神通广大的二次离子质谱必将成为科研达人的得力助手

【二次离子质谱简介】

飞行时间二次离子质谱（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry ，TOF-SIMS）是通过高能量的一次离子束轰击样品表面，使样品表面的原子或原子团吸收能量而从表面发生溅射产生二次粒子,这些带电粒子经过飞行时间检测器后就可以得到关于样品表面信息的图谱。通过这些谱图可以探测化学元素或化合物在样品表面和内部的分布，也可以用于生物组织和细胞表面或内部化学成分的成像分析，配合样品表面扫描和剥离（溅射剥离速度可以达到10微米/小时），还可以得到样品表层或内部化学成分的三维图像。

TOF-SIMS主要包括一次离子源、质量分析器和检测器等部分，对于绝缘样品还配有电荷补偿的电子中和枪，同时根据分析目的不同，还配有不同的离子源，常见的有气体放电源（如O2+、Ar+、Xe+）、表面电离源（如Cs+）、热隙源（如C60+）和液态金属及团簇源（如Bin+、Aun+、Ga+）等。

SIMS可以分为静态二次离子质谱和动态二次离子质谱（dynamic SIMS）两种模式,不同的分析模式，对应不同的分析要求。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）是质谱成像的主要仪器之一，与MALDI-MS成像技术相比，二次离子质谱的最大特点是其高空间分辨率（探测深度<1 nm, 平面分辨率<80 nm），能够在纳米尺度下，直接对生物组织（或材料），甚至单个细胞（由于MALDI-MS的激光扫描光斑直径在40微米左右，不能进行单个细胞的成像分析）进行三维成分分析，并且样品处理简单，不需要添加基质。二次离子质谱分析中，一次离子束轰击的传输效率极高（可以达到100%），只需要一次轰击就可以得到研究点的完整质量谱图。

【TOF-SIMS发展现状】

目前国际上对TOF-SIMS分析研究已经有近35年历史，其中ION-TOF是目前世界上领先的专门的TOF-SIMS研究和制造者，代表性单位是德国ION-TOF公司所在的德国明斯特大学。TOF-SIMS的生产厂家主要有三个：德国ION-TOF，日本ULVAC PHI，以及英国 的Kore公司，其中市场上约90%是ION-TOF用户。可以说，ION-TOF的历史就是TOF-SIMS的发展史。1982年，基于Prof. Beninghoven教授（明斯特大学原物理系主任，国际二次离子质谱协会主席）的理念，明斯特大学研制出世界上第一套TOF-SIMS系统，一直到1989年发展到第三代的TOF-SIMS。也正式组建ION-TOF公司并推向市场。到现在，TOF-SIMS系统已经完全跳出最初的静态二次离子质谱的概念，引入第二束专门剥离的离子束，从而可以实现空间范围的三维分析。2003年10月，该公司推出了新一代TOF.SIMS 5仪器，代表当前国际上同类仪器的领先水平。在2005年，公司推出具有独立专利的Bi源。可以完全取代原来的Ga源和金源。该分析源对无机物和有机大分子等的分析都可以胜任，并且不损失系统的空间分辨率的前提下大大提高其质量分辨率。2012年，ION-TOF开发了第二代Bi源，分析器方面新研制了EDR功能，对系统结果校正和定量分析有较大帮助，并推出了可以用于有机大分子和生物分析的Gas Cluster Source。而分析源的升级是发展最快的: Ga, Au, Xe, SF5, C60，O，Cs, 一直到现在广泛应用的Bi和GCS（Gas Cluster Source）。

