飞行时间二次离子质谱

飞行时间二次离子质谱法
飞行时间二次离子质谱法（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS）是一种获得样品表面化学组成和结构信息的表面分析技术。

原理：
TOF-SIMS利用离子轰击样品表面产生次级离子，并测量这些次级离子的质荷比。

该技术使用高能的离子束轰击样品表面，导致样品表面原子和分子发生碰撞和电离。

由于样品中不同种类的化合物具有不同的质荷比，次级离子的质荷比可用来确定化合物的组成。

次级离子通过静电加速器加速，然后进入飞行时间荷质比谱仪进行质谱分析。

应用：
TOF-SIMS广泛应用于表面化学分析领域。

它可以用于研究样品的化学成分、分子结构和表面形貌等信息。

TOF-SIMS可用于解析无机和有机化合物，包括高分子材料、生物材料、涂层材料、颗粒和薄膜等。

该技术还可用于研究特定样品的元素分布、表面改性、腐蚀和附着等问题。

优势：
TOF-SIMS具有高灵敏度、高分辨率和高速度的优点。

它可以提供非破坏性的表面分析，无需特殊的样品准备，可以进行三维成像分析。

此外，TOF-SIMS还能够进行表面化学映射，以及对离子轰击过程进行实时监测和控制。

限制：
TOF-SIMS仍然存在一些限制。

由于离子轰击会引起样品表面的破坏和溅射，因此可能会造成分析结果的偏差。

另外，TOF-SIMS对于分析含有高盐度、水分或易挥发的样品具有一定的挑战性。

此外，TOF-SIMS的设备和操作成本较高，还需要专业的技术人员进行操作和数据解释。

第43 卷第 2 期2024 年2 月Vol.43 No.2338~350分析测试学报FENXI CESHI XUEBAO（Journal of Instrumental Analysis）飞行时间二次离子质谱在指纹分析中的研究进展满瀚泽1，陈诺1，孙佳磊2，秦歌1，赵雅彬1，3*（1．中国人民公安大学侦查学院，北京100038；2．北京市公安局西城分局刑事侦查支队，北京100055；3．中国人民公安大学公共安全行为科学实验室，北京100038）摘要：指纹作为接触类犯罪案件现场最常见的痕迹之一，基于其形态学价值及承载的物质进行分析是个体识别、侦查破案的重要手段。

飞行时间二次离子质谱技术（TOF-SIMS）是一种兼具高质量分辨率和高空间分辨能力的表面分析技术，能够同时获得待测物质的质谱信息和成像分布。

相较于其他理化分析技术，TOF-SIMS所具备的快速检验、无需前处理、原位近无损分析等优势使其逐渐成为指纹分析领域的前沿课题。

该文基于TOF-SIMS在成像增强、物质分析、犯罪信息挖掘等指纹分析领域的研究现状展开综述，分析其在公安实战中的应用前景，以期为该技术在指纹检验领域的推广奠定基础。

关键词：飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）；质谱成像；指纹；应用研究中图分类号：O657.6；P632.8文献标识码：A 文章编号：1004-4957（2024）02-0338-13Application of Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry inFingerprint AnalysisMAN Han-ze1，CHEN Nuo1，SUN Jia-lei2，QIN Ge1，ZHAO Ya-bin 1，3*（1．Academy of Forensic Science，People’s Public Security University of China，Beijing　100038，China；2．Criminal Detachment of West Branch of Beijing Public Security Bureau，Beijing　100055，China；3．PublicSecurity Behavioral Science Laboratory，People’s Public Security University of China，Beijing　100038，China）Abstract：Fingerprints are one of the most prevalent forms of evidence at the scene of contact-based crimes.By analyzing their morphological characteristics and the substances they contain，finger⁃prints facilitate individual identification and the resolution of criminal cases. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry（TOF-SIMS） is a surface analysis technique that combines high quality resolu⁃tion and high spatial resolution to simultaneously obtain mass spectra information and imaging distri⁃bution of the substance to be measured. Compared with other physicochemical analysis techniques，TOF-SIMS is becoming a frontier topic in fingerprint analysis due to its ability of rapid inspection，no pretreatment，and in situ near-nondestructive.We review the current research status of TOF-SIMS in the field of fingerprint analysis（specifically focusing on imaging enhancement，material anal⁃ysis，and criminal information mining） and analyze its application prospect in investigating crime，in order to promote the spread of this technology in the domain of fingerprint examination.Key words：TOF-SIMS；mass spectrometry imaging；fingerprint；application research指纹，具有人各不同、终身基本不变的特点［1］，被侦查人员誉为“证据之首”。

二次离子质谱(SIMS)基本原理及其应用*********************************************摘要：二次离子质谱( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一种固体原位微区分析技术，具有高分辨率、高精度、高灵敏等特征，广泛应用于地球化学、天体化学、半导体工业、生物等研究中。

