ICP SIMS FAB 质谱离子源 离子化机理、特点及应用

– 样品在高温中心通道中进行蒸发、 解离、原子化、电离等过程
–扫描质量范围从2到260 amu (Li to U...)
• 通过高速顺序扫描分离 测定所有元素
–通过高速双通道模式检测
+
器对四极杆分离后的离子进 行检测
• 浓度线性动态范围达9 个数量级，从ppt到ppm 直接测定
• 可获得元素同位素信息
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。
ICP MS干扰
1，多原子干扰； 2，同位素干扰； 3，难溶氧化物干扰； 4，双电荷离子干扰。
如何保证较高的电离效率及较低的氧化物水平
如何保证较高的电离效率及较低的氧化物水平
如何保证较高的电离效率及较低的：碰撞/反应池技术
ICP-MS进一步消除干扰的方法：碰撞/反应池技术
第四章 质谱离子源 离子化机理、特点及应用
ICP SIMS FAB
ICP-MS 简介：元素质谱仪
•ICP - Inductively Coupled Plasma • MS - Mass Spectrometer, 质谱
电感耦合等离子体
–四极杆快速扫描质谱仪
– 作为质谱的高温离子源
• 和台式 GC-MS相类似
电感耦合等离子体的形成
ICP离子源原理图
Ar 等离子体中各元素的电离特性
提高电离效率：电离能
样品电离能越高，越不容易被电离。
提高电离效率：等离子体温度
提高电离效率：等离子体能量
ICP离子源中的物质
1) 已电离的待测元素：As+, Pb +, Hg +, Cd +, Cu +, Zn +, Fe +, Ca +, K +, •••••• 2） 主体：Ar原子(>99.99％) 3） 未电离的样品基体：Cl, NaCl(H2O) n, SOn, POn, CaO, Ca(OH)n, FeO, Fe(OH) n,•••••• 这些成分会沉积在采样锥、截取锥、第一级提透镜、第二级提取透镜、Ω 偏转透镜（以上部件在真空腔外） 、ORS、预四极杆、四极杆、检测器上 （按先后顺序依次减少），是实际样品分析时使仪器不稳定的主要因素， 也是仪器污染的主要因素； 4） 已电离的样品基体：ArO+, Ar +, ArH+, ArC +, ArCl +, ArAr +,（Ar基分子 离子）CaO+, CaOH +, SOn +, POn +, NOH +, ClO + ••••••（ 样品基体产生）， 这些成分因为分子量与待测元素如Fe, Ca, K, Cr, As, Se, P, V, Zn, Cu等的原子 量相同，是测定这些元素的主要干扰。
第四章 质谱离子源 离子化机理、特点及应用
ICP SIMS FAB
二次离子质谱分析
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。
溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与 入射离子能量、入射角度、原子序数均有一定 的关系，并与靶材晶格取向有关。
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
ICP-MS的基本构造
RF系统
离子源 ICP
• 真空系统
接口
质量分离器
检测器
进样系统
控制系统
ICP-MS的基本构造
液体样品引入系统：雾化器
典型的雾化室– 双通路斯科特型
固体样品引入系统：烧蚀技术
电感耦合等离子体的形成
ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体（ICP），其主体是一 个由三层石英套管组成的炬管，炬管上端绕有负载线圈，三 层管从里到外分别通载气，辅助气和冷却气，负载线圈由高 频电源耦合供电，产生垂直于线圈平面的磁场。如果通过高 频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与 其它氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。强大的 电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000k的等离子焰 炬。样品由载气带入等离子体焰炬会发生蒸发、分解、激发 和电离，辅助气用来维持等离子体，需要量大约为1 L/min。 冷却气以切线方向引入外管，产生螺旋形气流，使负载线圈 处外管的内壁得到冷却，冷却气流量为10-15 L/min。
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。
ICP-MS进一步消除干扰的方法：碰撞/反应池技术
ICP-MS进一步消除干扰的方法：碰撞/反应池技术
ICP-MS进一步消除干扰的方法：碰撞/反应池技术
ICP-MS进一步消除干扰的方法：碰撞/反应池技术
视频：/products/icpms.htm
离子枪一般分为双等离子体离子源、金属表面直接 加热离子源和液态金属离子源。 双等离子体离子源提供O2+、O-、Ar+和Xe+。亮度高，束 斑可达1-2m，可用于离子探针和成像分析。 金属表面直接加热离子源提供Cs+。级联碰撞效应小， 纵向分析时深度分辨率高。 液态金属离子源提供Ga+。束斑可聚焦很小，20-200nm， 空间分辨率高。