在国内，自上世纪90年代起清华大学的查良铮教授做了很多优秀成果以及推广工作，如2008年10月26日～29日其担任主席主办的北京二次离子质谱学国际研讨会，有来自美国、英国、法国、德国、日本、新加坡、中国台湾、中国香港和中国大陆等九个国家和地区的150余名代表参加了会议，与会人员热烈讨论，反映良好。近年来发展也较快，越来越多人逐渐认识到它功能强大，应用范围广，用户逐渐增多。去年10月8日至11日在中国科学院大连物理研究所还召开了第六届中国二次离子质谱会议，上届国际SIMS大会主席、英国国家物理实验室Ian Gilmore教授，美国分析化学杂志(Analytical Chemistry)副主编、瑞典哥德堡大学Andrew Ewing教授，美国华盛顿大学David Castner教授，下届国际SIMS大会主席、日本京都大学Jiro Matsuo教授，美国太平洋西北国清华大学查良镇教授，台湾国立清华大学凌永健教授，中国地质科学院地质研究所刘敦一研究员，中科院地质与地球物理研究所周新华、李献华、杨尉研究员，中科院化学所汪福意研究员，东华理工大学陈焕文教授等110余名国内外SIMS研究人员出席了会议。Ian Gilmore、Jiro Matsuo与Andrew Ewing等SIMS领域国际知名专家学者为本次会议作了精彩的特邀报告。

【国内用户】

目前TOF-SIMS主要用户包括但不限于清华大学，飞思卡尔半导体天津研发中心，四川大学，香港科技园，中国科学院沈阳金属研究所，西南科技大学，中国科学院化学研究所，中国科学院半导体所，工业和信息化部广州第五研究所，三星电子，厦门大学，华东理工大学，昆明理工大学，澳门科技大学，中国科学院苏州纳米所，京东方成都科技有限公司，ENV新能源材料公司，中央民族大学，台积电南京公司，台湾新竹清华大学（2套），台湾台积电（7套）等科研院所以及公司。

【应用领域】

二次离子质谱在材料（特别是半导体和电池材料）、生物医学、地质、冶金、汽车工业等领域有着非常广泛的应用(如下图所示），是迄今为止能在纳米尺度下，对固体材料、生物组织或细胞进行化学成像分析的为数不多的现代分析技术之一。

通过二次离子质谱分析，可以获得样品的质谱图，表面成像，三维层次成分分布，以及通过深度剖析获知不同层间的成分。下面我们给出一些利用二次离子质谱分析系统所做的实例：

大尺寸样多膜层样品

　　表面成像

　　多膜层样品

　　深度剖析

　　三维结构分析

　　单细胞分析

【发展趋势】

首先是应用领域的拓展，尤其是对生物和有机大分子应用方面拓展。这包括多方面的内容，如对有机分析源的开发完善，有机分析源已经从Au，C60，发展到现在的Bi源和气体团簇离子源（GCIB）。特别是近年来在生命科学领域具有广泛的应用前景，包括单细胞和组织切片（组织中如磷酸脂，蛋白质，氨基酸，多肽及痕量重金属元素等）、生物芯片（包括DNA，多糖和多肽芯片）、蛋白质组学、药物代谢组学、生物材料等。

其次是定量分析。由于Matrix效应，某种元素的离子产额是与当时所处的化学环境相关的。所以TOF-SIMS的定量分析比较复杂，需要对标准样品同时进行分析对比。另外，成份含量可以相差到十几个量级。如何保证在如此大的跨度下不损失，不丢失测试信号也是一个难点。ION-TOF已经有很好的尝试，如与XPS结合，EDR功能的开发等。

最后是其他表面分析手段联用。如形貌（AFM），SEM，XPS，LEIS，激光共聚焦显微镜等。这些分析手段可以帮助用户获得全方位的表面和界面信息，并通过结果对比，解析出样品表面和界面的原始状态。但这些手段实现原位分析还需要一个过程，ION-TOF正在着手这方面的研究，并已经取得了部分成果。

简而言之，TOF.SIMS 是一种非常灵敏的分析系统，已经被广泛应用于半导体，微电子，薄膜，纳材料，化学，医药，生物，冶金，汽车等领域。特别是近年来在生物医药领域大放异彩，在研究内源性生物分子以及药物分子的分布方面具有广泛的应用前景，特别地还可用于单细胞的成像，研究药物的作用靶标及其作用机理等。该仪器还可以与其他仪器联用（如激光共聚焦显微镜，原子力显微镜，扫面电镜等），将能够发挥各自仪器的优势，拓展其应用领域以及范围。详细了解TOF-SIMS请点击 www.iontof.com.cn