二次离子质谱(SIMS) 分析技术及应用进展

收稿日期:2003207207;修回日期:2003209217

作者简介:周强(1973～),男(汉族),黑龙江尚志市人,工程师,仪器分析专业。E 2m ail :zq @cum tb .edu .cn

第25卷第2期

2004年5月

质谱学报

Jou rnal of Ch inese M ass Spectrom etry Society

V o l .25　N o .2M ay 2004

二次离子质谱(SI M S )分析技术及应用进展

周　强1,李金英2,梁汉东1,伍昌平2

(1.煤炭资源教育部重点实验室(中国矿业大学),北京　100083;

2.中国原子能科学研究院,北京102413

)

[作者简介]:周强,1993年毕业于吉林大

学,现为中国原子能科学研究院在读硕士(仪器分析专业),就职于中国矿业大学煤

炭资源教育部重点实验室。多年来从事

TO F 2S I M S 、X 射线衍射仪等分析仪器的开发和应用工作,并承担一定的教学、科研和实验室管理任务。先后参加4项国家自然基金科研项目和3项省部级科研基金项目,独自或合作发表十余篇论文,曾作为主要参加者获得两项校级科技进步 教学奖。

摘要:二次离子质谱(S I M S )比其他表面微区分析方法更灵敏。由于应用了中性原子、液态金属离子、多原子离子和激光一次束,后电离技术,离子反射型飞行时间质量分析器,离子延迟探测技术和计算机图像处理技术等,使得新型的S I M S 的一次束能量提高到M eV ,束斑至亚Λm ,质量分辨率达到15000,横向和纵向分辨率小于0.5Λm 和5nm ,探测限为ng g ,能给出二维和三维图像信息。S I M S 能用于矿物、核物质、陨石和宇宙物质的半定量元素含量和同位素丰度测定,能鉴定出高挥发性、热不稳定性的生物大分子,能进行横向和纵向剖析,能进行单颗粒物、团蔟、聚合物、微电子晶体、生物芯

片、生物细胞同位素标记和单核苷酸多肽性分型(SN P )测定,能观测出含有2000碱基对的脱氧核糖核酸(DNA )的准分子离子峰。以S I M S 在同位素、

颗粒物、大分子、生物等研究领域的应用为重点,结合实例,对S I M S 仪器和技术进展进行了综述。

关键词:质谱学;二次离子质谱技术进展;综述;剖析;应用

中图分类号:O 657163;O 56214 文献标识码:A 文章编号:

100422997(2004)022113208

Recen t D evelopm en ts on Secondary Ion M a ss Spectrom etry

ZHOU Q iang 1,L I J in 2ying 2,L I AN G H an 2dong 1,W U Chang 2p ing

2

(1.K ey L abora tory of Coa l R esou rces (Ch ina U n iversity of M in ing &T echnology ),

M in istry of E d uca tion ,B eij ing 100083,Ch ina ;

2.Ch ina Institu te of A to m ic E nergy ,B eij ing 102413,Ch ina )

Abstract :Secondary i on m ass sp ectrom etry (S I M S )is m o re sen sitive than o ther su rface m i 2cro regi on analysis in strum en tals .B ecau se the neu tral atom ,liqu id m etal i on and laser p ri 2m ary beam ,the po st i on izati on ,the ti m e of fligh t analyzer w ith retarding electrode ,the i on delay detecti on and the com p u tarizing i m age techn ique have been u sed in S I M S ,it has the

