二次离子质谱
二次离子质谱分析
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪主 要由五部分组成： 主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器 离子流计数及数据 处理系统
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-离子枪
SIMS 基本工作原理
样品表面被高能聚焦的一 次离子轰击时，一次离子 注入被分析样品，把动能 传递给固体原子，通过层 叠碰撞，引起中性粒子和 带正负电荷的二次离子发 生溅射，根据溅射的二次 离子信号，对被轰击样品 的表面和内部元素分布特 征进行分析。
SIMS工作原理示意图
SIMS 入射离子与样品的相互作用
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 液态金属离子源
金属镓熔融（熔点： 29.8℃）后，依靠 表面张力覆盖在钨丝 的尖端，形成一个锥 体。液态镓在强静电 场的作用下发生场致 电离现象，形成离子 Ga+，然后被萃取电
极 引出并准直。
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析早期采用磁质谱仪，其质量分辨率和检 测灵敏度高，但仪器复杂、成本高。
❖ 动力学级联碰撞模型
在高能一次离子作用下， 通过一系列双体碰撞后， 由样品内到达表面或接近 表面的反弹晶格原子获得 了具有逃逸固体所需的能 量和方向时，就会发生溅 射现象。
SIMS
入射离子与样品的相互作用
❖ 离子溅射 ➢ 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产
额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离 子所需的能量。
磁场分离 (m/z)
检测器记录
其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为 碎片质量，V为电子运动速度。
二次离子质谱基本规律和应用
原子团。
五、SIMS分析模式和基本关系式
l、SIMS分析模式
SIMS分析模式大致可分为动态和静态两大类。一 次离子束流密度是划分两种模式的主要标志。动态 SIMS是最早的SIMS分析模式。
离子显微镜和离子微探针都属于这一类。其 一 次 离 子 束 流 密 度 较 高 (>1X10-7A/cm2) ， 溅 射速率>5nm/min，这种模式常用于深度剖析、 成像和微区分析，主要应用于电子技术和材 料科学的研究。
以至打入体内(称反弹注入)，见图中的 I。
一次离子还可穿入表面，在靶内会产生一系列联碰 撞，将其能量逐步转移给周围的晶格，最后注入到 一定的深度即离子注入。
靶内原子受到碰撞，一旦获得高于一定阈值的能量就 会发生体内移位，变成一次撞出原子，它们可再次与 周围原子碰撞，使撞出原子增加，其中必然有一部分 会扩展到表面。
当粒子获得离开表面方向的动量，且能量又可克服其 结合能量时，则会产生二次发射，这种现象称为溅射。
溅射出的二次粒子可以是原子、分子或原子团，其中 大部分是中性的，还有一些带正及负电荷的二次离子。 这些二次粒子都带有一定初始能。见图中的 II。
还有一部分一次离子和表面原子碰撞，在一次碰撞中 把大一部分能量传递给表面原子，使其以很高的能量 发射出去(这称反弹溅射)，一次离子则注入到表面内， 见图中的 Ⅲ。
二次离子质谱基本规律和 应用
二次离子质谱
(Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS)
一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结
二次离子质谱仪作用
二次离子质谱仪作用二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种在固体表面或物质表面上进行原位分析的技术。
它通过瞄准表面产生的次级离子并测量其质量和相对丰度，从而确定样品中化学元素及其同位素组成和分布。
二次离子质谱仪主要由三个部分组成：离子枪、分析区和质谱仪。
离子枪产生成分稳定、能量可调的离子束，瞄准待分析的表面。
当离子束轰击表面时，表面的分子会被激发并释放出次级离子，这些次级离子则被加速并进入分析区。
在分析区，次级离子会被分析器进行质谱分析，从而得到离子的质量与相对丰度的信息。
