二次离子质谱分析

飞行时间二次离子质谱tof数据处理

飞行时间二次离子质谱（TOF）是一种常用的质谱分析方法，它通过测量离子在电场中的飞行时间来确定离子的质量。TOF数据处理是将测量得到的飞行时间数据转换为质量谱，进而分析离子的质量和相对丰度。

TOF数据处理的主要步骤包括数据采集、飞行时间校准、谱峰提取和质量校准。

首先，需要进行数据采集。在TOF仪器中，离子经过加速器加速后进入离子漂移区，在这个区域内，离子根据质量-电荷比（m/z）的大小以不同的速度飞行。当离子到达离子探测器时，探测器会记录离子的到达时间。

接下来，需要进行飞行时间校准。由于TOF仪器中存在一定的测量误差，引起离子飞行时间的波动。因此，需要通过一些标准样品来进行飞行时间校准。校准样品的质量已知，通过测量其到达时间可以建立一个飞行时间和质量之间的关系。

然后，进行谱峰提取。在TOF数据中，谱峰表示具有相同m/z的离子的集中信号。谱峰提取是将原始数据中的谱峰区域提取出来，并计算每个峰的面积。

最后，进行质量校准。通过已知质量的标准样品，可以建立一个质量和m/z之间的关系。根据这个关系，可以将谱峰的质量由m/z转换为实际质量。

综上所述，飞行时间二次离子质谱TOF数据处理包括数据采集、飞行时间校准、谱峰提取和质量校准等步骤。这些步骤可以将测量得到的飞行时间数据转换为质量谱，从而进行离子的质量分析。

二次离子质谱法（SIMS）

扎卡里·沃拉斯（Zachary Voras）

1.分类

二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry，SIMS）是一种灵敏的表面分析质谱技术，可对样品进行光谱分析、成像或深度剖面分析。这是一种侵入式技术，不能进行原位检测。

2.说明

SIMS是一种超高真空（ultra-high vacuum，UHV）表面分析技术，可以观察样品表面的原子和分子种类。该技术用离子源发出一次离子束，聚焦并加速轰击样品，样品受碰撞脱落的二次离子直接进入质量分析仪（通常为飞行时间质量分析仪）（Vickerman，2009）。这种碰撞级联会将一次离子的势能转化为脱落的二次离子碎片的动能。质量碎片的大小则与脱落部位和初始碰撞位置的远近有关。

要获得最佳信号速率和质量分辨率，必须对一次离子和二次离子进行高水平控制，而一次离子源到分析仪之间的路程超过1 m，因此仪器应保持超高真空条件，才能将平均自由程碰撞控制在最低限度。图1为SIMS表面分析概述。在一次离子束入射能量和种类设置最优的情况下，可最大限度地提高单一碰撞事件的二次离子产额。通过观察原子离子或分子离子都可以表征样品的表面材料，但使用下文所述的团簇离子源则可能减少残余对材料的损伤。

图1 SIMS表面分析概述

为获得较高的质量分辨率，二次离子质谱仪通常采用飞行时间（time-of-flight，TOF）质量分析器，因为TOF可匹配脉冲式一次离子束。TOF质量分析器的作用是让进入的离子先通过漂移管加速，再撞击探测装置（通常为微通道板）（Tang等，1988）。为确保获得最佳质量分辨率，一次离子束的脉冲必须和质量分析仪的提取／加速阶段完全同步（Niehuis等，1987）。要进一步提高质量分辨率，离子束的脉冲宽度就必须尽可能窄（＜1ns）（Eccles和Vickerman，1989）。与其他质量分析器（如四极杆分析器和扇形磁场分析器）相比，TOF质量分析器有着最高的传输率和灵敏度，可满足静态SIMS分析对数据速率的要求（Vickerman，2009）。 目前，这一代SIMS仪器使用的是“团簇”一次离子源，团簇通常表示为，M代表离子种类，n表示每个团簇的原子数，z代表团簇的电荷（Wucher，2006;Seah和Gilmore，2011）。这项新技术结合了现代的飞行时间电子学和脉冲技术，被称为分子SIMS，因为它可以用损伤最小的断面取样来分析完整的分子种类。就是一种常用的液态金属团簇离子，由3个铋原子加载单个电荷组成。团簇离子源的开发为聚合物与生物表面等“软”材料的分析提供了条件（Wucher，2006）。总的来说，与传统的单原子束相比，团簇一次离子源的eV/atom数更低，它与样品产生的碰撞可向上表面传递更多的能量，也就可以获得更高的解吸速率和更大的完整二次离子。SIMS可用的团簇一次离子有很多种，既有液态金属多原子离子，也有大型气体团簇AR+500~2000，每种源在溅射产额和空间分辨率方面都有各自的优点和缺点（Wucher，2006; Seah和Gilmore，2011）。目前最常用的一次离子束源是液态金属离子枪（liquid metal ion guns，LMIG）。在各种束流中，目前在溅射产率、空间分辨率和高质量解吸方面综合性能最高的是铋团簇，因此它也是当前这一代SIMS仪器首选的一次离子束。SIMS兼备深度剖面实验能力、成像能力，还能提供高分辨率质量信息，已成为分析表面信息、界面信息和体块信息的一种强大分析技术。

