气相色谱-质谱联用仪(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)是色谱技术、质谱技术与计算机技术三种现代化技术紧密结合的产物,是可获得待测组分保留时间与分子结构两方面信息的仪器分析系统,广泛应用于环境与食品药品检测等安全领域。本论文以为GC-MS设计和优化提供理论基础和技术支撑为研究目的,针对GC-MS的三大核心单元开展关键技术研究,包括离子产生、离子传输以及信息处理。主要的工作内容和创新点包括以下三个方面:1、离子的产生:以电子轰击离子源(EI源)为对象,研究分析离子源参数对其性能的影响,为设计和优化GC-MS的离子源提供理论基础。(1)分析EI源参数对性能的影响。基于计算机辅助模拟实验,将相空间分析方法应用在离子源各参数对离子束从离子源出射时分布状态影响的研究中。(2)以分析数值计算获得EI源内拉普拉斯和泊松电场分布为手段,解释了EI源内空间电荷效应如何影响出射离子束强度。同时利用计算机辅助模拟方法首次分析了电子流束强度增加引起质量歧视的原因。2、离子的传输:以四极杆质量分析器为对象,研究有限尺寸射频四极电场初始相位如何影响离子在电场内的状态,从而获得离子完全通过有限尺寸射频四极电场所需满足的入射条件,该入射条件是进行离子源设计时必须考虑的因素。采用四阶Runge-Kutta方法获得初始相位与离子最大径向位移的关系曲线。据此提出射频四极电场的初始相位接受区间这一概念,该接受区间用来衡量离子能够通过电场所对应初始相位的取值范围。同时分析获得了离子初始入射位置及四极电场工作点对初始相位接受区间的影响曲线。将计算机辅助模拟方法与理论推导方法相结合,系统地在相空间内分析初始相位对接受椭圆的影响,并据此给出了能够实现100%离子通过率的离子初始入射条件范围。3、信息处理:研究了GC-MS信息处理的三个基本组件:数据存储结构、原始数据的提纯和质谱谱库检索。(1)数据存储结构:在分析GC-MS数据特性的基础上,以提高数据通用性为目的,设计了一种数据存储结构;(2)提出了一种基于“模型峰”的数据提纯算法,该算法旨在被一些离子源污染物,柱流失物以及样品基质等干扰离子干扰的质谱图中,将标化合物的质谱图提取出来,为提高后续利用质谱谱库检索方法所进行的定性分析的准确性奠定基础;(3)将信息检索领域的向量空间模型应用于质谱谱库检索当中,并将样品谱图和参考物谱图均看成向量空间内的向量,利用向量夹角来衡量两谱图之间的相似性来实现库检索。算法中还首次引入了未知物谱图向量与参考物谱图向量中峰强比例计算,这一因素的引入提高了算法的检索性能。