1.表面分析：SIMS可以在非破坏性的情况下分析固体材料的表面成分和结构。
它能够提供在固体材料表面单原子层上的化学分析，对材料的表面元素分布、表面组成、晶体结构和晶格畸变等提供详尽的信息。
因此，在材料科学、生物医学、地球科学等领域中，SIMS广泛应用于表面组分分析、表面腐蚀、晶体成长等研究。
2.化学元素分析：SIMS能够对微量元素和同位素进行高灵敏度和高分辨率的检测。
它能够提供元素组分及其同位素的详尽分析，对于元素的同位素分布、形态分异以及同位素示踪等研究具有重要作用。
在地球化学、环境科学、天体化学等领域中，SIMS常用于重要元素、微量元素和稀土元素的分析与研究。
3.唾液腺分析：SIMS可应用于研究人体组织和细胞的成分与分布。
例如，在唾液腺研究中，通过分析次级离子质谱图像，可以揭示唾液腺组织中不同细胞类型的元素成分和含量差异，从而了解唾液产生和分泌机制，进一步推进口腔医学和生物医学的研究进展。
4.纳米材料分析：SIMS能够对纳米材料进行表面分析和纳米粒子分析，还可以研究纳米结构和纳米粒子对材料性质的影响。
通过SIMS，研究者可以确定纳米材料的成分、形态和分布情况，从而进一步优化纳米材料的制备和应用。
总之，二次离子质谱仪作为一种表面分析和成分检测的技术工具，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。
二次离子质谱在电池中的应用
二次离子质谱在电池中的应用二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种用于表面分析的高灵敏度技术，具有很高的化学和空间分辨率。
在电池科学和工程领域，SIMS被广泛应用于电池材料分析、电池失效分析、电池老化分析、电池安全性研究和电池回收利用等方面。
1.电池材料分析SIMS在电池材料分析中发挥着重要作用，可用于研究电极材料、电解质、隔膜等关键组件的化学组成和表面元素分布。
SIMS可以提供有关材料表面和界面化学状态的信息，有助于理解电池材料的性能和反应机制。
2.电池失效分析电池失效通常是由电池内部发生的化学反应、机械应力和热失控等因素引起的。
SIMS可以通过分析电池失效后的表面成分和形貌，推断出失效的原因。
此外，SIMS还可以用于研究电池的电化学性能，如循环寿命、充放电速率等，以帮助优化电池设计和性能。
3.电池老化分析电池老化是指电池在使用过程中性能逐渐降低的过程，通常是由电池内部的化学反应和结构变化引起的。
SIMS可以通过分析电池老化过程中的表面成分和形貌变化，研究电池老化的机制和影响因素。
此外，SIMS还可以用于评估电池老化对电池安全性和环境的影响。
4.电池安全性研究电池安全性是电池科学和工程领域的重要问题之一，涉及到电池的过充电、过放电、短路等危险情况。
SIMS可以通过分析电池在这些情况下的表面成分和形貌变化，研究电池安全性问题。
此外，SIMS 还可以用于研究电池热失控的机制和防止措施，提高电池的安全性能。
5.电池回收利用随着电动汽车和便携式电子设备的普及，废旧电池的数量不断增加。
废旧电池中含有许多有价值的材料，如锂、钴、镍等，可以回收再利用。
SIMS可以用于研究废旧电池的成分和结构，优化回收流程，提高回收效率和准确性。
此外，SIMS还可以用于检测废旧电池是否经过处理或篡改，保证回收材料的质量和安全性。
总之，二次离子质谱作为一种强大的表面分析技术，在电池科学和工程领域中具有广泛的应用前景。
现代材料分析方法(8-SIMS)
Al+的流强随时间变化的曲线
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
Si的正二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
聚苯乙烯的二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在超高真空条件下，在清 洁的纯Si表面通入20 L的氧 气后得到的正、负离子谱， 并忽略了同位素及多荷离 子等成份。除了有硅、氧 各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离 子发射。应当指出，用氧 离子作为入射离子或真空 中有氧的成分均可观察到 MemOn (Me为金属)
SIMS 二次离子质谱仪
定性分析Biblioteka SIMS定性分析的目的是根据所获取的二次离子