本文主要阐明了SIMS 技术的原理、仪器类型，简要介绍了其主要应用，分析了其特点。

关键词：二次离子质谱；同位素分析；表面分析；深度剖析二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。

检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。

被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。

1.SIMS分析技术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[1,2]。

图1[2]是二次离子质谱工作原理图。

图1 二次离子质谱工作原理图离子探针实际上就是固体质谱仪，它由两部分组成：主离子源和二次离子质+、Cs+、Ga+……从离子源引出的谱分析仪。

常见的主离子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2带电离子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面。

高能离子进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞。

这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应。

经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射。

时间飞行二次离子质谱1. 原理：TOF-SIMS利用离子束轰击样品表面，使表面分子或原子脱离样品并形成次级离子。

这些次级离子经过加速后进入飞行时间质谱仪，通过测量离子的飞行时间和质量，可以获得样品表面的成分和结构信息。

2. 优点：TOF-SIMS具有以下优点：高灵敏度，TOF-SIMS可以检测到极低浓度的物质，甚至可以达到亚微克/立方厘米的级别。

高空间分辨率，TOF-SIMS的空间分辨率可以达到纳米级别，可以对样品表面进行高分辨率成分分析。

多元素分析，TOF-SIMS可以同时分析多种元素，可以提供样品表面的元素组成信息。

分子成像，TOF-SIMS可以进行分子成像，可以在样品表面上绘制出不同成分的空间分布图像。

3. 应用领域：TOF-SIMS在许多领域都有广泛的应用，包括：材料科学，TOF-SIMS可以用于材料的表面成分分析、界面分析、材料失效分析等。

生物医学，TOF-SIMS可以用于生物样品的成分分析、细胞成分分析、药物代谢研究等。

环境科学，TOF-SIMS可以用于大气颗粒物的成分分析、地球化学研究等。

纳米科学，TOF-SIMS可以用于纳米材料的成分分析、纳米结构表征等。

4. 实验流程：TOF-SIMS实验通常包括以下步骤：样品准备，样品需要经过特殊处理，如冷冻切片、表面清洗等，以保证实验的准确性和可重复性。

离子轰击，使用离子束轰击样品表面，使样品表面的分子或原子脱离并形成次级离子。

飞行时间质谱，次级离子经过加速后进入飞行时间质谱仪，通过测量离子的飞行时间和质量，获得样品表面的成分和结构信息。

数据分析，对实验得到的数据进行处理和分析，以获得样品的详细信息。

综上所述，时间飞行二次离子质谱是一种用于表面分析的技术，具有高灵敏度、高空间分辨率、多元素分析和分子成像等优点，在材料科学、生物医学、环境科学和纳米科学等领域有广泛的应用。

实验流程包括样品准备、离子轰击、飞行时间质谱和数据分析。

这种技术为研究材料的表面成分和结构提供了重要手段。

摘要TOF-SIMS数据采集系统的研制飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)结合了二次离子质谱（SIMS）和飞行时间质量分析器（TOF）的技术特点，是一种无需对样品进行化学处理、对样品近乎无损、分析速度快、质量范围宽、质量分辨率好的表面分析技术。

目前TOF-SIMS仪器已广泛应用于生命科学、材料科学、地质学和宇宙科学等领域。

数据采集系统是TOF-SIMS仪器的重要组成部分，获取TOF-SIMS 离子检测器输出信号时间信息并形成TOF-SIMS质谱图，完成样品质谱分析。

根据“同位素地质学专用TOF-SIMS科学仪器”项目对数据采集系统的需求，结合TOF-SIMS仪器特点及离子检测器的信号特征，完成了TOF-SIMS数据采集系统的总体方案设计，并确定了时间测量范围大于340微秒、时间分辨率小于60纳秒、与上位机实际数据传输速度大于200 兆字节每秒等性能指标。

TOF-SIMS数据采集系统采用时间数字转换技术，硬件部分主要由定时甄别与电平转换模块、时间数字转换模块以及PCIE接口模块构成，通过基于FPGA 的控制器为各模块提供控制时序，数据采集系统通过PCIE接口与上位机PCIE 总线相连。

TOF-SIMS数据采集系统通过定时甄别器获取离子检测器信号的时间信息并输出标准脉冲，利用时间数字转换技术计算出二次离子在飞行时间质量分析器中的飞行时间，通过FPGA控制PCIE接口将离子飞行时间数据传输至上位机。

TOF-SIMS数据采集系统的上位机驱动采用WDM驱动模型，在Matlab环境下进行数据处理，并形成横轴为离子飞行时间、纵轴为各飞行时间的离子计数的TOF-SIMS质谱图，质谱图显示于Matlab GUI界面中。

