二次离子质谱（SIMS）如何在检测实验室中进行有机结构分析

二次离子质谱（SIMS）如何在检测实验室中进行有机结构分析

        二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）是一种重要的材料成分分析方法。SIMS技术的原理是以一定能量（通常为几百至几万eV）的初级离子束入射到材料表面，当表面粒子（原子、原子团、官能团、分子等）获得的能量大于基体结合能时，会发生溅射现象（Sputtering），产生一部分的中性粒子（通常>90%）以及少部分的带电二次离子（通常<10%），这些二次离子进入到质量分析器检测即可进行定性分析。

        SIMS是一种获取材料表面信息的技术，最低可以得到物体表面1nm以内的成分信息，SIMS技术可以以超低的检出限（ppm~ppb级别）检测从H到U的所有元素及同位素信息，同时还可以获得原子团、分子碎片等质谱信息，因此除了用于分析无机物，还可用于有机物分子结构分析。如今，SIMS技术已经广泛应用于半导体微电子、化学、生物、材料、矿物、医药等领域，并且在某些领域成为一种不可替代的技术手段。

SIMS的主要工作模式分为静态模式（SSIMS）和动态模式（DSIMS）。其中SSIMS模式是指在低电子束能量和低束流密度下，稳定持续的轰击样品表面。此时初级离子束带来的能量只有一小部分用于激发离子，二次离子可以具有长达数小时的弛豫时间。同时静态SIMS要求环境具备超高真空条件（约10-8Pa），来确保获得样品表面单层离子信息的准确性。这种静态SIMS的软电离通常用于分析有机物表面，或者用于分析基体表面有机物污染。DSIMS模式是指离子束溅射和质谱检测同时交替进行，在一定溅射速率和溅射时间下，获得样品不同深度元素组成的动态剖析。因此，DSIMS相比SSIMS而言需要更大的初级电子束能量和束流密度，对样品的破坏也会更大。DSIMS模式具备很宽的深度范围和极高的空间分辨率，可以分析1nm到几十微米深度下元素或原子团的三维空间分布。

常用的二次离子质谱分析器有磁质谱、四极杆质谱、飞行时间质谱等，其中飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS是当前分辨率最高的表面分析技术，其特点是在初级离子束的脉冲信号下，就可以得到全谱，这极大提高了二次离子的利用率，也减少了分析时间和对样品的破坏性。TOF-SIMS的分辨率可以达到104，深度分辨率达到1nm，微区分辨率达到100nm2，二次离子浓度灵敏度达到ppm级别。下图为静态TOF-SIMS分析高分子聚酯得到的官能团分子碎片质谱图。

微源检测实验室中德国ION-TOF的先进TOF-SIMS仪器可以提供完善的SIMS技术解决检测方案。