

Sylindrisk ionefelle

Ionfeller med en sylindrisk snarere enn en hyperbolsk ringelektrode er utviklet og mikrofabrikkert i matriser for å utvikle miniatyrmassespektrometre for kjemisk påvisning i medisinsk diagnose og andre felt.

Plan ionfelle

Quadrupole-feller kan også "foldes ut" for å skape den samme effekten ved hjelp av et sett med plane elektroder. Denne fellegeometrien kan lages ved hjelp av standard mikrofabrikasjonsteknikker, inkludert det øverste metallaget i en standard CMOS mikroelektronikkprosess, og er en nøkkelteknologi for å skalere fangede ionekvantumdatamaskiner til nyttige antall qubits.

Kombinert radiofrekvensfelle

En kombinert radiofrekvensfelle er en kombinasjon av en Paul ion-felle og en Penning-felle . En av de viktigste flaskehalsene i en quadrupole-ionefelle er at den bare kan begrense enkeltladede arter eller flere arter med lignende masser. Men i visse applikasjoner som antihydrogenproduksjon er det viktig å begrense to arter av ladede partikler med vidt forskjellige masser. For å oppnå dette målet tilsettes et jevnt magnetfelt i den aksiale retningen til kvadrupolionfellen.

Digital ionefelle

Den digitale ion trap (DIT) er et kvadrupol-ion trap (lineær eller 3D) som skiller seg fra konvensjonelle feller ved den drivende bølgeform. En DIT drives av digitale signaler, vanligvis rektangulære bølgeformer som genereres ved å bytte raskt mellom diskrete spenningsnivåer. De største fordelene med DIT er dens allsidighet og tilnærmet ubegrensede masseutvalg. Den digitale ionefellen er hovedsakelig utviklet som en masseanalysator.

Se også

Referanser

Bibliografi

  • W. Paul elektromagnetiske feller for ladede og nøytrale partikler hentet fra Proceedings of the International School of Physics << Enrico Fermi >> Course CXVIII “Laser Manipulation of Atoms and Ions”, (Nord-Holland, New York, 1992) s. 497-517
  • RI Thompson, TJ Harmon og MG Ball, den roterende sadelfellen: en mekanisk analogi med RF-elektrisk-quadrupole ion fangst? (Canadian Journal of Physics, 2002: 80 12) s. 1433–1448
  • M. Welling, HA Schuessler, RI Thompson, H. Walther Ion / Molecule Reations, Mass Spectrometry and Optical Spectroscopy in a Linear Ion Trap (International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 1998: 172) s. 95-114.
  • G. Werth (2005). Ladede partikkelfeller: Fysikk og teknikker for ladet partikkelfeltinneslutning (Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics) . Berlin: Springer. ISBN 3-540-22043-7. OCLC  231588573 .
  • John Gillaspy (2001). Fangst av høyt ladede ioner: grunnleggende og applikasjoner . Commack, NY: Nova Science Publishers . ISBN 1-56072-725-X. OCLC  42009394 .
  • Todd, John FJ; Mars, Raymond E. (2005). Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry, 2. utgave . New York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-48888-7. OCLC  56413336 .
  • Todd, John FJ; Mars, Raymond E. (1995). Praktiske aspekter ved ionefelle massespektrometri - Volum I: Fundamentals of Ion Trap Mass Spectrometry . Boca Raton: CRC Press . ISBN 0-8493-4452-2. OCLC  32346425 .
  • Todd, John FJ; Mars, Raymond E. (1995). Praktiske aspekter ved ionefelle massespektrometri: Ion Trap Instrumentation, Vol. 2 . Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-8253-X. OCLC  32346425 .
  • Todd, John FJ; Mars, Raymond E. (1995). Praktiske aspekter av ionefelle massespektrometri, Vol. 3 . Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-8251-3. OCLC  32346425 .
  • Hughes, Richard M .; Mars, Raymond E .; Todd, John FJ (1989). Quadrupole massemassespektrometri . New York: Wiley. ISBN 0-471-85794-7. OCLC  18290778 .
  • K. Shah og H. Ramachandran, analytiske, ikke-lineære nøyaktige løsninger for et RF-begrenset plasma , Phys. Plasmas 15, 062303 (2008), http://link.aip.org/link/?PHPAEN/15/062303/1
  • Pradip K. Ghosh, Ion Traps , International Series of Monographs in Physics, Oxford University Press (1995), https://web.archive.org/web/20111102190045/http://www.oup.com/us/catalog/ generelt / emne / Fysikk / AtomicMolecularOpticalphysics /? view = usa

Patenter

  • DE 944900  "Verfahren zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spesifischer Ladung", W. Paul og H. Steinwedel, arkivert 24. desember 1953
  • GB 773689  "Forbedrede ordninger for å separere eller separat oppdage ladede partikler med forskjellige spesifikke ladninger", W. Paul, hevder prioritet i ovennevnte tyske søknad innlevert 24. desember 1953
  • US 2939952  "Apparat for separering av ladede partikler med forskjellige spesifikke ladninger", W. Paul og H. Steinwedel, hevder prioritet i ovennevnte tyske søknad, innlevert 24. desember 1953

Eksterne linker