设计了一个能在四极杆和四极离子阱质谱仪中通用的数字控制系统结构。新结构在商业仪器PolarisQ结构的基础上，增加了PCI04总线用于扩展硬件，以32位MCU和FPGA为核心处理器，基于操作系统uClinux的多任务编程而不使用DSP器件，设计了通用远程控制协议和基于FPGA的分时段同步程序。基于这种结构开发的数字控制系统在EI-四极杆，EI-矩形离子阱，ESI-矩形离子阱3种产品样机中成功应用。相比现有的结构，新结构兼备了小型化和通用性。

介绍了自行研制的基于叠型场线性离子阱的便携式质谱仪结构,以及初步的应用测试。该质谱仪的质量分析器采用叠型场线性离子阱,离子源采用辉光放电电子轰击电离源和介质阻挡放电离子源。仪器重10 kg,功耗低于100 W,体积33 cm×20 cm×20 cm,可以对气体、固体和液体进行检测。挥发性有机气体通过膜进样接口实现大气压直接进样,采用内置的辉光放电电子轰击电离源对其电离。介质阻挡放电离子源作为大气压离子源,通过非连续大气压接口实现质谱的大体积进样,及对枪击残留物DDU和去痛片等的快速检测。

本工作研制一种具有大气压接口的单四极杆质谱仪。该仪器具有三级真空系统,与大气相邻的第一级真空接口基于加热的不锈钢毛细管设计;在第二级真空腔中采用射频高压驱动的方式远距离传输离子;第三级腔体放置四极杆和电子倍增器分离和探测离子,使用自制的控制系统控制仪器。基于此仪器,实现了大气压下电喷雾离子源、介质阻挡放电离子源离子化样品的检测,通过第一级腔体中的源内碰撞诱导解离获得了样品的二级子离子,增强了单四极杆质谱仪的定性能力。该仪器结构简单、成本低,可用于液相色谱-质谱联用分析和原位分析。

针对四极质谱的谱峰电流信号微弱并且快速变化的特点,设计了复合跨阻抗放大器、四阶低通模拟滤波器和逐次逼近式模数转换器来实现弱电流放大与数据采集系统,用现场可编程阵列逻辑实现了数据采集的实时同步控制和高速大容量数据缓冲等功能。通过分析增益和带宽对信噪比、半峰宽和信号强度等质谱峰参数的影响,选择了合适的增益和带宽。实验结果表明在快速扫描时,30 kHz带宽满足谱峰带宽需求,提高了信噪比且不影响信号强度;提高增益能提高信噪比,当将增益由106V/A增大到108V/A时,半峰宽从0.52增加到0.6,当增益为109V/A时,由于放大器带宽变窄导致半峰宽增加到2以上。在慢速扫描时带宽需求较小,109V/A增益能提高信噪比和信号强度,并保持半峰宽为0.2。