二次離子質譜（SIMS）的原理特點和應用

二次離子質譜（secondary ion mass spectroscopy），是一種非常靈敏的表面成份精密分析儀器，它是通過高能量的一次離子束轟擊樣品表面，使樣品表面的分析吸收能量而從表面發生濺射產生二次粒子,通過質量分析器收集、分析這些二次離子，就可以得到關于樣品表面信息的圖譜。

中文名 二次離子質譜 外文名 secondary ion mass spectroscopy(SIMS)

別稱：次級離子質譜、離子探針 

原理：用一次離子束轟擊表面

用途：材料檢測與表征、醫藥研究等

二次離子質譜儀

二次離子質譜（ Secondary Ion Mass Spectrometry ，SIMS）是通過高能量的一次離子束轟擊樣品表面，使樣品表面的原子或原子團吸收能量而從表面發生濺射產生二次粒子,這些帶電粒子經過質量分析器后就可以得到關于樣品表面信息的圖譜。 [1] 

在傳統的SIMS實驗中，高能一次離子束，如Ga, Cs, 或 Ar離子在超真空條件下聚焦于固體樣品表面 （如圖所示）。一次離子束與樣品相互作用，材料表面濺射和解吸出二次離子。這些二次離子隨后被提取到質量分析器中，從而呈現具有分析表面特征的質譜圖 ，同時產生元素、同位素及分子的信息，其靈敏度范圍可達ppm至ppb量級。在該領域中，有三種基礎類型的SIMS儀器最為常用，每一種質譜使用不同的質量分析器。

二次離子質譜原理

Secondary-ion-mass spectroscope （SIMS）是一種基于質譜的表面分析技術，二次離子質譜原理是基于一次離子與樣品表面互相作用現象（基本原理如下圖所示）。帶有幾千電子伏特能量的一次離子轟擊樣品表面，在轟擊的區域引發一系列物理及化學過程，包括一次離子散射及表面原子、原子團、正負離子的濺射和表面化學反應等，產生二次離子，這些帶電粒子經過質量分析分析后得到關于樣品表面信息的質譜，簡稱二次離子質譜。

通過質譜圖可以用來獲取樣品表面的分子、元素及同位素的信息，可以探測化學元素或化合物在樣品表面和內部的分布，也可以用于生物組織和細胞表面或內部化學成分的成像分析，配合樣品表面掃描和剝離（濺射剝離速度可以達到10微米/小時），還可以得到樣品表層或內部化學成分的三維圖像。二次離子質譜具有很高的靈敏度，可達到ppm甚至ppb的量級，還可以進行微區成分成像和深度剖面分析。 [1] 

SIMS用一次離子束轟擊表面，將樣品表面的原子濺射出來成為帶電的離子，然后飛行時間或者磁偏轉質譜儀分析離子的荷/質比，便可知道表面的成份；它是一種非常靈敏的表面成份分析手段，對某些元素可達到ppm量級；但由于各種元素的二次離子差額值相差非常大，作定量分析非常困難。

二次離子質譜儀，是最前沿的表面分析技術。二次離子質譜儀揭示了真正表面和近表面原子層的化學組成，其信息量也遠遠超過了簡單的元素分析，可以用于鑒定有機成分的分子結構。二次離子質譜儀廣泛應用于微電子技術、化學技術、納米技術以及生命科學之中，它可以在數秒內對表面的局部區域進行掃描和分析，生成一個表面成分圖。

發展歷史

自從Dunnoyer 第一次發現離子在真空中沿直線運動已經有100年的歷史，自此以后，分子束的應用在二十世紀持續到二十一世紀，它為重大技術進步和基礎研究奠定了基礎，分子束用于濺射源是其中應用之一。

盡管在是十九世紀中葉濺射的現象已經觀察到，直到十九世紀四十年代，隨著真空技術的進步，Herzog和Viehbock 才在實驗中第一次表明二次離子的濺射。接著Laegreid和Wehner的實驗表明，在濺射中產生的離子可以用于產生二次離子。隨后，在十九世紀六十年代，其他研究者如Nelson 和Sigmund 研究了濺射的機理，讓理解這種現象更加直觀。

