质谱仪作为色谱仪的检测器是一种灵敏度高和分辨率高的仪器被广泛应用在环境监测、食品安全、新药研制、高纯电子(气)材料、航天和军事技术等诸多产业领域，发挥着越来越重要作用。传统的大型质谱仪因其体积庞大、价格昂贵、对工作环境要求苛刻，并且操作烦琐、分析程序复杂等因素而难以在现场检测中担当起重任。而对小型化便携式自动质谱仪的需求越来越显迫切。质谱仪主要有进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统和真空系统组成，其中质量分析器的小型化是质谱便携式中需要解决的问题。

(1)进样系统

要使微型质谱能够在不需要任何样品前处理情况下进行现场检测，还需要发展质谱的直接进样技术。对直接进样最常见的方式之一是采用毛细管。Gao和Cooks等研制的小型质谱"Mini10”便是使用一根长10cm,127um的不锈钢毛细管将常态环境与真空条件直接连接，气体以13 ml·min^-1的速率引入真空腔。但是毛细管较低的流速限制了离子的传输，同时真空部件的高压也局限了质量解析能力。

(2)离子化

质谱仪的小型化和便携化需要有与之匹配的电离源，近来出现了能直接使色谱与质谱联用的电喷雾离子化(ESI)和大气压化学离子化(APCI)。APCI与ESI不同之处在于：① APCI增加一种电晕放电针，并将其对共地点的电压设置为±1200～2000V功能，为发射自由电子启动后续的离子化过程；②对喷雾气体加热，同时加大了干燥气体的加热范围，这样APCI的组成比ESI简单。当在含水较多的流动相中，放电针所产生的自由电子首先轰击空气中的O₂,N₂,H₂O,产生O₂⁺、N₂⁺、H₂O⁺、NO⁺等初级离子，再由这些初级离子样品气体分子进行质子或电子交换而使其离子化进入质量分析器。使其能够在功耗较小的前提下，完成对样品的直接分析。有关APCI的进一步改进是：激光解吸或等离子体解吸离子化。

Cody等提出一种非接触式分析的电离技术，用于样品的实时分析，即direct analysis in real time(简称DART)。氮气或氦气从进气口进入，经高压辉光放电后产生离子、电子及激发态的等离子体(亚稳态的氮分子或氦原子)。加热后，这些激发态的气流与待分析的气体分子作用并离子化，直接进入质量分析器。Barrett提出一种等离子体辅助解吸/离子化(plasma-assisted desorption/ionization，简称PADD技术，可以用于大气压下样品的直接离子化。这些新技术为微型质谱仪开拓了新途径。

(3)质量分析器

早在20世纪90年代，科学家就已经开始对质量分析器尺寸小型化及其降低能耗进行了研究。各种不同类型的质量分析器被遂个小型化，如飞行时间质量分析器、扇形质量分析器、四极杆质量分析器、离子阱质量分析器等。其中线性四极杆质量分析器是色-质仪中较常见的小型化检测器。20世纪80年代中期以来，线性四极杆质量分析器得以快速发展，主要有小型四极质谱仪、单极质谱仪和阵列质谱仪等。英国Geear等利用MEMS深硅腐蚀技术将精密加工的金属圆柱电极(直径500um，长30mm)固定于绝缘体的硅片中，最后连同离子源、检测器等共同装配在一个真空法兰上，形成芯片式四极杆质谱计。具体深硅腐蚀制造质谱计见。

阵列方式是弥补小型化检测器灵敏度不足的缺陷，美国Horiba公司利用玻璃和金属封装工艺制成微四极杆(micropole)阵列残余气体分析仪，残余气体经离子化后进入16根同样的并行排列的极杆后被分离，分离的离子经由法拉第杯进行检测。用这种质量分析器分析残留气体具有与常规大型质谱仪的相当参数，在灵敏度方面甚至还更高。

G. Cooks, A. M. Tabert等将直线形离子阱与圆柱形离子阱的优势相结合，成功研发了矩形离子阱。这种小型离子阱分析器的尺寸比常规离子阱小一个数量级，体积和质量都显著减少，但信噪比与离子阱相比却提高了近40倍，并且操作过程简化，功耗和成本又降低。在此基础上，他们等研发了多通道微型质谱计，把四个矩形离子阱组成一个mm级的离子阱阵列(长10mm，宽8mm)，可同时对多组样品进行高通量分析，其m/z为15～510。2008年L. Gao等成功研发了当前最小型化的掌上“Mini 11"型质谱计，这是一种可以遥控的矩形离子阱质谱仪，总质量仅5kg，功耗小于35W，长22cm，宽12 cm，高18cm(图3.53)。

Makas等开发的大气压化学离子化质谱计，包含了一个半径为2mm，杆长为54mm的单杆质量分析器，m/z范围为12～200，加上离子源、通道倍增器、射频电源及前置放大器等，体积只有185mm×100mm×70mm，总质量不超过20kg。这种质量分析器因结构简单、分辨率令人满意，又因为是在大气压状态下，进样量大，而成为人们的研究热点。

除了傅里叶变换质量分析器及轨道阱外(orbitrap)外，单极杆质量分析器因其结构十分简单和获得令人满意的分辨率而成为人们研究的热点。尽管灵敏度偏低，整个性能也是可以接受的。图3.54中左边为真空系统，右端为控制部分。

图3.53 (a)Mini11型质谱计及其组件；(b) Mini质量分析器及其组件

(4)真空系统

图3.54大气压化学离子化质谱计左边为真空系统，右端为控制部分

真空系统包括真空泵及接口所需的真空部件，是质谱仪器中最昂贵、最重，也是最耗能的部件。质谱的效能很大程度取决于真空系统的设计，对于便携式质谱计而言也是至关重要。最初的方法是采用功耗低的离子泵。传统的涡轮泵经过改进可以满足便携式质谱系统的真空要求。如ATH 31系列(alcatel va-cuum technology corporation)、TOD011(Pfeiffer Vacuum公司)是目前小型化质谱仪普遍采用的。L. Gao等研发的5kg重的“Mini11”小型质谱仪便是采用了Creare公司制造的质量只500g的新型涡轮泵，整个小型化泵系统小于1400g，功耗低于18W，见图3.54。而最终真空度低于10^-8 Torr，远低于质谱分析所需要的操作压力。另外，由非蒸发吸杂剂制作的电热式吸气泵也为小型化真空泵系统提供了新的选择，如Inficon公司的HAPSTITE便携式商品化GC/MS系统采用的便是这种真空泵，该仪器能检测到ppb级的样品浓度。此外，离子检测器小型化技术的进一步成熟降低了对真空系统的要求，为真空系统的选择另辟蹊径。