作为少数可以检测单分子信息的分析技术，高灵敏度的质谱分析方法是世界上应用最广泛的分析技术之一。目前，质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器，其应用领域上天入地，在航天、地质、制药、生命科学等尖端领域以及关系国计民生的环境保护、食品安全、法证以及国防技术等诸多热点领域发挥着越来越重要的作用。作为四大谱学之一，质谱分析法是国际公认的许多分析标准中的重要一环。虽然质谱仪在很多的分析领域内都取得了巨大的成功，但是它的广泛推广仍存在一些困难。首先，现有的商业质谱仪尤其是高分辨类仪器大多体积庞大、价格昂贵且维护费用高，而即使是低端单四极杆质谱仪价格也在几十万元以上。如此高昂的价格使得质谱仪无法在更大范围内推广。其次，一些大规模的分析领域，特别是制药和生物学领域，需要分析的样品数量非常庞大，现有仪器的常规分析通量限制使得许多这种高科技企业都要配置几十台完全相同的质谱仪来满足国标要求，增加了科技研发的成本。考虑到国内目前加工技术的限制，目前研发商用高分辨率质谱仪的条件尚不成熟。因此，在与国际厂商竞争时，目前国内质谱仪的发展方向应以下列两个方面发展：(1)小型化与便携化；(2)降低实现相同指标时的成本耗费。　　 随着中国经济的快速发展，各个行业对质谱仪的需求将越来越大。然而由于改革开放初期的无奈选择，国家在80年代后放弃了自主研发质谱仪的支持，这导致目前，除少数质谱检漏仪之外，中国的质谱仪市场几乎全部被进口产品占领。到2010年左右，中国进口质谱仪的交易额已超过50亿元人民币，而作为2011年的预期，质谱仪的进口台数及总量又在以每年近30％的速率提升。因此，研究和开发我国自己的质谱仪已刻不容缓。在政策上，在“十五”、“十一五”期间，科技部在科技攻关重大项目“科学仪器的研制与开发”中设立了“质谱联用仪器的研制与开发”，“二次离子质谱仪的研制与开发”等重大课题。国内科学工作者也开始积极投入到质谱仪的研发工作中。目前，在四极杆质谱仪、离子阱质谱仪及其色谱联用仪等技术的研究已经取得了部分成果。但是，核心技术不足以及没有自主知识产权等问题依然限制了国内质谱仪器的发展，尽管以天瑞、普析通用和聚光科技等公司都推出了自己的质谱联用仪，但在总体指标上，这些国产仪器仍旧与国际先进水平存在一定差距。　　 目前国内主流质谱技术的研发主要还以学习和改进国外类似技术为主，作为研发目标的主流，四极杆和离子阱这两种射频四极质量分析器是目前国内研发的重要目标。为了进一步改善这一发展现状，就需要我们在四极质谱的基础理论上深入学习，从而发明出一系列新颖的质谱分析方法与核心器件。本文的主要研究方向是以四极质谱理论为基础，结合本实验室的研究课题，分别对四极杆质量分析和基于印刷线路板技术的平面离子阱器件建立相关的物理模型，利用数值计算的方法研究其电场组成及离子轨迹，以其为指导获得了几种新颖的质谱分析方法，并以此为基础完成了相关的新型四极质量分析器测试系统及其测试。具体成果包括(1)建立了对圆杆系四极滤质器的结构参数计算程序，研究其高阶电场成分对四极系统滤质器的影响。其次，通过引入四极激发的方法，对不同频率微弱交流激发的作用做了基础分析，并首次利用四极激发产生的低q值稳定岛发展了一种利用一长一短两组四极杆先后去除高质荷比与低质荷比离子的方法，并获得了初步的实验结果。　　 (2)从零开始发展了利用普通的印刷线路板(PCB)材料和加工技术用于制造离子阱质谱仪，大大降低了质谱仪的制造成本，并结合把近年来发展的数字化离子阱技术应用到矩形离子阱质谱仪上，提高了矩形离子阱的质量范围等分析指标。并在此基础上从电场理论出发分析建立了由双平面周期条状电极阵列组成的离子阱阵列“Ion Trap Array”并用其组建了大气压接口的高通量质谱分析测试装置。　　 (3)利用印刷线路板可以方便地构建各种形式平面电极图案的特点，发展了一种新型的正方柱形场可调节直线离子阱，并建立起如何利用平面电极图案及分电极的电压分布特性获得拥有低高阶场成分的场可调节直线离子阱结构，并在实验上获取到了超出传统平面矩形离子阱的分析性能。　　 全文共分四章，主要内容概述如下：　　 第一章绪论。本章概述了质谱分析技术的原理和发展历程，对目前质谱仪器的国内外发展现状作出了评述，并指出了国内质谱仪器发展的合理方向。并着重介绍了以四极杆和离子阱为代表的射频四极质量分析器的特点及基本工作原理。基于这些评述和总结，提出了本文的研究方向和研究思路。　　 第二章四极杆质量分析器的基础研究及其新串级分析方法。本部分首先在阅读前人相关文献的基础上编写了任意四极杆系统的精密电场求解器，并利用该求解器研究了具有不同场结构的四极杆质量分析器系统的高阶场成分及其分辨性能。并针对对称四极杆结构中最重要的12和20极场成分对四极杆质量分析器性能的影响做了单独分析。该部分的另一工作是用自己编写的数值求解器研究了经典R/R0=1.14四极杆在不同四极激发电压下的稳定岛结构变化情况。并首次提出一种只有RF射频工作电压的串级四级滤质器系统，该系统由窄带低通滤质器Q1和高通或窄带通四极调制滤质器Q2组成。模拟结果展示该系统在40～50个RF周期下即可有效的获取1000以上的分辨率，并在改造的实验系统上获得了类似结果。　　 第三章PCB离子阱及其阵列为核心的质谱仪的开发。矩形离子阱是04年欧阳证等人提出的一种结构简单，性能良好的直线离子阱质量分析器。为了进一步降低离子阱器件的制作成本，提出了利用PCB制作离子阱器件的方案。此外为提高PCB离子阱的串级质谱性能，我们引入近年来发展起来的数字化离子阱技术，并建造了PCB阵列离子阱分析器以解决传统单通道质谱仪的通量问题。阵列离子阱仅由1对PCB电极和2对不锈钢平板端盖电极构成，其结构简单，造价比单独构造矩形PCB离子阱单元更低。建造了基于大气压分析接口的PCB阵列离子阱质谱仪器系统，并针对这一离子阱结构进行了基于数值电场计算的仿真工作，初步实验证明，该仪器系统取得了大于超过700 Th的单位分辨质量范围，其质量范围超过3000。　　 第四章总结与展望。对全文取得的研究成果进行了总结和分析，同时也指出了目前研究工作中存在的不足之处，并提出了可能的下一步改进方案。