TOF-SIMS飞行时间二次离子质谱仪-技术解读

什么是TOF SIMS? 它可以应用于哪些领域？能提供哪些信息？哪些样品适用（哪些不适用）？在这一系列文章中，我们将解答所有这些问题，以及更多探讨。

飞行时间二次离子质谱法（ToF SIMS）是一种用于研究固体表面和薄膜的三维化学组成的表面分析技术。

聚焦的一次离子束轰击目标表面，产生中性原子/分子、二次离子和电子。二次离子通过飞行时间质谱仪进行收集和分析。质谱仪通过精确测量离子到达探测器所需的时间(即“飞行时间")来测量离子的质荷比(m/z)。

通过扫描一次离子束在样品表面的区域，可以逐像素形成表面的化学图谱。科学家和技术人员在学术和工业环境中每天都会使用飞行时间二次离子质谱仪进行基础研究、常规分析和质量控制。

多年来，一次离子束的局限性使得分析仅限于原子种类和小分子。随着仪器和离子束设计的进步，现代仪器现在可以常规地成像大的完整分子。这些新功能使得新应用如雨后春笋般涌现，越来越多的生物及生物相关领域的论文开始采用TOF SIMS技术。

ToF SIMS仪器剖析

ToF SIMS仪器通常比实验室中常见的其他分析仪器体积更大、价格更昂贵。需要在高真空环境下（< 1×10^-6 mbar）操作，以防止空气中的气体分子和离子发生碰撞，因此需要更大的真空泵、更坚固的密封，以及额外的防止泄露的预防措施。

ToF SIMS的主要优势

• 空间分辨率：因为光束尺寸小到几百纳米，ToF SIMS实现了比其他成像方法更高的空间分辨率。

• 速度：飞行时间质谱仪的工作速率远高于其他质谱技术，ToF SIMS仪器可以每秒1000像素的速度运行。

• 3D成像：通过在同一区域上多次扫描表面并去除少量物质，ToF SIMS能够逐层建立材料的3D地图。

• 灵敏度：由于斑点尺寸小且撞击坑浅，这需要非常小心地防止信号丢失。因此，SIMS通常比其他形式的质谱法更灵敏。

• 动态范围：ToF SIMS光谱中离子范围广泛，从单个氢离子到几千道尔顿大小的完整蛋白质分子都可覆盖。

• 应用：ToF SIMS具有广泛应用领域，涵盖冶金、基础生物学以及介于两者之间的大多数领域。

ToF SIMS的应用

ToF SIMS提供了样品详细的三维化学图像，揭示了组成样品的原子和分子信息、它们的分布以及任何存在的污染。这种类型的信息对于许多应用领域都具有重要意义，包括学术研究实验室、工业质量控制和研究机构每天都在使用ToF SIMS。材料科学、分析化学、生物学、地质学、制药科学等众多领域都能从ToF SIMS提供的详细化学信息中获益。

2D成像

2D成像是ToF SIMS应用中最常见的操作模式之一，通过离子束扫描表面，在每个像素处获取质谱数据。

图像分辨率范围广泛，从几百像素到400多万像素不等。单个质量通道图像显示了离子在视场中精确的分布情况，而叠加多个质量通道可以展示不同离子之间以及其分布之间的关系。

下图展示了三个单独离子图像和一个覆盖图像，代表着生物组织样本中不同成分。

光谱测定法

分析ToF SIMS光谱可以提供样品的原子或分子组成信息，并能提供各种化合物的总体丰度信息。在某些情况下，也可以确定原子比率，但这需要对样品进行严格控制并谨慎使用参考材料。

大多数主流的ToF SIMS仪器都配备了串联质谱（Tandem mass spectrometry）功能，这对于可靠地识别离子非常有用。Tandem MS也被称为MS/MS或MS²，涉及隔离感兴趣的二次离子，然后将其裂解，并收集产生的碎片形成质谱。通过分析子离子峰，可以以很高的精度确定母离子。

通过在TOF-SIMS仪器上获得的组织样品中进行磷脂物种的串联质谱分析，确认了母离子为PC34:1+K，并且碎片模式证实了这一结果。

深度剖析

深度剖面分析是一种强大的分析模式，它通过垂直蚀刻样品并获取每层质谱来实现。结果是得到了采样体积中所有原子/分子的轮廓。使用大簇离子可以减少对亚表层的破坏，并最大限度地降低层间混合，从而提高深度分辨率。通过正确选择离子束和样品组合，可以实现低至几纳米的深度分辨率。

通过使用NIST Ni/Cr标准参考物质和C60光束进行深度剖面分析，可以展示出5 nm的高分辨率。

3D成像

与其他质谱和分析技术相比，ToF SIMS的特别之处在于其能够获取3D数据集。类似于深度剖析，3D分析需要重复获取许多2D层，并通过蚀刻材料来建立样品的三维视图。对于3D分析而言，大簇离子是理想选择，因为它们对样品造成的损伤较小，可以同时用于蚀刻和分析。

不同于AFM等能够捕获样品三维地形的技术，SIMS无法区分3D物体和平面物体。该技术zui适用于表面以下有兴趣层的平面样品。虽然重建非平面样品的地形是可能的；但这需要事先了解材料结构。