盡管TOF分析器出現的比較早，但是由于技術上的難題，直到1982年它才被用于 SIMS儀器設計上。早期將TOF用于表面分析質譜儀器設計的工作是由Mueller和Krishnaswamy兩位科學家。他們將Oetjen和Poschenrieder發明的能量聚焦TOF 分析器安裝到一臺原子探針儀上。已故德國科學家Benninghoven及其研究團隊第一個將這種設計用于SIMS儀器，并且現在市場上商品化的儀器都是由該團隊設計。他們最早使用磁場偏轉質量分析器和四級桿質量分析器做S-SIMS的研究。1976年開始了TOF-SIMS的研制工作。于1979年制造了一臺TOF-SIMS，稱之為TOF-SIMSI.隨后他們又將TOF-SIMSI上的Poschenrieder質量分析器轉換為反射型分析器，提高了質量分辨率，并制備了反射型的TOF-SIMSII。1985年Benninghoven研究團隊又將激光-SNMS裝置整合到TOF-SIMS儀器中。可以說，基于Prof. Beninghoven教授（明斯特大學原物理系主任，國際二次離子質譜協會主席）的理念，明斯特大學研制出世界上第一套TOF-SIMS系統，一直到發展現在的第五代TOF-SIMS。

到現在，二次離子質譜系統已經完全跳出最初的靜態二次離子質譜的概念，引入第二束專門剝離的離子束，從而可以實現空間范圍的三維分析。最新的分析源出現了Bi源，可以完全取代原來的Ga源和金源。該分析源對無機物和有機大分子等的分析都可以勝任，并且不損失系統的空間分辨率的前提下大大提高其質量分辨率。2012年，出現了第二代Bi源，分析器方面新研制了EDR功能，對系統結果校正和定量分析有較大幫助，并推出了可以用于有機大分子和生物分析的Gas Cluster Source。而分析源的升級是發展最快的: Ga, Au, Xe, SF5, C60，O，Cs, 一直到現在廣泛應用的Bi和GCS（Gas Cluster Source）。

在TOF-SIMS儀器不斷發展的同時期，其他類型的SIMS儀器的性能都不斷被提高。然而，在取得很高質量分辨率后，TOF-SIMS還是成為商業化二次離子質譜的主流。這主要是因為TOF-SIMS一個一次離子脈沖就可以得到質量范圍的全譜、離子利用率高、質量分辨率高、靈敏度好，另外，從原理上來說，通過 控制脈沖的重讀頻率，TOF-SIMS的檢測質量范圍可不受限制。

儀器分類

在該領域中，有三種基礎類型的SIMS儀器最為常用，每一種質譜使用不同的質量分析器：

1. 飛行時間二次離子質譜儀(ToF-SIMS)

在此類質譜儀中，二次離子被提取到無場漂移管，二次離子沿既定飛行路徑到達離子檢測器。由于給定離子的速度與其質量成反比，因此它的飛行時間會相應不同，較重的離子到達檢測器的時間會比較輕的離子更晚。此類質譜儀可同時檢測所有給定極性的二次離子，并具有極佳質量分辨率。

此外，由于此類質譜儀的設計利用了在極低電流(pA范圍)中運行的脈沖離子束，所以此類質譜儀有助于分析表面、絕緣體和軟材料等易受離子影響而導致化學損傷的物質。

2. 扇形磁場二次離子質譜儀

扇形磁場二次離子質譜儀器通常使用靜電和扇形磁場分析器來進行濺射二次離子的速度和質量分析。扇形磁場使離子束偏轉，較輕的離子會比較重的離子偏轉更多，而較重的離子則具有更大動量。因此，不同質量的離子會分離成不同的光束。靜電場也應用于二次光束中，以消除色差。由于這些儀器具有更高的工作電流和持續光束，因此它們十分有助于深度剖析。但是，這些儀器用于表面分析和表征易產生電荷(charge)和/或損傷的樣品時，難以發揮理想的效果。

3. 四極桿二次離子質譜儀

由于這些儀器的質量分辨率相對有限（單位質量分辨率不能解決每超過一個峰值的質量），因此這些儀器越來越稀有。四級桿利用一個共振電場，其中只有特定質量的離子才能穩定通過震蕩場。與扇形磁場儀器相類似的是，這些儀器需要在高一次離子電流下操作，且通常被認為是“動態二次離子質譜”儀器（比如用于濺射深度剖析和/或固體樣品的總量分析）。