质量谱图正确地进行元素鉴定。样品在受离子照射时，
一般除一价离子外，还产生多价离子，原子团离子，
一次离子与基体生成的分子离子。带氢的离子和烃离 子。这些离子有时与其它谱相互干涉而影响质谱的正 确鉴定。
SIMS 二次离子质谱仪
溅射产额与元素的升 华热倒数的对比
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与晶格取向的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
是入射方向与
样品法向的夹角。
当 = 60o~ 70o时， 溅射产额最大， 但对不同的材料， 增大情况不同。
相对溅射产额与离子入射角度的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与入射离子原子序数的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
二次离子质谱ppt
通过采用先进的磁场和电场设计，实现对离子 束的精确控制，提高离子的聚焦度和加速效率 ，从而提高分辨率和灵敏度。
新型二次离子质谱仪器的发展
微型化仪器
随着微制造技术的发展，研制微型化的二次离子质谱仪器具有更大的潜力。这种仪器具有 更小的体积、更轻的重量和更低的功耗，可适用于各种实际应用场景。
多元素分析能力
发展能够同时分析多种元素的二次离子质谱仪器，可以实现对样品中多种元素的同时分析 ，提高分析效率。
在线实时分析仪器
研制在线实时分析的二次离子质谱仪器，可以实现对生产过程中样品的质量监控，提供更 及时、准确的分析结果。
二次离子质谱与其他分析技术的联用
01
与色谱技术联用
将二次离子质谱与色谱技术联用，可以实现复杂样品中不同组分的分
二次离子质谱是一种基于离子束分析的方法，通过在样品表 面注入高能离子束，激发样品中的原子或分子，使其电离并 产生二次离子。
这些二次离子通过质量分析器按其质荷比进行分离，最终得 到样品的元素组成和化学态信息。
二次离子质谱的技术分类
根据不同的激发源，二次离子质谱可分为激光诱导二次离 子质谱、粒子束诱导二次离子质谱、场诱导二次离子质谱 等。
04
二次离子质谱的技术发展及最新研究进展
提高分辨率和灵敏度的方法
1 2 3
优化仪器设计
通过改进仪器设计，如采用更高效的离子光学 系统和更精密的离子检测系统，可以提高二次 离子质谱的分辨率和灵敏度。
采用先进的离子源
采用新型的离子源，如激光烧蚀离子源、场离 子源等，可以获得更高质量的离子束，从而提 高分辨率和灵敏度。
03
二次离子质谱的发展历程
技术起源与早期发展 技术发展重要阶段 技术最新进展与趋势
二次离子质谱 质谱原理与技术 华南理工大学现代化学分析原理与技术 化学分离
第二节 二次离子质谱(SIMS)
二次离子质谱是利用质谱法,分析初级离子入 射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面 信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢 在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析 化合物组分和分子结构。二次离子质谱具有很高 的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级，还可以 进行微区成分成像和深度剖面分析 。
一、离子溅射与二次离子质谱
一定能量的离子打到固体表面会引起 表面原子、分子或原子团的二次发射，即 离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主， 其中有一部分带有正、负电荷，这就是二 次离子。利用质量分析器接收分析二次离 子就得到二次离子质谱。
❖离子溅射
➢ 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产 额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离 子所需的能量。
离子源
①Electron Ionization (EI)源
++
:
: R2
+
: R3
++
: R4 :e
(M-R2)+
(M-R1)+
(M-R3)+
M+
Mass Spectrum
