高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)是一种大气压下快速广谱离子分离检测技术,在公共安全、食品卫生、医疗检测、环境污染等诸多领域有着广泛的应用前景。作为离子迁移谱中较为特殊的一类,FAIMS实现物质分离的原理不再是离子迁移率大小的差异,而是利用离子迁移率在高电场下的非线性变化规律。因此,FAIMS拥有优于其他离子迁移谱的特性,如分离原理与迁移率大小本身无关、与其他仪器方法的正交性、连续检测、核心器件小等优点,在现场分析检测领域具有巨大的发展潜力。分辨率是分析检测技术的关键指标,分辨率的高低直接影响着分析仪器的检测识别能力和应用范围。现阶段FAIMS的分辨率均不高,主要表现在1、离子识别主要依靠基于谱峰位置的α(E/N)函数,而易受芯片结构和测控条件影响的峰位置存在漂移给该识别带来了困难；2、部分物质FAIMS谱峰峰偏移较小,无论是成分识别还是反推求解非线性系数,都存在较大误差,且对分离电压提出了非常高的要求。为了提高FAIMS分辨识别能力,研究人员做了大量的研究工作。包括通过迁移管结构优化和加工精度提高以减少FAIMS谱图峰的未知漂移；通过优化测控条件增加谱图峰偏补偿电压；充分挖掘FAIMS谱图信息提高求解精度等等。此外,研究人员还通过技术联用的方式提高FAIMS分辨识别能力,如色谱、质谱、飞行时间离子迁移谱等技术和FAIMS的联用。目前提高FAIMS分辨能力的方法仍有以下不足：其一、在结构和条件改进方面,虽然研究人员已经做了大量工作,但仍然有较大提高空间。对影响FAIMS性能的条件和分辨率之间的关系仍不明确,理论分析并不完整或存在较大误差。环境、载气、离子源、迁移管、高压源、微弱信号检测和控制系统等诸多方面存在需要优化改进的地方。其二、在技术级联方面,最常用的方式是色谱、质谱和飞行时间离子迁移谱与FAIMS的联用。前两种方式中,FAIMS更多的作为解决现有其他分析仪器系统的不足而存在,事实上失去了自身作为快速检测的独立的分析仪器的特点。在与传统飞行时间离子迁移谱联用方面,可以同时利用低电场离子迁移率和高场非线性系数函数,具有很好的发展潜力。然而由于结构差异,目前最常见的连接方式仪器级的直连,直角连接带的是离子损耗和体积的问题。此外,由于多路气体的存在,造成系统的复杂性增加的问题不容忽视。为了应对上述问题,本文的工作主要集中在以下三个方面：一.采用集成震荡电极的方式,获取物质离子低场离子迁移率特性,为现有FAIMS物质识别增加了新的识别维度。结合现在FAIMS相关级联技术的优点和不足,提出了全新的一种基于平板型FAIMS迁移管的改进结构。通过新结构的引入,将低场迁移率的作用引入FAIMS,并实现了低场分辨10左右,相当于将FAIMS分辨率提高了10倍。该方法在基本不改变FAIMS芯片结构,相比与飞行时间离子迁移谱联用的方式,该方法具有更好的系统集成。此外,该方法可以用于谱峰部分重叠时对特定谱峰的衰减,实现提高信噪比的目的。同时,该方法还可用于对离子团簇的简单判定。二.采用载气中水气掺杂的方式,利用离子在高低交变电场下团簇-解团簇行为,大幅度提高了物质离子的分离程度。研究了载气中水气掺杂对FAIMS分辨率的影响,通过对醇类、酮类、芳香烃类共9种物质进行FAIMS检测实验,分别就谱图峰的峰位置、半峰宽、谱峰数量等直接影响FAIMS分辨识别能力的几个方面进行了研究。载气掺杂会影响FAIMS非线性系数函数,且不同类型的物质影响程度不同。因此通过掺杂物水气含量的控制,可以有效的提高不同类型的极性离子和非极性离子的非线性系数的差异,从而大幅提高FAIMS分辨识别能力。三.建立完善可靠的FAIMS测控系统。一方面高精度的芯片和测控系统可以有效抑制峰位置漂移,为离子识别提供保证；另一方面高性能的测控条件,如高频高压电源的提升,有利于提高离子分离程度,实现对原先难以区分的物质离子的分离识别。1、设计了用于FAIMS系统的常压亚稳态解吸附离子源。一方面解决了紫外灯离子源离化能较低和放射源管制的问题,另一方面使得固体、液体等凝固态样品快速进样更为方便。2、开发了高精度高集成度FAIMS迁移管。研制了基于玻璃+薄膜工艺和精密陶瓷+厚膜工艺制作的高集成高精度FAIMS迁移管。保证了迁移管优秀的平整度和气密性的同时,拥有极佳的热、力、电学性质,同时具有很高的集成度。3、研制了反激升压式不对称波形高压电源。反激升压式高压源结构简单,性能稳定,易于小型化,为FAIMS现场检测提供有利条件。同时,将高压源的峰峰值提高到了1800V@1MHz,为更好的离子空间分离提供了条件。4、微弱电荷检测系统优化。设计了超大跨导增益的超低噪声电流放大器,同时对电路进行有效的隔离和屏蔽。微电流检测精度达飞安量级,实测对DMMP样品的检测限达10PPB。