如今，盡管這些設計在SIMS界最為常見，但仍有許多令人興奮的新設計正不斷出現，它們在未來可能會發揮更重要的作用。這些新設計包括多種質譜儀中的連續離子束設計（比如用四級桿或飛行時間質譜儀作串聯質譜(MS-MS)分析），以及傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)儀器，其質量分辨率接近一百萬或更高。

二次離子質譜儀組成

SIMS主要包括一次離子源、進樣室、質量分析器、真空系統、數據處理系統等部分，對于絕緣樣品還配有電荷補償的電子中和槍，同時根據分析目的不同，還配有不同的離子源，常見的有氣體放電源（如O、Ar、Xe）、表面電離源（如Cs）、熱隙源（如C60）和液態金屬及團簇源（如Bin、Aun、Ga）等。

這是用來檢測材料的一種表面分析儀器，即是利用離子束把待分析的材料從表面濺射出來，然后再檢測出離子組分并進行質量分析。它是對微粒進行同位素分析的有力工具，但它不能直接分辨同量異位數和確認元素，也難以高效率地在環境樣品中尋找特定成分的微粒。

操作模式

SIMS大致可以分為“動態二次離子質譜”（D-SIMS）"和“靜態二次離子質譜“（S-SIMS）兩大類。雖然工作原理上它們并無本質差別，但是兩種模式的應用特點卻有所不同。一次離子束流密度大小是劃分兩種模式的主要標準。一般在S-SIMS模式下，一次離子束流被控制在10¹³ 離子/cm²，常用飛行時間質量分析器，動態二次離子質譜就是一次離子束流高于10離子/cm² ，常用雙聚焦質量分析器。

SIMS操作模式可以分為質譜表面譜、成像模式、深度剖析等。 其中質譜模式質量分辨率最高，常用于鑒別各種材料中所含有的元素、材料中的摻雜、污染物中的成分等。二次離子質譜成像是指二次離子在二維平面上的強度分布，可以直觀的顯示成分的分布，獲得元素離子、分子碎片或分子離子的形貌。深度剖析是指交替式地對分析樣品表面濺射剝離和對濺射區域采集圖譜，從深度剖析結果中可以得到不同成分沿深度方向的分布，可以得到樣品深層或內部化學成分的三維圖像，可以進行對材料或者生物組織微區成分分析。

二次離子質譜的特點

1.獲得樣品最表層1-3個原子信息深度信息；

2.可以檢測同位素，用于同位素分析 ；

3.達到ppm~ ppb級的探測極限。

4.可以并行探測所有元素和化合物，離子傳輸率可以達到100%。

5.采用高效的電子中和槍，可以精確的分析絕緣材料。

6.具有很小的信息深度（小于1nm）；可以分析材料最表層（原子層）的結構。

7.極高的空間分辨率，對于樣品表面的組成結構一目了然（小于50nm)。

8.可以探測的質量數范圍包括12000原子量單位以下的所有材料，包括H, He等元素。

9.可以同時給出分子離子峰和官能團碎片峰；可以方便的分析出化合物和有機大分子的整體結構。 

10.采用雙束離子源可以對樣品進行深度剖析，深度分辨率小于1納米。

分析物要求

在二次離子的常規檢測中，可以用于分析的樣品可以固體，也可以是粉末、纖維、塊狀、片狀、甚至液體（微流控裝置）。如果從導電性考慮，這些樣品可以是導電性好的材料，也可以是絕緣體或者半導體。從化學組成上來分，可以是有機樣品，如高分子材料、生物分子，也可以是無機樣品，如鋼鐵、玻璃、礦石等。

應用領域

當前二次離子質譜領域發展迅速，在半導體制造中元素摻雜，薄膜的組分測量和其他無機材料，宇宙中同位素比例，地球中微量元素等領域具有非常重要應用。

通過二次離子質譜的深度剖析來分析材料薄膜結構是一種獨特的分析手段，尤其是對于分析不同薄層中的材料，以及相鄰兩層之間材料的相互影響 分析亞微米尺度下的特征、缺陷或者污染，對于諸多工業應用領域具有至關重要的影響，比如：半導體器件加工，硬盤磁頭加工，特殊反 射面，復合材料等等。

此外，利用二次粒子質譜還是科技前沿問題的本質探索的有力工具，例如在生命科學領域可對單細胞可視化分析，可以得到藥物在細胞內的吸收，分布，代謝等信息，還可以研究藥物在組織或者細胞中的定位，對于提高藥物的靶向性以及合理設計藥物具有重要意義 [2]  。