EI 源的特点： 1.电离效率高,灵敏度高； 2.应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 3.稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 4.结构简单，控温方便；
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
质谱分析特点
（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是 有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与 相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、 热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以 是气体和液体，也可以是固体。
二次离子质谱 sims 的作用
二次离子质谱 sims 的作用二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)是一种高灵敏度的表面分析技术，可以非常有效地对材料表面进行成分分析和结构表征，极大地促进了材料研究和开发。
SIMS原理是在样品表面炸出次级离子，并通过磁场加速和分离质量，最后检测出来。
主要应用于化学、物理、生物、医学、电子、半导体、材料科学等领域。
SIMS分析可以提供原子级别的化学成分信息，包括元素和同位素及其浓度，可以清晰地揭示出材料表面的化学组成、处理工艺、晶格缺陷、表面结构等特性。
其空间分辨率高，能够达到亚微米级甚至纳米级的分辨率，尤其对于小颗粒或表面分析有较大优势。
与其他传统表面分析方法相比，SIMS技术具有很多优势和特点：首先，它可以在非常小的分析区域内进行化学分析，对于材料的微小变化极为敏感；其次，样品表面不需特殊处理，可以进行多种形态的分析；并且，SIMS可以同时分析多个元素，操作上也更加灵活和方便；最后，它非常适用于表面分析以及非常薄的薄膜或特定区域的分析。
在工业上，SIMS技术被广泛应用在半导体制造和研发中。
它可以分析掺杂元素在晶体中的位置和扩散，检测器件的组成、品质和特征，从而可以改善器件的性能、可靠性和成本等方面。
在材料科学中，SIMS技术可以用来研究特殊的表面性质和组分变化。
例如，对于材料的界面结构和化学反应，可以通过组分分析得到更加明确和准确的信息。
在生命科学中，SIMS技术可以用来研究传染病的发生、进展和治疗方法等问题。
它能够对生物分子的组分进行分析，包括脂质、蛋白质、核酸等，这些信息对于病理学、药学和生物学等领域非常有用。
总之，二次离子质谱（SIMS）作为一种表面分析技术，已成为材料科学、微电子技术、生物医学及制药等领域中最有效的分析方法之一，具有广泛的应用前景和深远的影响。
二次离子质谱SIMS
SIMS的原理示意图
二、离子与表面的相互作用
离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面 的作用来处理，通常：
一次束流密度 < 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 < 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间
< 10－12秒
一次离子
固体表层
发射出表面 留在固体内
背散射离子 离子注入
常用百分浓度、ppm或ppb表示。 由于S±的不确定性，使按公式进行定量分析失去
实际意义。
（2）实际定量分析方法
标样法：通用标样、专做标样 (离子注入标样) 利用大量经验积累或研究相对变化
3．深度剖面分析 边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。
可同时检测几种元素。
绝对分辨与相对分辨 弧坑效应－电子门取样
4. 绝缘样品分析中的“中和”问题
绝对深度分辨与相对深度分辨
弧坑效应对SIMS深度剖析的影响
七、最新进展与热点
1. MCs+-SIMS： Cs+离子源的优点
Δ可提高负二次离子产额 Δ 溅射产额高，可减少深度剖析的时间 Δ MCs+有助于克服基体效应，实现多层结构定量分析
2. “ 后电离”技术 分析对象：溅射得到的中性粒子 优点：减小基体效应的影响 后电离的方法：激光、等离子体和电子
根据级联碰撞导致溅射机理，溅射的中性粒子一部分处 于亚稳激发态，以中性粒子形式逸出表面，在表层外1nm范 围内通过Auger去激发形成二次离子。