通过测试TOF-SIMS数据采集系统的时间测量范围、时间分辨率、数据传输速度等系统性能指标，验证系统满足设计要求。

最终将TOF-SIMS数据采集系统应用于同位素地质学专用TOF-SIMS仪器中，通过TOF-SIMS质谱图对锆石样品进行简单的质谱分析。

飞行时间二次离子质谱法飞行时间二次离子质谱法（ToF-SIMS）是一种高分辨表面分析技术，能够提供关于表面成分和化学状态的详细信息。

本文将介绍ToF-SIMS的原理、仪器配置、样品准备和应用领域。

ToF-SIMS的原理是利用离子轰击表面样品，将样品表面的原子和分子从样品中剥离出来，并通过电场加速离子，使离子在磁场中具有不同的质荷比，从而根据离子质荷比和飞行时间来确定分子质量和能量分布。

ToF-SIMS具有高灵敏度、高分辨率和大动态范围等优点。

ToF-SIMS仪器的主要组成部分包括离子源、离子飞行时间通道、离子检测器和数据处理系统。

离子源通常使用金属离子源或分子离子源，通过电子轰击、离子轰击或激光脱附等方式产生离子束。

离子飞行时间通道由加速器、飞行管道和制动器组成，用于控制离子飞行时间并测量飞行时间。

离子检测器通常使用微通道板（MCP）或多道光电倍增器（PMT）进行离子检测。

数据处理系统用于处理和分析离子质谱数据，并生成成像结果。

样品准备是ToF-SIMS分析中的关键步骤。

在准备样品之前，需要对样品进行真空处理，以去除大气中的杂质。

样品通常以固体、液体或气态形式存在。

固体样品通常需要进行切割、抛光和清洗等处理，以获得光滑的表面。

液体样品需要倒在样品台上，然后挥发溶剂以得到固态样品。

气态样品需要通过取样器进行直接气相分析。

ToF-SIMS在许多领域有广泛的应用。

在材料科学领域，ToF-SIMS 被用于表面和界面的分析，例如聚合物薄膜的组分分析和镀层厚度测量。

在生物医学领域，ToF-SIMS可用于研究生物膜的成分和生物分子的分布，例如细胞膜脂质组分分析和药物传递过程的研究。

在环境科学领域，ToF-SIMS可用于分析土壤、空气和水样品中的污染物，例如重金属元素和有机化合物。

总之，ToF-SIMS是一种强大的表面分析技术，可以提供关于表面成分和化学状态的详细信息。

它在材料科学、生物医学和环境科学等领域有广泛的应用前景。

二次离子质谱分析二次离子质谱分析（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种表面分析技术，通过使用离子束轰击样品表面，然后分析从样品表面解离飞出的离子，从而获取样品表面成分和结构信息。

它因其高灵敏度、高空间分辨率和多元素分析能力而被广泛应用于材料科学、生物医学、半导体工业等领域。

二次离子质谱分析的基本原理是通过将刺激源（通常为离子束）引入样品，使样品表面发生化学和物理变化。

随后，离开样品表面的次级离子（Secondary Ion，SI）会被聚焦进入质谱仪，并分析这些次级离子的质量谱图。

通常SIMS可分为静态SIMS和动态SIMS两种模式，其中静态SIMS主要用于表面成分定性分析，动态SIMS则可用于表面成分定量分析。

静态SIMS利用氩离子束降低样品表面分辨率，以减小损伤。

此时，离子束进入样品表面后，分子内部化学键断裂并释放出次级离子。

这些次级离子根据质量谱仪质量通道的大小而被聚焦到不同位置，产生质量谱图。

通过分析质量谱图，可以确定离子的质荷比以及来自不同化合物的离子种类，从而确定样品的表面成分。

动态SIMS则更多地关注于离子中的质量谱，使用更高的峰值离子束密度和更短的离子脉冲宽度，提高分析灵敏度，适用于更细微的表面成分分析。

动态SIMS对表面质谱的分析较为广泛，对脂肪酸、生物分子和光取向材料等领域具有重要的应用。

二次离子质谱分析的应用非常广泛。

在材料科学领域，SIMS可以分析杂质元素的存在和定量、表面微区元素分析等。

在生物医学领域，SIMS可以用于生物分子的定性和定量分析，如蛋白质组学、代谢组学等。

在半导体工业中，SIMS则可用于芯片质量控制、材料研究等。

虽然SIMS具有高空间分辨率和高分析灵敏度等优点，但也存在一些局限性。

首先，由于离子束轰击会引起样品表面的膨胀和溅射现象，因此在分析过程中可能会发生破坏或变形。

其次，SIMS对非导电材料的分析存在困难，因为非导电材料表面通常需要特殊处理，例如金属涂层，以提供导电性。