表面分析利器：TOF-SIMS飞行时间二次离子质谱仪

莺歌燕舞

TOF-SIMS（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry）是通过用一次离子激发样品表面，打出极其微量的二次离子，根据二次离子因不同的质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量的极高分辨率的测量技术。
TOF-SIMS具有极高分辨率，可以提供表面，薄膜，界面以至于三维样品的元素、分子等结构信息，其特点在二次离子来自表面单个原子层分子层，仅带出表面的化学信息，具有分析区域小、分析深度浅和不破坏样品的特点。



TOF-SIMS 主要成分信息：元素（H-U）、同位素、分析键接等
适用材料：有机和无机材料
信息深度：1-2nm
剖析膜层深度：纳米~微米
成分检出限：~ppm
定量能力：需要标准样品
TOF-SIMS应用领域
一、刑侦



TOF-SIMS在刑侦科学中的应用:指纹残留物的化学成像



TOF-SIMS下人民币上指纹的离子像

由于TOF-SIMS能鉴定物质结构,特别对有机分子的结构鉴定,因此,通过TOF-SIMS成像的方式分析指纹,不仅能获得比传统方式更精细的形貌信息,还能获得指纹上物质化学成分的分布信息。例如利用TOF-SIMS对长期流通过的人民币表面上的指纹进行化学成像分析,利用TOF-SIMS的技术优势,显现传统方法无法显现的潜在指纹;利用其空间分辨率高的优势，获取指纹中三级特征:利用其对物质分子结构，特别是有机分子的鉴定能力,检测指纹中的外源性物质,为此类疑难样品表面的指纹分析提供新的解决思路。

二、生物科学



骨骼肌中脂质的TOF-SIMS成像

三、电池材料



TOF-SIMS深度剖析（3D 成像）：锂电池极片表面SEI层的成分和厚度

TOF-SIMS是一种质量分辨并兼具时空分辨的技术。传统的电化学研究手段与ToF-SIMS结合，能够快速直接原位(ms级)鉴定电化学反应微量的中间体/产物(ppm水平甚至更低浓度)，并同时关联化学信息和电极/电解液界面空间信息，为揭示完整的电化学界面反应物理化学图像提供了可能性。

四、半导体材料



硅油（Silicon Oil）污染的TOF-SIMS表面质谱图

TOF-SIMS可以分析所有的导体、半导体、绝缘材料，也同样具备质谱仪的「全周期表」元素分析特色，以及ppm等级的侦测灵敏度。除此之外，TOF-SIMS的横向空间分辨率、纵深分析分辨率，非常适合像是多层膜结构、微量掺杂及有机无机异物的分析，也补足XPS或FT-IR分析技术上侦测极限的范围。

五、地质考古



宋代华北油滴黑釉残片油滴的正负二次离子图像

TOF-SIMS分析技术具有针对元素或分子的微区成像和深度剖析功能， 高质量分辨和高空间分辨特点，且离子源多样化，使其分析测试对象逐渐延伸到“小众”领域，如考古文化遗存、古董、油画、艺术品、古陶瓷等。

六、环境



TOF-SIMS下污染过程大气细颗粒物（PM2.5）

TOF-SIMS的不同工作模式可以应用于气溶胶研究的不同方面，静态TOF-SIMS主要应用于气溶胶粒子表层分析和表面成像、气溶胶粒子表面元素组成、表面化合物信息的获取等;动态TOF-SIMS主要应用于单个气溶胶粒子的深度剖析和三维成像。目前，已将TOF-SIMS应用于气溶胶粒子表面特征、化学组成深度分布特征、表面化学反应、表面毒性、污染源排放特征研究等多个领域。TOF-SIMS技术可以较易获得气溶胶粒子各类无机物和有机物的信息。



TOF-SIMS
TOF-SIMS作为重要的表面化学分析手段之一，在材料分析中的主要应用：能源电池材料、半导体和电子器件、有机半导体（OLED & 钙钛矿）、矿物陶瓷、金属、生物医药、聚合物等材料的表面分析和膜层结构剖析。

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