TOF-SIMS-飞行时间二次离子质谱测试机构

飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）技术，作为目前广受欢迎的表面分析技术之一，其在材料分析领域的独特优势已经得到了全球科研人员的广泛认可。此技术不仅具备出色的质量分辨本领和高空间分辨能力，更因其广泛的适用性，在有机、无机、生物、医学、电子、地质/考古、环境等多个领域都展现出了强大的分析能力。

TOF-SIMS在多个领域已经取得了显著的成果，但在矿床学这一特定领域，其应用和研究却相对较为稀少。这一现象，无疑限制了我们对矿床形成、演化等关键问题的深入理解。

1、SIMS概念

二次离子质谱，SIMS（Secondary Ion MassSpectrometry），是一种检测带电粒子的质谱检测方法。当带有一定能量的一次粒子如电子、离子、中性子或光子轰击某一物体表面（常为固体表面）时，就会有粒子被发射。这些被发射出的粒子，或称为“二次”粒子，可能是电子、光子、原子、分子或原子离子和团簇离子，绝大部分发射出来的粒子是中性的，只有很小部分是带电的。只有这些带电的二次离子能被质谱检测和分析。该过程提供了样品表面的质谱，实现固体表面的精细化学分析。图1形象化表示出这一过程。

2、TOF-SIMS原理及其特点

2.1 TOF-SIMS原理

TOF-SIMS的工作原理是脉冲化的聚焦一次离子源轰击测试样品表面，在样品表面溅射出二次离子，对这些初速几乎为零（大约0～100eV）的二次离子加速到一定的能量，通常1～3keV，飞行一段距离后到达探测器，重的二次离子跑的慢，轻的二次离子跑的快，根据飞行时间反推出二次离子的质荷比，从而得到有关固体表面的成分信息（图2）。图3是典型的TOF-SIMS质谱图。

2.2 TOF-SIMS特点

TOF-SIMS是一种具有高质量分辨本领（质量分辨率）和高空间分辨（空间分辨率）的表面分析技术。它具有如下的特点：

1）能检测出包括氢在内的所有元素及其同位素，

2）对所有元素具有ppm～ppb(因元素而异)的检测灵敏度，

3）能测定从表面到深至数十μm的微量元素及化合物浓度分布，

4）能观测各种元素及化合物的二维以及三维的分布，

5）能鉴定有机化合物分子。

3、TOF-SIMS的一次离子束和离子源

TOF-SIMS初期的一次离子束的离子源是Ar+离子源，发展到2012年时已经有Ar+、O2+、O-、Cs+、Ga+、Au（Au+，Au3+）、SF5+、Bi（Bi+，Bi3+，Bi3++...）、C60+，GCIB（GasCluster IonBeam：Arn+，(H2O)n+...）等，TOF-SIMS一次离子束的发展趋势是减少脉冲宽度以提高质量分辨(ΔM)或质量分辨本领(M/ΔM)；减小束斑直径以提高空间分辨；改变离子的种类以提高二次离子，特别是高质量数分子离子的产额。这三个性能指标是相互制约的，不能达到zuijia，它们之间要取得某种平衡。图4是商用的TOF-SIMS仪器的一次离子束Zui小束斑大小随年份的变化图。

4、TOF-SIMS的溅射束

溅射束只用于剖蚀材料表面，实现深度剖面分析或清洁固体表面，溅射束的种类主要有Ar、O、Cs、C60，GCIB等。Ar+、O2+、Cs+主要用于纯材料或无机材料；C60+、GCIB主要用于有机材料、高分子材料、生物材料、组织切片、细胞等，目的是在TOF-SIMS在深度剖面分析这些材料或清洁这些材料的表面时，把溅射损伤对TOF-SIMS分析的影响降到Zui低（参照图6、图7）。

5、TOF-SIMS的质量分析器

质量分析器是SIMS的心脏部分，也是TOF-SIMS的心脏部分，种类繁多。目前主要的有四极质量分析器、磁质量分析器、飞行时间质量分析器、离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质量分析器等。现代TOF-SIMS以上个世纪八十年代初出现商品化的TOF-SIMS装置为起点，在2012年前后，已发展到第V代。TOF-SIMS质量分析器主要有两种模式，一种是反射式，另一种是静电三重聚焦式。图8是它们的示意图。