（2）断键模型－－由于化合物断键形成正、负二次离子 成功解释： 电负性强的元素为一次离子时，S＋↗ 电正性强的元素为一次离子时，S－↗
（3）局部热平衡模型
在一次离子轰击下，形成处于局部热平衡的等离子体。利 用在热力学平衡下的关系式，从质谱的离子流得到元素含量。
二次离子质谱仪原理简介
二次离子质谱仪原理简介二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）又称离子探针（Ion Microprobe），是一种利用高能离子束轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜样品进行高精度的微区原位元素和同位素分析。
由于地学样品的复杂性和对精度的苛刻要求，在本领域内一般使用定量精度最高的大型磁式离子探针。
该类型的商业化仪器目前主要有法国Cameca公司生产的IMS1270-1300系列和澳大利亚ASI公司的SHRIMP系列。
最近十年来，两家公司相继升级各自产品，在灵敏度、分辨率及分析精度等方面指标取得了较大的提升，元素检出限达到ppm-ppb级，空间分辨率最高可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
目前，大型离子探针可分析元素周期表中除稀有气体外的几乎全部元素及其同位素，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老地壳演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。
因而国内各大研究机构纷纷引进大型离子探针（北京离子探针中心的SHRIMP II 和SHRIMP IIe-MC、中科院地质与地球物理研究所的Cameca IMS-1280、Cameca IMS-1280HR和NanoSIMS 50L、中科院广州地球化学研究所的Cameca IMS-1280HR、中核集团核工业北京地质研究院的IMS-1280HR），大大提高了国内微区分析的能力。
本实验室配备了Cameca公司生产的IMS1280离子探针和其升级型号IMS1280HR。
两台仪器的基本原理及设计相同，升级型号IMS1280HR主要在磁场设计上有所改进，具有更高的质量分辨率和传输效率。
该型仪器从功能上可分为四部分，如图一所示：一次离子产生及聚焦光路（黄色部分）、二次离子产生及传输光路（蓝色部分）、双聚焦质谱仪（粉色部分）和信号接收系统（紫色部分）。
二次离子质谱(SIMS)
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，Biblioteka 稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、二次离子质谱仪
二次离子质 谱仪至少包括主真 空室、样品架及送 样系统、离子枪、 二次离子分析器和 离子流计数及数据 处理系统等五部分。
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
最可几能量分布范围：1-10eV 与入射离子能量无关
原子离子：峰宽，有长拖尾 带电原子团：能量分布窄，最 可几能量低，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
二次离子质谱
表面分析技术
2
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
二次离子质谱
一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、 分子或原子团等的二次发射，即离子溅射。溅射的粒 子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷， 这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离子
就得到二次离子质谱。
表面分析技术
3
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
表面分析技术
双等离子体离子源示意图
12
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪-质谱分析器
