质谱仪是一种常见的分析仪器,常用于物质的定量、定性分析,在科研、生产、生活以及国防等方面有着广泛的应用。其工作原理是将在电磁场中运动的离子按质荷比的不同分离开来,并依次送入离子检测器进行检测,最后经过相应的数据处理实现对物质的定性或定量检测。经过一个世纪的发展,人们相继研制出了各种类型的质谱仪,同时质谱仪的性能也得到了不断的提升。目前,质谱仪的发展趋势主要有两个:一是发展高性能的质谱仪,包括大分子、高通量、高灵敏度、高分辨率以及准确度等,主要是面向实验室高水平的检测需要;二是发展小型化便携式的质谱仪,主要是用于快速现场检测分析以及某些对仪器体积和重量有严格限制的特殊场合。理论上,任何类型的质谱仪都可以实现小型化,然而离子阱质谱仪在小型化方面有很多优点,包括:1、具有较高的灵敏度;2、正常工作时需要的射频电压较低;3、离子阱质谱仪中的离子运行的轨迹较短,在较高的气压下亦可获得足够长的自由程,满足检测分析的需要;4、离子阱质谱仪可实现级联,在复杂混合物的分析中可利用离子/分子反应来识别特殊的化合物,具有较高的选择性。本文结合质谱仪的小型化的发展趋势和离子阱质谱仪在小型化方面的优势,对小型化离子阱质量分析器开展了相关的研究。离子阱质量分析器的工作原理是处在四极场中的离子因其质荷比的不同导致其运动轨迹有不同的稳定性,通过改变产生四极场的条件继而改变离子运动轨迹的稳定性,从而将不同质荷比的离子进行筛选和分离,继而实现不同质荷比离子分开检测的目的。基于对离子阱质谱仪性能的不同需求以及离子阱加工难度的折衷考虑,离子阱质量分析器的几何结构经历了从传统三维离子阱到圆柱离子阱,再到矩形离子阱,再到最近提出的PCB离子阱的演变。本文的研究内容主要包括三个方面:1、矩形离子阱质量分析器的研制。矩形离子阱是在传统三维离子阱的基础上发展出来的一种简化的离子阱质量分析器。本文通过SIMION仿真软件对影响矩形离子阱性能的因素进行了仿真研究。研究的内容主要包括X、Y电极间距x₀/y₀比值、矩形离子阱横向截面的同一性、装配时电极的电极间距误差以及电极的错位等对矩形离子阱的捕获效率和离子弹出效率的影响。此外,通过对矩形离子阱内部电场的分析,对离子阱的几何结构进行了相应的优化设计。最后,根据仿真实验结果和优化设计,采用传统机械加工的方法加工制作了矩形离子阱质量分析器。2、基于MEMS工艺的平板线型离子阱质量分析器的研制。平板线型离子阱是一种更为简易的离子阱质量分析器,作为低成本的离子阱质量分析器用于小型化离子阱质谱仪。但之前的PCB工艺的加工精度问题极大地影响了平板线型离子阱的性能和成品率,基于MEMS工艺的平板线型离子阱恰好可以弥补这些不足。本文先是对影响平板线型离子阱性能的因素进行仿真研究,得到了优化后的结构。同时分析讨论了键合对准以及表面电荷效应等对平板线型离子阱性能的影响,并给出了相应的解决方法。最后本文给出了平板线型离子阱的MEMS工艺制作流程,加工出了实物器件。3、基于MEMS工艺的菱形离子阱质量分析器的性能仿真和制作方法的研究。菱形离子阱是本文提出的一种新型的离子阱质量分析器,是基于MEMS工艺中湿法腐蚀对不同晶面选择比不同的特点而提出的。本文首先介绍了菱形离子阱的结构特点,以及菱形离子阱的工作原理。然后,通过SIMION仿真软件对菱形离子阱的基本性能进行了仿真研究。最后,本文提出了阵列式菱形离子阱的MEMS工艺制作流程。本文对小型化离子阱质量分析器的研究,主要是通过SIMION仿真软件对离子阱质量分析器的性能进行模拟仿真,并以此得出优化的结构。然后,通过传统机械加工或MEMS加工方法制作出相应的离子阱质量分析器。本文对三种离子阱质量分析器进行了综合比较,并展望了小型化离子阱质量分析器进一步的研究方向。