fo llow ing featu re p aram eters:the energy and spo t of p ri m ary beam is up to M eV and dow n to lessΛm,the m ass reso lu ti on is up to15000,the lateral and dep th reso lu ti on com e to less 0.5Λm and5nm,the detecti on li m it is dow n to ng g,and the o ther fearu re is to giving tw o o r th ree di m en si onal i m age.S I M S can be u sed to detect the half quatitative elem en t concen2 trati on and iso top e abundance in the m ineral,nucleom atter,m eteo rite and co s m om atter,to iden tify the h igh vo latile and therm al in stab le b i om acrom o lecu le,to analyze the lateral and dep th p rofile to giving i on i m age info rm ati on.T he app licab le regi on of S I M S has been ex2 tended to m easu ring of the single p articu late m atter,clu ster,po lym er,m icroelectron ic crystal p iece,iso top e label com pound in the b i o logical cell,m icroch i p,single nucleo tide po lym o rp h is m s(SN P)geno typ ing,ect,.T he quasi m o lecu lar i on p eak of deoxyribonucleic acid(DNA)con tained tw en ty hundred base p airs w as ob served by M ALD I2TO FM S.T he m ain ach ievem en ts are summ arized and several key app licati on s are illu strated in great de2 tail.

Key words:m ass sp ectrom etry;developm en t on secondary i on m ass sp ectrom etry(S I M S); review;p rofile;app licati on

1　二次离子质谱学发展简史

二次离子质谱学(Secondary i on m ass sp ec2 tro scop y,S I M S)的发展历史[1～3]可追溯至1910年,J.J.T hom son和D avisson,Germ an在研究电子的波粒二象性时,在金属盘的电子管中发现了离子效应。1931年,W oodcock在近似整数质量分辨率下得到了关于N aF和CaF2的负离子谱图,这是目前世界上已知的第一张二次离子质谱图。H erzog和V iehbock为第一台S I M S仪器的诞生奠定了基础[1～4]。20世纪70年代,S I M S 形成了两个发展方向:B enn inghoven及其合作者采用大束斑、低密度的离子束,即静态二次离子质谱(Static secondary i on m ass sp ectrom e2 try,SS I M S),进行有机样品的表面分析; W ittm aack和M agee等采用高密度的一次束,即动态二次离子质谱(D ynam ic secondary i on m ass sp ectrom etry,D S I M S),获取无机样品沿纵向方向的浓度剖面和进行痕量杂质鉴定。1977年在德国召开了第一届国际S I M S学会议。

自19世纪60年代末第一台商用S I M S诞生以来,S I M S越来越多地应用于各个领域。S I M S法在近二、三十年来得到迅速发展,其检测灵敏度达到10-6～10-9g g。分析对象包括金属、半导体、多层膜、有机物以至生物膜,应用范围包括化学、物理学和生物学等基础研究,并很快扩展到微电子、冶金、陶瓷、地球和空间科学、医学和生物工程等实用领域[5～8]。2　SI M S的原理和仪器结构

211　原理

S I M S的基本原理示于图1[1,3]:(1)利用聚焦的一次离子束在样品上稳定地进行轰击,一次离子可能受到样品表面的背散射(概率很小),也可能穿透固体样品表面的一些原子层深入到一定深度,在穿透过程中发生一系列弹性和非弹性碰撞。一次离子将其部分能量传递给晶格原子,这些原子中有一部分向表面运动,并把能量的一部分传递给表面粒子使之发射,这种过程称为粒子溅射。在一次离子束轰击样品时,还有可能发生另外一些物理和化学过程:一次离子进入晶格,引起晶格崎变;在具有吸附层覆盖的表面上引起化学反应等等。溅射粒子大部分为中性原子和分子,小部分为带正、负电荷的原子、分子和分子碎片;(2)电离的二次粒子(溅射的原子、分子和原子团等)按质荷比实现质谱分离;(3)收集经过质谱分离的二次离子,可以得知样品表面和本体的元素组成和分布。在分析过程中,质量分析器不但可以提供对应于每一时刻的新鲜表面的多元素分析数据,而且还可以提供表面某一元素分布的二次离子图像。

S I M S的一次离子源分为气体放电源(O2+、O-、N2+、A r+)、表面电离源(C s+、R b+)和液态金属场离子发射源(Ga+、In+)等。

212　质量分析器

质量分析器[1,3]可采用单聚焦、双聚焦、飞行时间、四极杆、离子阱、离子回旋共振等。

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