二次离子质谱

许多产品和生产过程的质量水平都与产品表面有关。然而表面是相对独立的，它的组成可能由于某些特殊元素在表面的聚集、表面改性、等离子表面处理、离子注入或者偶然的污染、附加的防护性、装饰性薄膜等原因而与基体组成有极大的区别。无论什么原因，了解表面的组成是非常重要的，并且由此发展出许多表面分析技术：从*简单的视觉检验到先进的显微镜和微分析手段。其中从20世纪初发展起来的二次离子质谱技术便是一种先进的分析技术，它作为一种**的，不可取代的表面分析技术成为表面分析领域的利器。

二次离子质谱（Secondary Ions Mass Spectrum 简称SIMS）采用质谱技术分析表面原子层以确定表面元素组成和分子结构。它的分析原理非常容易理解：将需要分析的样品放置在真空中，用被称为“一次离子”的高能量离子轰击样品表面，入射离子穿透样品表面并引发表面原子互相撞击，撞击导致表面上的分子和原子脱离表面并离子化，然后这种从表面上脱离的“二次离子”被质谱仪收集并分析，从而得到样品表面的化学组成情况。同时，随着入射离子时间的延长，表面原子层会被逐渐剥蚀，根据分析时间和离子强度建立的坐标，可以得到某种离子随表面深度的变化其浓度变化情况。

尽管早在1910年，二次离子现象就已经被发现，由于二次离子分析有极高的表面灵敏度，能够对表面进行静态分析以及深度剖析而被所有表面分析人员所关注并重视。然而，这种看来应该被迅速推广的分析技术却因为仪器造价昂贵，操作维护费用巨大，对人员实际操作水平要求极高，分析谱图解释困难等诸多因素，造**们对二次离子质谱技术“昂贵、极其专业、必须是专家才能操作并且图谱解释模糊”的印象，限制了二次离子质谱技术的发展。直到今天，全世界只有不超过1000台二次离子质谱仪在使用。

现在，Millbrook公司Mini SIMS的出现改变了这种情况。Millbrook公司是一家有着丰富质谱生产经验的英国公司，它生产的台式二次离子质谱结构紧凑，通过Windows下的软件对仪器进行全自动操作，其质谱峰检测鉴定软件和几百种常用有机物质谱峰数据库可以帮助对图谱进行解释，无须专家进行操作，并且仪器造价和维护费用仅仅需要传统SIMS系统费用的10-15%。

Mini SIMS为用户提供了一些其他表面分析技术所不具备的性能。
1、样品在高真空下得到的样品表层真实信息，在静态分析条件下信息仅来自表面层，而动态分析时信息仅来自几个原子层。
2、可分析质量数范围3-300的全部元素，包括锂、铍、硼等轻质量元素。
3、可对元素同位素进行检测，用于同位素分析或利用同位素提供的信息。
4、SIMS是一种“软电离”手段，通过对碎片离子峰分析，从而确定表面化合物的结构。
5、通过入射离子束的扫描或直接成像，实现微区面分析，具有高空间分辨能力。
6、聚焦入射离子束对表面进行剥离，可以实现对十个成分的跟踪分析，达到三维微区分析的目的。
7、SIMS是一种质谱技术，是检测特定核质比离子的分析技术，它的本底噪音低于电子能谱。可检测正负二次离子，从而具有极高的灵敏度，可以达到10-6甚至更低，是所有表面分析方法中灵敏度*高的一种分析手段，具有很宽的动态范围。

表面改性在不改变基体性质的情况下赋予材料表面一些特殊的性质。离子注入是一种非常重要的表面改性手段，Mini SIMS通过Depth Profile功能同时对10种元素随表面深度其浓度的变化情况进行分析，以检测离子注入效果，从而改进离子注入条件，优化表面功能。生物医学应用中用于替代血管材料的PTFE管子具有优良的机械性能，尽管材料表面亲水性差，仍然可以通过等离子体表面改性克服，但是随着材料在空气中放置时间的延长，其亲水性能减弱。Mini SIMS通过对处理过的材料和暴露在空气一段时间后PTFE表面化学成分的变化，揭示氩等离子体改性的PTFE管子无论在表面改性后或经过放置均较其他气体等离子体处理的材料具有更**的亲水性能。

表面污染会导致黏结剂黏结效果降低，产品性能降低，甚至失效。而通常的表面污染仅仅是几个原子层厚的有机物。比如：铝金属表面的油污染可以使金属涂料脱落或金属黏结剂效果降低，Mini SIMS可以通过离子“指纹”数据库的比较判定污染物的分子结构、组成信息，通过图象分布功能评价污染物的污染范围，通过污染物形状等信息得到污染物可能的产生原因以给出相应的产品表面清洁、储存处理改进方法。而半导体生产线上的快速污染检测、判定和处理也可通过Mini SIMS在很短的时间内得出结论。同样，催化剂表面污染会导致催化剂效能降低甚至催化剂中毒。在某一多步合成反应中钯催化剂的寿命大大低于预期，而硫中毒被怀疑是导致这一结果的原因。通过比较新生成的催化剂和使用后的催化剂的阴阳离子图谱，根据氯35和氯37以及175-180之间的氯化钯谱峰可以断定是氯引起催化剂寿命缩短而非预计的硫。

表面涂层可以大大改变产品的表面性质。表观相同剃须刀片的使用寿命却相差数倍，Mini SIMS对刀片涂层进行比较分析，通过表面比较，特定离子分布图象比较和深层剖析得到结论：刀片均由不锈钢组成，均含有用于润滑效果的氟化物涂层，然而随着深度剖析，寿命长的刀片在边缘刀锋处的氟化物涂层更厚，并且在这些区域有非常薄的一层加强白金涂层。这些结论对于产品生产工艺和生产过程的设计非常重要。

考古样品的处理对于文物保存十分重要，许多出土的古物由于保存措施不利在出土不久就失去了应有的文物价值，Mini SIMS通过对一些古代银制品表面的研究，比较出土文物、长时间裸露的文物、经过不同保护措施处理的文物表面及表面以下一定深度各种元素的含量，得出各种保护措施实际为文物提供的保护效果，为英国博物馆文物保护提供了宝贵的参考意见。

综上所述，Mini SIMS是一台极其稳定、经济实用、维护简单、能够迅速完成分析任务并对图谱进行解释的多功能全自动操作二次离子质谱分析仪器。它为科学研究人员和质量控制人员提供了可靠的表面、界面及表面下一定范围内的元素分析数据，已经为表面涂层、腐蚀与防腐蚀、离子注入表面改性、表面处理、电子器件、生物医学材料、半导体、包装材料、腐蚀磨损研究、润滑剂、催化剂、黏结剂、材料表面改性、考古、文物保护、食品保存、核燃料等多个领域所应用。