二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，不同动量的离子 在磁场中偏转半径不同，不同质荷比的离子分开。质量分辨
本领可高达10000以上，质量范围也较宽。但仪器复杂、成 本高，扫描速度慢。
表面分析技术
13
表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器 ，它通过高频与直流电场是特定质荷比的离子以稳 定轨迹穿过四极场，而质量较大或较小的离子由于
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪
二次离子质谱仪至少 包括主真空室、样品架及
送样系统、离子枪、二次 离子分析器和离子流计数 及数据处理示意图
10
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪-离子枪
离子枪一般分为热阴极电离型离子源、双等离子体离子源 和液态金属场离子源。
表面分析技术
16
分析速度快、流通率高，可以测量高质量数 的离子，而逐渐受到人们的重视。
表面分析技术
17
SIMS 二次离子质谱仪
SIMS类型-离子探针 离 子 探 针 即 离 子 微 探 针 质 量 分 析 器 (Ion Microprobe Mass Analyzer—IMMA)，有时也称
二次离子质谱发展历史_概述说明
二次离子质谱发展历史概述说明1. 引言1.1 概述二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种分析技术，具有高灵敏度和高空间分辨率等优势。
它通过将固体样品表面激发产生的次级离子进行质谱分析，可以实现对材料的元素成分、同位素丰度、元素空间分布以及化学状态等信息的获取。
1.2 文章结构本文主要围绕二次离子质谱的发展历史、技术原理和主要应用展开探讨。
文章包括引言、二次离子质谱发展历史、二次离子质谱技术原理、主要应用和成果总结以及结论与展望五个部分。
1.3 目的本文旨在全面概述二次离子质谱的发展历史，并详细介绍其原理和主要应用领域。
同时，还将对二次离子质谱在地质学、生物医学和材料科学领域中取得的重要成果进行总结，并提出存在的问题和未来发展方向。
通过阅读本文，读者能够了解到二次离子质谱研究领域的进展情况及其在各个领域中的应用前景。
注：本文大纲采用JSON格式，仅用于展示文章的目录结构，并无实际意义。
2. 二次离子质谱发展历史2.1 早期研究二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）作为一项重要的表面分析技术，起源于20世纪60年代。
早期的研究主要集中在金属和半导体材料等无机样品的表面分析上。
1965年，Oesterhelt和Felix首次使用电子轰击发射次级离子，并将其纳入到质谱仪进行质量分析。
此后，Nieman等人对将溅射离子用作粒子探针进一步扩展了这项技术的应用范围。
2.2 技术突破与进展随着对逐个原子检测需求的不断增加，SIMS技术得到了迅速发展。
1970年代初，Czyzewski和Bennett首先提出了溅射离子法用于生物分析，使得该技术在生物领域获得了广泛应用。
1985年，SESSIMS（Static SIMS）技术被引入，克服了早期动态SIMS存在的问题，并且提高了灵敏度和分辨率。
1990年代以后，ToF-SIMS（Time-of-Flight SIMS）技术的引入进一步提高了分辨率和质谱效能。
二次离子质谱仪_标准样品_解释说明
二次离子质谱仪标准样品解释说明1. 引言1.1 概述二次离子质谱仪是一种重要的分析工具，能够对物质的组成及其所含元素进行高精度和高灵敏度的定量和定性分析。
本文将介绍二次离子质谱仪的原理、应用领域以及发展历史，并重点讨论了标准样品在二次离子质谱仪中的作用。
1.2 文章结构本文共分为五个部分来阐述。
首先，我们将在引言部分概述文章的目的和结构。
其次，介绍二次离子质谱仪的原理、应用领域以及其发展历史。
然后，着重讨论了标准样品在二次离子质谱仪中的作用，包括定义、制备方法以及对仪器校准和性能评估的重要性。
接下来，我们将详细介绍二次离子质谱仪标准样品的分类方式及其应用案例，并针对可能存在的挑战提供解决方案。
最后，在结论部分总结文章要点，并展望未来二次离子质谱仪发展方向。
1.3 目的本文旨在解释说明二次离子质谱仪及其标准样品的重要性。
通过对二次离子质谱仪的原理、应用领域以及发展历史进行介绍，读者可以了解到该技术的基本概念和特点。