總而言之，二次離子質譜技術的應用領域非常廣泛： 如金屬 [3]  、半導體 [4]  、微電子 [5]  ，航空航天 [6]  ，汽車 [7]  ，化學化工 [8]  ，生物醫藥 [9]  ，單細胞 [10-11]  ，環境 [12]  等領域，尤其是傳統半導體工業 [13]  ，集成電路 [14]  、太陽能光伏電池 [15]  等的分析占有非常重要的作用，該技術對于中國高端制造2025計劃顯得尤為重要。近年來，隨著儀器的發展，尤其是一次離子源方面的新進展，飛行時間二次離子質譜也廣泛應用于生命科學領域， 如近年來北京分子科學國家實驗室研究人員應用飛行時間二次離子質譜研究內源性生物分子及藥物分子在細胞內分布，作用靶標及其作用機理取得重要進展，使得該儀器在單細胞分析方面具有廣泛的應用前景 [1]  。

參考資料

1. 如何拓展二次離子質譜在生命科學研究中的應用——訪中科院化學所汪福意研究員  ．儀器信息網[引用日期2018-05-22]

2.  Visualization of metallodrugs in single cells by secondary ion mass spectrometry imaging  ．JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry． 2017年5月[引用日期2018-08-14]

3.  P Rostam-Khani ， MJP Hopstaken ， P Vullings ， G Noij ， O O’Halloran．Quantification issues of trace metal contaminants on silicon wafers by means of TOF-SIMS, ICP-MS, and TXRF：Elsevier，2004 , s 231–232 (23) ：720-724

4.  MA Douglas ， PJ Chen．Quantitative trace metal analysis of silicon surfaces by ToF‐SIMS：Wiley，2015 , 26 (13) :：984-994

5.  SY Chou ， SJ Schablitsky ， L Zhuang．Application of amorphous silicon subwavelength gratings in polarization switching vertical-cavity surface-emitting lasers：Journal of Vacuum Science & Technology B，1997 , 15 (6) ：2864-2867

6.  當代TOF-SIMS在航天器污染分析中的可能應用  ．中國知網．2005[引用日期2018-08-14]

7.  F Aubriet ， C Poleunis ， P Bertrand．Capabilities of static TOF-SIMS in the differentiation of first-row transition metal oxides.：Journal of Mass Spectrometry Jms，2001 , 36 (6) ：641

8.  TL Colliver ，Brummel ， ML Pacholski ， FD Swanek ， AG Ewing．Atomic and molecular imaging at the single-cell level with TOF-SIMS.：Analytical Chemistry，1997 , 69 (13)：2225-2231

9.  基于質譜的有機金屬釕抗癌化合物作用機理研究  ．萬方數據庫． 2016[引用日期2018-08-14]

10.  二次離子質譜-激光掃描共聚焦顯微鏡聯用對 單細胞顯微成像-原理及應用  ．中國知網．2018.07[引用日期2018-08-14]

11.  單細胞TOF-SIMS成像研究  ．萬方數據庫．2014-10-18[引用日期2018-08-14]

12.  Z Wang ， J Liu ， Y Zhou ， JJ Neeway ， fuyi Wang．Nanoscale imaging of Li and B in nuclear waste glass, a comparison of ToF‐SIMS, NanoSIMS, and APT：Surface & Interface Analysis，2016 , 48 (13) ：1392-1401

13.  Z Wang ， K Jin ， Y Zhang ， F Wang ， Z Zhu．ToF‐SIMS depth profiling of insulating samples, interlaced mode or non‐interlaced mode?：《Surface & Interface Analysis》 ，2015 , 46 (S1) ：257-260

14.  田春生．二次離子質譜儀(SIMS)的原理及應用：中國集成電路，2005 (8) ：74-78

15.  Jeffrey A. Christians, Philip Schulz, Jonathan S. Tinkham, Tracy H. Schloemer, Steven P. Harvey, Bertrand J. Tremolet de Villers, Alan Sellinger, Joseph J. Berry & Joseph M. Luther．Tailored interfaces of unencapsulated perovskite solar cells for >1,000 hour operational stability：Nature Energyvolume 3，2018：pages68–74 (2018)