第４１卷第２期　２００２年４月　复旦学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｕｄａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　ＶｏＩ．４１　Ｎｏ．２　

Ａｐｔ．２００２　

文章编号：０４２７　７１０４（２００２）０２　０１４０　０５　

多层膜样品的背散　／沟道、溅射剥层／背散射　

和二次离子质谱分析　

赵国庆　，姜　蕾　，宋玲根　，杨　宇。，孙耀德　，周筑颖　

（１复旦大学现代物理研究所应用离子柬物理实验室，上海２００４３３；　２复旦大学材料科学系国家微分析中心，上海２００４３３；　３云南大学物理系，昆明６５００９１）　

摘要：用背散射／淘道、溅射剥层／背散射和二次离子质谱方法分析了分子束外延生长的Ｓｉ／Ｇ％Ｓｉ１一　多层膜　由２　Ｍｅｖ　Ｈｅ一离子背散射／Ｎ遭分析，确定了外延生长薄膜的厚度、组分和晶格结构的完美性；用低能Ａｒ　离子　溅射剥层．减薄样品外延层厚度后．再做背散射分析．可获得有关较探层薄膜与基体界面和溅射剥层的信息；二　

次离子质谱分析清晰地显示出溅射剥层前后样品的交替层周期性结构　

关键词：离子柬分析；Ｇｏ／Ｓ１多层膜；背散射和沟遭；溅射　■扶离子质谱　中圈分类号：０　４８４　５　文献标识码：Ａ　

离子束分析（ＩＢＡ）是研究异质结构和超晶格等多层膜样品的有效方法之一　．综合应用多种离子　

束分析技术，能得到有关膜层厚度、组分比、层结构周期性、晶格完美性等重要信息　本文采用背散射／淘　

道（ＲＢＳ／Ｃｈａｎｎｅｔｉｎｇ）、溅射剥层／背散射（Ｓｐｕｒｔｅｒｉｎｇ／ＲＢＳ）和二次离子质谱（ＳＩＭＳ）方法，分析分子束外延　

生长的２０个交替层周期的Ｓｉ／Ｇｅ　Ｓｉ【　样品　

１　实验方法　

Ｓｉ／Ｇｅ　Ｓｉ１　多层膜样品是在我校表面实验室的分子束外延系统（Ｒｉｂｅｒ公司制造的Ｓｉ　ＭＢＥ）上制备　

的　．在抛光的Ｓｉ（１００）基体上先生长３２０　ｒｉｍ　Ｓｉ缓冲层，然后在７００～７５０℃温度下交替生长Ｇｅ　Ｓｉ＿一　台　

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 in Fingerprint 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．Public Security 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”。案件中的指纹认定主要依靠指纹的乳突纹线形态及细节特征进行判断，包括指纹库自动检索及专家鉴定等方式。但随着视频侦查和DNA技术的不断发展，指纹“证据之首”的地位逐渐被削弱，单独依靠指纹比对鉴定很难实现犯罪信息的全方位、多维度分析。目前我国对指纹鉴定的认定同一没有具体的量化标准，实际案件中侦查人员需最大可能增强指纹的显现效果，以挖掘更多的指纹特征信息（图1）作为鉴定依据。现阶段传统的指纹显现方法在全国各地公安机关已基本普及，但一些特殊条件（如掩埋、浸泡、长期遗留）或疑难客体（如纸张、纺织物）上指纹的显现问题仍无法解决，对指纹特征的提取不充分。此外，当现场指纹模糊、形态学价值较低时，如何深入挖掘指纹中潜在的证据价值逐渐成为法庭科学领域关注的热点问题［2］。因此，近年来的研究多聚焦于利用现代仪器分析技术尽可能多地获取残缺指纹中的物质信息，进而分析指纹遗留时间、刻画遗留人的人身特点［3-6］；以及利用具有更强空间分辨能力的光