TOF-SIMS飛行時間二次離子質譜儀-技術解讀

什么是TOF SIMS? 它可以應用于哪些領域？能提供哪些信息？哪些樣品適用（哪些不適用）？在這一系列文章中，我們將解答所有這些問題，以及更多探討。

飛行時間二次離子質譜法（ToF SIMS）是一種用于研究固體表面和薄膜的三維化學組成的表面分析技術。

聚焦的一次離子束轟擊目標表面，產生中性原子/分子、二次離子和電子。二次離子通過飛行時間質譜儀進行收集和分析。質譜儀通過精確測量離子到達探測器所需的時間(即“飛行時間")來測量離子的質荷比(m/z)。

通過掃描一次離子束在樣品表面的區域，可以逐像素形成表面的化學圖譜。科學家和技術人員在學術和工業環境中每天都會使用飛行時間二次離子質譜儀進行基礎研究、常規分析和質量控制。

多年來，一次離子束的局限性使得分析僅限于原子種類和小分子。隨著儀器和離子束設計的進步，現代儀器現在可以常規地成像大的完整分子。這些新功能使得新應用如雨后春筍般涌現，越來越多的生物及生物相關領域的論文開始采用TOF SIMS技術。

ToF SIMS儀器剖析

ToF SIMS儀器通常比實驗室中常見的其他分析儀器體積更大、價格更昂貴。需要在高真空環境下（< 1×10^-6 mbar）操作，以防止空氣中的氣體分子和離子發生碰撞，因此需要更大的真空泵、更堅固的密封，以及額外的防止泄露的預防措施。

ToF SIMS的主要優勢

• 空間分辨率：因為光束尺寸小到幾百納米，ToF SIMS實現了比其他成像方法更高的空間分辨率。

• 速度：飛行時間質譜儀的工作速率遠高于其他質譜技術，ToF SIMS儀器可以每秒1000像素的速度運行。

• 3D成像：通過在同一區域上多次掃描表面并去除少量物質，ToF SIMS能夠逐層建立材料的3D地圖。

• 靈敏度：由于斑點尺寸小且撞擊坑淺，這需要非常小心地防止信號丟失。因此，SIMS通常比其他形式的質譜法更靈敏。

• 動態范圍：ToF SIMS光譜中離子范圍廣泛，從單個氫離子到幾千道爾頓大小的完整蛋白質分子都可覆蓋。

• 應用：ToF SIMS具有廣泛應用領域，涵蓋冶金、基礎生物學以及介于兩者之間的大多數領域。

ToF SIMS的應用

ToF SIMS提供了樣品詳細的三維化學圖像，揭示了組成樣品的原子和分子信息、它們的分布以及任何存在的污染。這種類型的信息對于許多應用領域都具有重要意義，包括學術研究實驗室、工業質量控制和研究機構每天都在使用ToF SIMS。材料科學、分析化學、生物學、地質學、制藥科學等眾多領域都能從ToF SIMS提供的詳細化學信息中獲益。

2D成像

2D成像是ToF SIMS應用中最常見的操作模式之一，通過離子束掃描表面，在每個像素處獲取質譜數據。

圖像分辨率范圍廣泛，從幾百像素到400多萬像素不等。單個質量通道圖像顯示了離子在視場中精確的分布情況，而疊加多個質量通道可以展示不同離子之間以及其分布之間的關系。

下圖展示了三個單獨離子圖像和一個覆蓋圖像，代表著生物組織樣本中不同成分。

光譜測定法

分析ToF SIMS光譜可以提供樣品的原子或分子組成信息，并能提供各種化合物的總體豐度信息。在某些情況下，也可以確定原子比率，但這需要對樣品進行嚴格控制并謹慎使用參考材料。

大多數主流的ToF SIMS儀器都配備了串聯質譜（Tandem mass spectrometry）功能，這對于可靠地識別離子非常有用。Tandem MS也被稱為MS/MS或MS²，涉及隔離感興趣的二次離子，然后將其裂解，并收集產生的碎片形成質譜。通過分析子離子峰，可以以很高的精度確定母離子。

通過在TOF-SIMS儀器上獲得的組織樣品中進行磷脂物種的串聯質譜分析，確認了母離子為PC34:1+K，并且碎片模式證實了這一結果。

深度剖析

深度剖面分析是一種強大的分析模式，它通過垂直蝕刻樣品并獲取每層質譜來實現。結果是得到了采樣體積中所有原子/分子的輪廓。使用大簇離子可以減少對亞表層的破壞，并最大限度地降低層間混合，從而提高深度分辨率。通過正確選擇離子束和樣品組合，可以實現低至幾納米的深度分辨率。

通過使用NIST Ni/Cr標準參考物質和C60光束進行深度剖面分析，可以展示出5 nm的高分辨率。

3D成像

與其他質譜和分析技術相比，ToF SIMS的特別之處在于其能夠獲取3D數據集。類似于深度剖析，3D分析需要重復獲取許多2D層，并通過蝕刻材料來建立樣品的三維視圖。對于3D分析而言，大簇離子是理想選擇，因為它們對樣品造成的損傷較小，可以同時用于蝕刻和分析。

不同于AFM等能夠捕獲樣品三維地形的技術，SIMS無法區分3D物體和平面物體。該技術zui適用于表面以下有興趣層的平面樣品。雖然重建非平面樣品的地形是可能的；但這需要事先了解材料結構。