质谱仪作为一种高端分析仪器,在众多行业和领域发挥着举足轻重的作用。小型质谱仪为样品的现场检测提供便利,但由于质谱仪中质量分析过程对真空度的极高要求,限制了小型质谱仪的进一步便携化和低成本化。在单个机械泵可以获得的一级真空环境下进行质量分析,可以省掉质谱仪中体积庞大且价格昂贵的分子泵,大幅度降低仪器的成本、重量、体积和功耗,扩展质谱仪的应用领域,将使质谱仪从小型化走向便携化。针对由于质量分析需要高真空环境,涡轮分子泵束缚质谱仪便携化和低成本化的问题,在研究四极质谱质量分析机理的基础上,通过理论分析、性能仿真、平台搭建、实验验证等手段,从电子学的角度,对可应用于低真空环境的质量分析操作模式展开研究。首先,作为研究低真空质量分析机理的基础,设计并搭建基于圆柱形离子阱的质谱仪平台。在高真空环境下,对所研制质谱仪平台的灯丝电流、推斥极电压、背景气体压强及质量扫描速度等工作参数进行优化,得到最优工作参数。使用优化后的参数在不同真空度下对部分有机物进行实验,实验结果表明,在高真空环境下,仪器性能良好,可以完成物质的质量分析,但随着压强提高,仪器性能降低,直至质量分析无法进行。若要在低真空下实现质量分析,必须对仪器操作模式进行优化。其次,为解决当压强变化,质量分析的基础稳定区也随之发生变化,无法进行质量分析的问题,对低真空环境下的马修方程进行修正,提出使用数值计算确定稳定区的方法。基于阻力模型,推导有阻力条件下的离子运动方程,得到低真空环境下带有阻尼项的马修方程,使用五阶龙格-库塔数值方法对该马修方程进行计算,得到不同阻尼系数下第一、第二和高阶稳定区。从稳定区变化的角度,提出在低真空环境下进行质量分析应使用高频率射频电压的结论。在所搭建的质谱仪平台中,对不同压强、不同射频电压频率下的谱图变化进行实验,验证了相关结论的有效性。再次,为解决传统阻力模型无法评估不同操作模式对仪器性能影响的问题,提出利用Langevin碰撞理论模拟低真空离子运动的方法,并提出面向低真空环境的质量分析操作模式。在仿真平台中,从分辨率和灵敏度两个角度,模拟不同操作模式对仪器性能的影响,得到采用小质量的背景气体、在增大射频电压频率的同时减小离子阱尺寸、提高操作温度等适用于低真空环境的质量分析操作模式。在所搭建的圆柱形离子阱质谱仪中,对仿真得到的操作模式进行实验验证,在极限压强2 Pa下成功获得水杨酸甲脂的高质量谱图。该压强是常规离子阱质量分析压强上限的几十倍,是该平台高真空对比实验的2000倍。该压强可以通过单个性能优异的机械泵获得,将省掉体积庞大、价格昂贵的分子泵,突破质量分析需要高真空的瓶颈,有望大幅度降低质谱仪的成本、体积、功耗,为其现场应用提供便利。最后,面向更高的压强环境,为解决当压强提高,由于碰撞严重,离子轴向运动能量不足、无法到达检测器、无法进行质量分析的问题,基于所得到的低真空操作模式,提出一种使用顺向气流作为离子出射动力、适用于更高压强的质量分析方法。作为进行高压强质量分析的部件,对质量分析器和离子接收极进行改进——为摆脱传统基于双曲面形或圆柱形四极滤质器结构复杂、加工装配困难的诟病,提出一种基于极板的新型四极滤质器结构,它加工简单、成本低、装配便捷,可用于低成本质谱仪领域;为解决当引入气流,离子接收极附近存在不稳定气流的问题,提出一种双层带孔结构的新型离子接收极,通过仿真对比,新型离子接收极能够有效避免在大进气流量下,使用传统离子接收极所造成的在接收极和漂移管管壁附近出现不稳定气流的现象。在COMSOL中搭建仿真平台,使用气流场和电场联合仿真对所提出的高压强质量分析方法进行验证,结果表明,该方法能够有效解决压强提高离子在轴向运动能量不足的问题,所得到的谱图在谱峰强度、谱峰宽度方面明显优于无气流条件下的质量分析结果。搭建简易实验平台对所提出的方法进行实验验证,在20 Pa压强下使用皮安计测试不同(a,q)时离子接收极的电流,实验结果与理论分析及仿真相符,表明所提出的方法适用于高压强下的质量分析。