质谱仪是一种具有高灵敏度、低检测限、定性和定量准确的现代分析仪器。它通过电场或磁场将离子化后的被测物质按质荷比(m/z)的不同进行空间、时间或频谱上的分离,从而得到质谱图,并对其分析后可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。目前,质谱仪已广泛应用于食品安全、环境检测、医学诊断、蛋白组学、基因组学研究和航天、军事技术等领域。在众多种类的质谱仪中,离子阱质谱仪由于其具有结构简单、体积小和工作气压低等优势,是小型化质谱仪的最佳选择。然而传统的三维离子阱的高精度双曲面电极结构对加工和组装的要求过于严苛,同时其也受限于自身低离子储存容量和离子捕获效率。为了克服这些弱点和使得离子阱更加适用于小型化、廉价化的质谱仪,近年来多种简化结构的线性离子阱(二维离子阱)已经被开发出来。其中最为典型的是,Cooks等开发的矩形离子阱(Rectilinear Ion Trap),它采用了二维的电极结构,并采用了平板电极取代了传统线性离子阱中的双曲面电极。但与传统线性离子阱的双曲面电极相比,平板电极不可避免地会向离子阱内引入有害的高阶场成分,降低其分析性能。对此,Jiang等发明了印刷电路板(PCB)分压离子阱质量分析器(以下简称PCB分压离子阱)。这种新型线性离子阱上的电极被绝缘材料(peek)分成了不同的区域。可以通过调节不同区域的面积比以及各区域上所加射频(RadioFrequency,RF)电压比来优化离子阱内的电场,从而显著地改善其分析性能。本实验室也自主研发了一种分析性能较优的新型简化结构的线性离子阱:半圆柱电极线性离子阱(Linear Ion Trap featuring Half round rod electrodes,HreLIT)。HreLIT 采用半圆面的电极结构,因此相较于双曲面电极结构,其加工难度有所降低,加工精度也有所提高;同时,与平板电极结构的离子阱相比,其分析性能进一步地提高。然而,在现有的线性离子阱结构和工作方式下,离子在共振出射时沿着两个相反的方向出射(即双向离子出射),且沿着每个方向出射的概率为50%。因此,在商业化的台式线性离子阱质谱仪中在两个出射方向上各设置了一个离子检测器,用于同时检测两个方向上出射的离子。但是,这种离子检测方式不适用于小型化质谱仪中,因为这将大幅增加质谱仪的体积和功耗,检测电路也将成倍增加,同时也提高了制造成本。因此,现有已报道的所有简化结构的线性离子阱质谱仪中,均只使用了一个离子检测器进行离子检测,该检测方式的理论最高离子检测效率仅为50%,实际上的离子检测效率必然小于该数值,这严重影响小型化离子阱质谱仪的最终检测的灵敏度和动态检测范围。为解决小型化线性离子阱质谱仪的离子检测效率问题,本文提出了两种基于线性离子阱实现离子单向出射的方法:构建非对称几何结构的线性离子阱和配置非对称的射频电压。该方法可以向离子阱内引入奇次阶场成分,从而使得离子阱内射频电场的场中心发生偏移,进而使得束缚在场中心的离子距离其中一端的离子出射槽更近,最终诱导了离子的单向出射。理想情况下,该方法可以在仅使用一个离子检测器和不损失质量分辨率的条件下成倍地提高离子的检测效率。因此,这一方法不仅可以提高质谱仪的灵敏度这一关键性能指标,也有利于离子阱质谱仪的小型化。本研究课题正是基于这样的方法和考虑,以分析性能较优的简化结构的线性离子阱(HreLIT和PCB分压离子阱)作为研究对象,进行了这一方法的尝试,并给出了三种具体的实现方法:(1)构建了两种非对称结构半圆柱电极线性离子阱(asymmetric HreLIT,A-HreLIT);(2)在PCB分压离子阱的离子出射方向的两组离散电极上配置不同的射频分压比,而另一方向的两组离散电极上的射频分压比则保持不变;(3)直接在HreLIT的离子出射方向上的一对电极上配置不同比例射频电压。对于这三种具体的实现方法,本文分别采用模拟计算和实验的方式对它们的分析性能进行了测试。本文给出了具体的实验方法和过程,模拟计算和实验结果显示:这三种具体的实现方法下的线性离子阱均具有离子单向出射性能,并保持了相当高的质量分辨率。该实验结果充分论证了构建非对称几何结构的线性离子阱法和配置非对称的射频电压法具有可行性,并在小型化质谱仪领域中具有显著的优势。