质谱分析方法在物质分析和检测中具有很高的灵敏度，是世界上应用最广泛的分析技术之一。国际公认的许多分析标准都明确规定要有质谱数据。目前，质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器，并在制药、生命科学、环境监测和保护、食品安全、兴奋剂检测、边防安检、航天和军事技术等诸多热点领域发挥着越来越重要的作用。虽然质谱仪在很多的分析领域内都取得了巨大的成功，但是它也存在一些局限性。首先，现有的商业质谱仪大多体积庞大、价格昂贵且维护费用高，一台大型的质谱仪需要几十万甚至几百万美元。如此高昂的价格使得质谱仪无法在更大范围内推广。其次，在很多领域，特别是制药和生物学领域，需要分析的样品数量非常庞大，现有质谱仪的分析效率无法满足其需求。很多制药厂都配备几十台甚至几百台质谱仪，使得制药的成本居高不下。因此，当今质谱仪的发展方向主要表现在以下两个方面：(1)价格低廉化和小型化；(2)高通量质谱分析。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。但是，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。据有关专家估计，到2010年，中国进口质谱仪的交易额将超过50亿元人民币，而这些进口质谱仪还远远不能满足国内的需求。因此，研究和开发我国自己的质谱仪已刻不容缓。近年来，中国政府也积极鼓励质谱仪的研发，“十五”期间，科技部在科技攻关重大项目“科学仪器的研制与开发”中设立了课题“质谱联用仪器的研制与开发”，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、矩形离子阱质谱仪以及气相色谱质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突出，针对目前质谱仪的发展趋势和国内质谱仪的发展现状，我们提出了制造低成本质谱仪和高通量质谱仪的方法。本文的主要贡献和创新点为：(1)设计了一种具有自主知识产权的、可用于高通量质谱分析的阵列离子阱质量分析器；(2)将普通的印刷线路板(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；(3)把近年来刚刚发展起来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。全文共分六章，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，并指出价格低廉化、小型化以及高通量分析是未来质谱仪的发展方向。文中着重介绍了离子阱的特点、种类和工作原理，并阐述了离子阱在质谱仪小型化和价格低廉化方面的特有优势。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：电子轰击电离源—PCB离子阱质谱仪的开发。矩形离子阱是一种简化结构的线型离子阱。目前，矩形离子阱一般都采用不锈钢通过精密机械加工而成，其加工成本仍然比较高。我们将PCB材料及加工技术用于制造矩形离子阱，使用这种方法制造出的PCB离子阱具有非常低廉的价格。本章介绍了利用普通PCB材料及加工技术制造矩形离子阱的过程，并对PCB离子阱内部的电场进行了计算和分析。我们还建造基于电子轰击电离源的PCB离子阱质谱仪系统，并通过实验对该仪器系统的性能进行了测试和评估。实验证明，该PCB离子阱质谱仪具有大于400的质量分辨率和大于300 Th的质量范围，并且具有离子质量隔离和离子质量选择激发等功能。第三章：电喷雾电离源—PCB离子阱质谱仪的开发。为提高PCB离子阱的性能，我们引入了电喷雾电离源和近年来发展起来的数字化离子阱技术，建造了基于电喷雾电离源的数字化PCB离子阱质谱仪器系统。本章介绍了该仪器系统的设计过程，包括三级差分真空系统的建立、数字化离子阱的电路系统的设计以及电喷雾电离源的设计等，并通过实验对该质谱仪器的性能进行了测试和评估。实验证明，其质量范围大于2600 Th、质量分辨率大于500。在实验中，我们只使用了幅度为200 V(半峰值)的数字束缚电压信号来驱动PCB离子阱，因此，其质量范围仍有很大的提升空间，这使得PCB离子阱应用在生命科学、蛋白质组学等需要对高质荷比离子进行分析的领域成为可能。第四章：PCB阵列离子阱质谱仪的开发。本章介绍了一种新型的质量分析器一阵列离子阱的设计过程和工作原理。阵列离子阱仅由1对PCB电极和2对不锈钢平板电极构成，具有非常简单的结构和低廉的造价。但是，这种结构简单且造价低廉的阵列离子阱却具有强大的功能，每个阵列离子阱中含有多个质量分析通道，每个通道都具有传统离子阱的功能，如离子储存、质量分析、离子质量隔离和离子质量选择激发等。我们建造了基于电子轰击电离源的PCB阵列离子阱质谱仪器系统，并通过实验对其性能进行了测试和评估。实验证明，该仪器系统取得了大于1300的质量分辨率和超过500 Th的质量范围。另外，我们从PCB阵列离子阱的两个不同的通道中都得到了质谱图，从实验上证明了它具有高通量质谱分析的能力。第五章：PCB阵列离子阱的几何尺寸优化。离子阱的分析性能是由离子阱内部产生的电场决定的，而离子阱内部的电场则直接受到离子阱的几何结构和尺寸的影响。本章通过计算机模拟和实验相结合的方法对PCB阵列离子阱的几何尺寸进行了优化。我们首先建立了一个3通道的阵列离子阱的计算机模型，通过修改相应的几何参数，研究了不同几何尺寸的阵列离子阱内部的高阶电场分布情况。我们还通过计算机模拟得到了离子在不同几何尺寸的阵列离子阱中的运动轨迹和质量分辨率。最后，我们设计了4个不同几何尺寸的PCB阵列离子阱，并同过实验分别对它们的质量分辨率进行了测试，得到的实验结果与计算机模拟结果相吻合。第六章：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，并提出了相应的改进方案。