一文讀懂飛行時間二次離子質(zhì)譜技術（TOF-SIMS）
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(zhì)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(chǎn)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(zhì)譜儀進行收集和分析。質(zhì)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(zhì)荷比(m/z)。
通過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圖譜�？茖W家和技術人員在學術和工業(yè)環(huán)境中每天都會使用飛行時間二次離子質(zhì)譜儀進行基礎研究、常規(guī)分析和質(zhì)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(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用如雨后春筍般涌現(xiàn)，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(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、更堅固的密封，以及額外的防止泄露的預防措施。
| 主要組件 | 次要組件 |
| 樣品分析腔體（SAC） | 樣品導入系統(tǒng) |
| 初級離子束 | 低溫冷卻用于低溫分析 |
| 二次離子提取光學器件 | 電荷補償，如離子 |
| 質(zhì)譜儀 | 二次電子成像 |
ToF SIMS的主要優(yōu)勢
- 空間分辨率：因為光束尺寸小到幾百納米，ToF SIMS實現(xiàn)了比其他成像方法更高的空間分辨率。
- 速度：飛行時間質(zhì)譜儀的工作速率遠高于其他質(zhì)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(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(zhì)譜法更靈敏。
- 動態(tài)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(zhì)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(shù)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(yè)質(zhì)量控制和研究機構(gòu)每天都在使用ToF SIMS。材料科學、分析化學、生物學、地質(zhì)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(zhì)譜數(shù)據(jù)。
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(zhì)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(zhì)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(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(chǎn)生的碎片形成質(zhì)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(lián)質(zhì)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(jié)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(zhì)譜來實現(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(xiàn)低至幾納米的深度分辨率。
通過使用NIST Ni/Cr標準參考物質(zhì)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(zhì)譜和分析技術相比，ToF SIMS的獨特之處在于其能夠獲取3D數(shù)據(jù)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(qū)分3D物體和平面物體。該技術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。
