一文讀懂飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜技術(shù)（TOF-SIMS）

什么是TOF SIMS? 它可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)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(wèn)題，以及更多探討。

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

聚焦的一次離子束轟擊目標(biāo)表面，產(chǎn)生中性原子/分子、二次離子和電子。二次離子通過(guò)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行收集和分析。質(zhì)譜儀通過(guò)精確測(cè)量離子到達(dá)探測(cè)器所需的時(shí)間(即“飛行時(shí)間”)來(lái)測(cè)量離子的質(zhì)荷比(m/z)。

通過(guò)掃描一次離子束在樣品表面的區(qū)域，可以逐像素形成表面的化學(xué)圖譜。科學(xué)家和技術(shù)人員在學(xué)術(shù)和工業(yè)環(huán)境中每天都會(huì)使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀進(jìn)行基礎(chǔ)研究、常規(guī)分析和質(zhì)量控制。

多年來(lái)，一次離子束的局限性使得分析僅限于原子種類(lèi)和小分子。隨著儀器和離子束設(shè)計(jì)的進(jìn)步，現(xiàn)代儀器現(xiàn)在可以常規(guī)地成像大的完整分子。這些新功能使得新應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)，越來(lái)越多的生物及生物相關(guān)領(lǐng)域的論文開(kāi)始采用TOF SIMS技術(shù)。

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

• 空間分辨率：因?yàn)楣馐�尺寸小到幾百納米，ToF SIMS實(shí)現(xiàn)了比其他成像方法更高的空間分辨率。
• 速度：飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的工作速率遠(yuǎn)高于其他質(zhì)譜技術(shù)，ToF SIMS儀器可以每秒1000像素的速度運(yùn)行。
• 3D成像：通過(guò)在同一區(qū)域上多次掃描表面并去除少量物質(zhì)，ToF SIMS能夠逐層建立材料的3D地圖。
• 靈敏度：由于斑點(diǎn)尺寸小且撞擊坑淺，這需要非常小心地防止信號(hào)丟失。因此，SIMS通常比其他形式的質(zhì)譜法更靈敏。
• 動(dòng)態(tài)范圍：ToF SIMS光譜中離子范圍廣泛，從單個(gè)氫離子到幾千道爾頓大小的完整蛋白質(zhì)分子都可覆蓋。
• 應(yīng)用：ToF SIMS具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋冶金、基礎(chǔ)生物學(xué)以及介于兩者之間的大多數(shù)領(lǐng)域。

ToF SIMS提供了樣品詳細(xì)的三維化學(xué)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(lèi)型的信息對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義，包括學(xué)術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)質(zhì)量控制和研究機(jī)構(gòu)每天都在使用ToF SIMS。材料科學(xué)、分析化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、制藥科學(xué)等眾多領(lǐng)域都能從ToF SIMS提供的詳細(xì)化學(xué)信息中獲益。

2D成像是ToF SIMS應(yīng)用中最常見(jiàn)的操作模式之一，通過(guò)離子束掃描表面，在每個(gè)像素處獲取質(zhì)譜數(shù)據(jù)。

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

下圖展示了三個(gè)單獨(dú)離子圖像和一個(gè)覆蓋圖像，代表著生物組織樣本中不同成分。

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(duì)樣品進(jìn)行嚴(yán)格控制并謹(jǐn)慎使用參考材料。

大多數(shù)主流的ToF SIMS儀器都配備了串聯(lián)質(zhì)譜（Tandem mass spectrometry）功能，這對(duì)于可靠地識(shí)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(chǎn)生的碎片形成質(zhì)譜。通過(guò)分析子離子峰，可以以很高的精度確定母離子。

通過(guò)在TOF-SIMS儀器上獲得的組織樣品中進(jìn)行磷脂物種的串聯(lián)質(zhì)譜分析，確認(rèn)了母離子為PC34:1+K，并且碎片模式證實(shí)了這一結(jié)果。

深度剖面分析是一種強(qiáng)大的分析模式，它通過(guò)垂直蝕刻樣品并獲取每層質(zhì)譜來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)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(duì)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(guò)正確選擇離子束和樣品組合，可以實(shí)現(xiàn)低至幾納米的深度分辨率。

通過(guò)使用NIST Ni/Cr標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)和C60光束進(jìn)行深度剖面分析，可以展示出5 nm的高分辨率。

與其他質(zhì)譜和分析技術(shù)相比，ToF SIMS的獨(dú)特之處在于其能夠獲取3D數(shù)據(jù)集。類(lèi)似于深度剖析，3D分析需要重復(fù)獲取許多2D層，并通過(guò)蝕刻材料來(lái)建立樣品的三維視圖。對(duì)于3D分析而言，大簇離子是理想選擇，因?yàn)樗鼈儗?duì)樣品造成的損傷較小，可以同時(shí)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(shù)，SIMS無(wú)法區(qū)分3D物體和平面物體。該技術(shù)最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(jié)構(gòu)。

這是使用70kV水簇初級(jí)離子束獲得的OLED屏幕的3D ToF SIMS圖像。根據(jù)顏色的不同，RGB子像素單元在表面處的距離也不同。