同时，我们将重点讨论标准样品在二次离子质谱仪中的作用，包括其定义、制备方法以及对仪器校准和性能评估的重要性。
此外，我们还将提供二次离子质谱仪标准样品分类方式和应用案例，并讨论可能出现的挑战和解决方案。
通过本文的阐述，读者能够全面了解并掌握二次离子质谱仪及其标准样品相关知识，并对未来发展方向有所展望。
2. 二次离子质谱仪2.1 原理介绍二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS）是一种高灵敏度的表征材料的仪器。
其原理基于样品表面与束流轰击相互作用，产生并逸出二次离子信号，进而利用质谱分析技术对这些离子进行定性和定量分析。
当一个束流以高能量轰击样品表面时，样品中的原子、分子或团簇会被激发，并且部分从表面挥发成为二次离子。
这些二次离子可以通过电场加速器聚焦和选择，然后经过质量/电荷比分析器进行质谱分析。
根据不同的元素和化合物，其产生的二次离子信号具有特定的质荷比，从而提供了材料成分和结构信息。
(仅供参考)二次离子质谱(SIMS)
一、概述
•二 次 离 子 质 谱 是 表 征 固 体材料表面组分和杂质的 离子束分析技术。
•利 用 质 谱 法 分 析 由 一 定 能量的一次离子轰击在样 品靶上溅射产生的正、负 二次离子。
工作原理： 一定能量的离子轰击固体表面引起表面原子、
离子探针
离子探针即离子微探针质量分析器，有时也称扫描 离子显微镜(SIM)。它是通过离子束在样品表面上扫描 而实现离子质谱成像的。初级离子束斑直径最小可达12m，甚至更低。初级离子束的最大能量一般为20keV， 初级束流密度为mA/cm2量级。
离子显微镜
离子显微镜(IM)即直接成像质量分析器 (Direct Imaging Mass Analyzer—DIMA)也就是成像质谱计 (Imaging Mass Spectrometer—IMS)，它是利用较 大的离子束径打到样品表面上，从被轰击区域发射的 二次离子进行质量分离和能量过滤，在保证空间关系 不变的情况下，在荧光屏上以一定的质量分辨本领分 别得到各种成分离子在一定能量范围内的分布图像。
（2）动态SIMS
痕量元素的体分析
为了提高分析灵敏度，采用很高的溅射率，即用大束流、 较高能量(数keV—20keV)的一次束，靠快速剥蚀不断地对新 鲜表面进行分析，测到的是体内的成分。
成分-深度剖析
选取二次离子质谱上的一个或几个峰，在较高的溅射速 率下，连续记录其强度随时间的变化，得到近表面层的成 分—深度剖图。
溅射粒子能量分布曲线
SIMS 基体效应
17种元素的二次离子产额
金属
清洁表面 覆氧表面
金属
清洁表面 覆氧表面
二次离子质谱 测试
二次离子质谱测试
二次离子质谱（SIMS）测试是一种重要的材料分析方法。
这种技术具有极高的灵敏度和精度，可以用于探测样品中各种元素的浓度，以及这些元素在材料表面的分布。
在二次离子质谱测试中，高能离子束被用来轰击样品表面，然后分析从样品中释放出的二次离子的质谱。
通过这种方式，可以获得关于样品成分的详细信息。
二次离子质谱测试的主要优点包括：
1. 高灵敏度：能够检测出样品中痕量元素的浓度，甚至可以检测到单个原子。
2. 高分辨率：可以在微米尺度上探测元素的分布，这对于研究表面和界面现象非常有用。
3. 动态范围广：可以同时探测从痕量到大量元素的浓度范围。
4. 无损分析：样品在测试过程中不会被破坏或改变。
然而，二次离子质谱测试也有一些局限性：
1. 需要制备样品：由于测试过程中涉及高能离子束的轰击，因此需要对样品进行特殊处理和制备。
2. 测试成本高：需要使用高能离子源和高真空系统，因此测试成本较高。
3. 需要专业操作：需要专业人员操作和维护测试系统。
尽管有这些局限性，二次离子质谱测试在材料科学、化学、生物学等领域仍然是一种非常重要的分析方法。
它可以用于研究表面和界面现象、催化剂和吸附剂的性质、生物材料的组成和分布等方面。
动态二次离子质谱
动态二次离子质谱
动态二次离子质谱（Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry，DSI-MS）是一种质谱分析技术，它利用离子化源将样品分子离子化，然后将离子束加速并经过一个离子陷阱，使得离子束中的离子在陷阱中发生相互作用，如碰撞、复合等，从而产生二次离子。
这些二次离子被检测器捕获并转化为数字信号，通过对这些信号的分析，可以确定样品分子的结构和组成。
DSI-MS技术具有高分辨率和高灵敏度的优点，可以用于分析各种化合物，包括有机化合物、无机化合物和生物分子等。
