质谱法因其可实现荷质比的精确检测,同时结合离子碎片信息可实现分子式的确定而获得广泛应用。目前,质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器,在生命科学、航空航天、国防科技等尖端领域,以及食品安全、环境保护等热点领域发挥越来越重要的作用。在环境应急监测领域,由于需要对空气污染物进行快速鉴别和定量分析,传统的色谱和质谱联用方法受限于分析时间过长,不能真正实现在线应急监测。本文是在数字方波驱动矩形分压离子阱技术的基础上,结合膜进样技术和单光子软电离技术,研制了国际首款采用数字离子阱技术的便携式质谱仪,用于环境污染物的应急快速监测。采用的膜进样技术使得仪器具备秒级响应,无需样品前处理,同时膜的预富集作用,将仪器的灵敏度提高至pptv级。利用单光子紫外灯作为电离源,产生分子离子峰,结合离子阱串级优势对样品快速定性。以中低压(±100 V)进行频率扫描替代传统高压幅度扫描,克服了高质量离子扫描时产生的放电现象,大大提高了便携式仪器的使用范围。研制的便携式数字线型离子阱质谱仪,整机重量18 kg,体积70 cm×68 cm×54 cm,电池续航能力4小时,平均膜响应时间9秒,48小时质量漂移小于±0.1 Th,检测限小于1 ppbv,整体达到国内先进水平,能够满足快速、现场、定性、定量检测的需求。本人在硕士期间参与了便携式数字线型离子阱样机的初步论证,理论学习及原理设计。在博士期间对样机进行了整机的组装及调试,性能表征及较为全面的技术改进,在技术改进中,发现了非整数偶极激发这一现象并从理论上加以解释,同时,也将数字矩形驱动离子阱技术应用到其他类型的质谱仪中,取得初步的结果。为了保持论文的完整性,对便携式数字线型离子阱的理论部分及原理设计也进行了详细的叙述。一、质谱仪的发展历史。本章介绍了质谱仪主要组成部分——离子源和质量分析器,以及评价质谱仪性能的分辨率、灵敏度、质量范围等指标,对四极质谱仪的工作原理和研究进展进行了阐述。二、离子阱理论计算和仿真。采用快速傅里叶变换分析离子运动轨迹,加深了对离子阱内离子运动特性的理解,最终得到离子共振激发的频率和其他高阶频率分量。针对平板分压离子阱的设计,使用最小平方的方法对不同分压比下的离子阱内各种电场分量进行计算分析,最终得到离子阱内电场在不同分压比下的高阶场比例和分压比最佳调整范围。对电离室内的推斥聚焦电极进行了优化设计,提高了电离室内离子引出效率。同时对真空紫外灯在电离室的位置及不同气压下的离子分辨率和捕获率进行了系统的仿真分析,得到最优的真空紫外灯放置位置和最佳的气压,对后续仪器设计起到良好的指导作用。三、仪器整机实现。本章分别阐述了真空系统、电离源、膜进样及加热模块、高频高压模块的电路设计及高频高压电源的进一步优化,偶极激发模块的设计及性能测试,主控板的RS485固件和USB2.0底层驱动的开发,以及直流放大模块的电路设计及改进等。通过混标气(苯、甲苯、二甲苯、一氯代苯)对组装的仪器进行了性能的测试,包括分辨率、检测限、动态范围和膜响应时间。并通过数字离子阱特有的串级分析方法对水杨酸甲酯进行了二级分析,建立了软电离产生分子离子峰结合串级分析进行快速定性的方法。四、一种新型离子激发方法的研究。着眼于从离子激发方式上提高仪器分辨率和灵敏度。在实验中发现利用非整数偶极激发的方法可以同时提高分辨率和灵敏度,并尝试从理论上对这一方法进行分析,给出了非整数偶极激发是利用了浪涌式激发的解释,通过计算合适的扫描速度和优化偶极激发波形与主射频波形之间的相位差,可以达到同时提高仪器分辨率和灵敏度的效果。五、数字方波驱动圆杆离子阱与飞行时间质谱仪联用。从数字矩形波驱动技术应用的角度出发,将数字矩形波应用到驱动圆杆离子阱,进而与飞行时间质谱仪联用,本人主要负责圆杆离子阱模块的控制。主要工作是针对圆杆离子阱与平板分压离子阱的不同,改进驱动电路,分别考察了离子阱模块工作在传输模式、离子累积模式、离子隔离模式、二级串级分析模式和三级串级分析模式下的性能,达到了预期的目标。六、总结与展望。对全文取得的成果进行了总结,同时对下一步的改进计划进行阐述。