此外，该技术还可以用于定量分析，因为它可以通过对离子束中离子的数量和强度的分析来确定样品分子的浓度。
DSI-MS技术在药物研发、环境监测、食品安全等领域得到了广泛应用。
例如，它可以用于分析食品中的添加剂、污染物和微生物等，也可以用于分析药物中的杂质和活性成分等。
二次离子质谱
二次离子质谱
二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry ，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,这些带电粒子经过质量分析器后就可以得到关于样品表面信息的图谱。
[1]
在传统的SIMS实验中，高能一次离子束，如Ga, Cs, 或Ar离子在超真空条件下聚焦于固体样品表面（如左图所示）。
一次离子束与样品相互作用，材料表面溅射和解吸出二次离子。
这些二次离子随后被提取到质量分析器中，从而呈现具有分析表面特征的质谱图，同时产生元素、同位素及分子的信息，其灵敏度范围可达ppm至ppb量级。
在该领域中，有三种基础类型的SIMS仪器最为常用，每一种质谱使用不同的质量分析器。
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具体应用
1、元素及同位素分析 2、质谱分析与深度剖析 3、颗粒物微分析研究 4、团簇、聚合物分析 5、生物医学研究
应用实例 陨石矿物微量元素研究
通过测量微量元素二次离 子与参照主元素二次离子 的信号比,然后根据标准物 的有关二次离子产率系数, 可计算出待分析矿物的微 量元素组成。
2、基本原理
原理流程图
离子源发射 带电离子 加速 聚焦 轰击样 品表面 携带样品 信息的分析
探测器 记录
进入 质谱仪
引入电 场加速
质谱原理
144 MV Rm = H e
M：离子质量 e：离子电荷 V：加速电压 H：磁场强度 Rm：正离子 轨迹半径
基体效应
在成分复杂的各种样品中,同一种离子的产额 可能变化很大,因为它们受基体效应的影响。 所谓基体效应,是指样品中某种物质的存在,影 响另一些物质离子的产额大小。
缺点：
（1）亦受质量因素干扰； （2）离子产率受基质影响（基体效应）； （3）需要各种标准品来作定量分析； （4）属破坏性分析技术等。
5、应用
二次离子质谱仪的应用很广，侦测表面污染、 氧化、还原、吸附、腐蚀、触媒效应、表面处 理等动态分析之表面研究工作，尤其可作微量 元素分布 的测定。 从 20世纪60年代第一台商用二次离子质谱设 备诞生至今，这项分析技术被广泛地应用于微 电子、 半导体、材料学、地质学 、生物、医 学 、天体物理等各个 领域，随着探测方法的 改进 ，二次离子质谱技术不断 得到发展。
真空
二次离子质谱主要以离子为工作物质，所以需 要真空系统抽真空，让离子在真空中运行
3、分析仪器
二次离子质谱仪
基本构造
（1）照射激发用的一次离子束的离子枪； （2）二次离子能量过滤器； （3）进行质量选择的质谱仪； （4）放大、检测经质量选择后的二次离子检 测输出信号装置。
组成
（1） 离子源 （2） 一次离子电镜 （3） 样品室 （4） 二次离子电镜 （5） 能谱仪、质谱仪 （6） 二次离子探测器
一次离子光学系统
单聚焦
双聚焦
质谱仪结构图
4、检测方法的优缺点
优点：
（1）侦测极限可达 ppm（10-6），甚至达到 ppb（10-9）等级； （2）周期表上所有元素均可侦测； （3）可以区分同位素； （4）可分析不导电试片。
研究碳纳米管吸氢能力
质谱图
6、新进展
根据不同的分析要求选择不同类型及能量的离 子作为一次束，也可采用中性原子、光子、及 等离子体等作为一次束； 当前一次离子的能量范围以达到从几百eV到 MeV；
具有独特性能的飞行时间二次离子质谱 （TOF-SIMS） 目前已发展出溅射中性粒子的后电离来克服基 体效应；
材料现代分析方法 ----二次离子质谱（SIMS）
郭腾达 赵衍庆 彭小军
主讲人：赵熠朋
目录
1、发展简介 2、基本原理 3、分析仪器 4、检测方法的优缺点 5、应用实例 6、SIMS的新进展
1、发展简介
1931年，Woodcock得到NaF和CaF2的负离子 质谱图 Herzog和Viehbock为第一台二次离子质谱 （SIMS）仪器的诞生奠定了基础 20世纪70年代， Benninghoven等，静态二次 SIMS形成了两 离子质谱，有机样品表面分析 个发展方向： Wittmaack等，动态二次离 子质谱，无机样品的分析