millbrook二次離子質譜

許多產品和生產過程的質量水平都與產品表面有關。然而表面是相對獨立的，它的組成可能由于某些特殊元素在表面的聚集、表面改性、等離子表面處理、離子注入或者偶然的污染、附加的防護性、裝飾性薄膜等原因而與基體組成有極大的區別。無論什么原因，了解表面的組成是非常重要的，并且由此發展出許多表面分析技術：從的視覺檢驗到的顯微鏡和微分析手段。其中從20世紀初發展起來的二次離子質譜技術便是一種的分析技術，它作為一種的，不可取代的表面分析技術成為表面分析領域的利器。

二次離子質譜（Secondary Ions Mass Spectrum 簡稱SIMS）采用質譜技術分析表面原子層以確定表面元素組成和分子結構。它的分析原理非常容易理解：將需要分析的樣品放置在真空中，用被稱為“一次離子”的高能量離子轟擊樣品表面，入射離子穿透樣品表面并引發表面原子互相撞擊，撞擊導致表面上的分子和原子脫離表面并離子化，然后這種從表面上脫離的“二次離子”被質譜儀收集并分析，從而得到樣品表面的化學組成情況。同時，隨著入射離子時間的延長，表面原子層會被逐漸剝蝕，根據分析時間和離子強度建立的坐標，可以得到某種離子隨表面深度的變化其濃度變化情況。

盡管早在1910年，二次離子現象就已經被發現，由于二次離子分析有的表面靈敏度，能夠對表面進行靜態分析以及深度剖析而被所有表面分析人員所關注并重視。然而，這種看來應該被迅速推廣的分析技術卻因為儀器造價昂貴，操作維護費用巨大，對人員實際操作水平要求，分析譜圖解釋困難等諸多因素，造成人們對二次離子質譜技術“昂貴、極其專業、必須是專家才能操作并且圖譜解釋模糊”的印象，限制了二次離子質譜技術的發展。直到今天，只有不超過1000臺二次離子質譜儀在使用。

現在，Millbrook公司Mini SIMS的出現改變了這種情況。Millbrook公司是一家有著豐富質譜生產經驗的英國公司，它生產的臺式二次離子質譜結構緊湊，通過Windows下的軟件對儀器進行全自動操作，其質譜峰檢測鑒定軟件和幾百種常用有機物質譜峰數據庫可以幫助對圖譜進行解釋，無須專家進行操作，并且儀器造價和維護費用僅僅需要傳統SIMS系統費用的10-15%。

Mini SIMS為用戶提供了一些其他表面分析技術所不具備的性能。
1、樣品在高真空下得到的樣品表層真實信息，在靜態分析條件下信息僅來自表面層，而動態分析時信息僅來自幾個原子層。
2、可分析質量數范圍3-300的全部元素，包括鋰、鈹、硼等輕質量元素。
3、可對元素同位素進行檢測，用于同位素分析或利用同位素提供的信息。
4、SIMS是一種“軟電離”手段，通過對碎片離子峰分析，從而確定表面化合物的結構。
5、通過入射離子束的掃描或直接成像，實現微區面分析，具有高空間分辨能力。
6、聚焦入射離子束對表面進行剝離，可以實現對十個成分的跟蹤分析，達到三維微區分析的目的。
7、SIMS是一種質譜技術，是檢測特定核質比離子的分析技術，它的本底噪音低于電子能譜?？蓹z測正負二次離子，從而具有的靈敏度，可以達到10-6甚至更低，是所有表面分析方法中靈敏度的一種分析手段，具有很寬的動態范圍。

表面改性在不改變基體性質的情況下賦予材料表面一些特殊的性質。離子注入是一種非常重要的表面改性手段，Mini SIMS通過Depth Profile功能同時對10種元素隨表面深度其濃度的變化情況進行分析，以檢測離子注入效果，從而改進離子注入條件，優化表面功能。生物醫學應用中用于替代血管材料的PTFE管子具有優良的機械性能，盡管材料表面親水性差，仍然可以通過等離子體表面改性克服，但是隨著材料在空氣中放置時間的延長，其親水性能減弱。Mini SIMS通過對處理過的材料和暴露在空氣一段時間后PTFE表面化學成分的變化，揭示氬等離子體改性的PTFE管子無論在表面改性后或經過放置均較其他氣體等離子體處理的材料具有更優秀的親水性能。

表面污染會導致黏結劑黏結效果降低，產品性能降低，甚至失效。而通常的表面污染僅僅是幾個原子層厚的有機物。比如：鋁金屬表面的油污染可以使金屬涂料脫落或金屬黏結劑效果降低，Mini SIMS可以通過離子“指紋”數據庫的比較判定污染物的分子結構、組成信息，通過圖象分布功能評價污染物的污染范圍，通過污染物形狀等信息得到污染物可能的產生原因以給出相應的產品表面清潔、儲存處理改進方法。而半導體生產線上的快速污染檢測、判定和處理也可通過Mini SIMS在很短的時間內得出結論。同樣，催化劑表面污染會導致催化劑效能降低甚至催化劑中毒。在某一多步合成反應中鈀催化劑的壽命大大低于預期，而硫中毒被懷疑是導致這一結果的原因。通過比較新生成的催化劑和使用后的催化劑的陰陽離子圖譜，根據氯35和氯37以及175-180之間的氯化鈀譜峰可以斷定是氯引起催化劑壽命縮短而非預計的硫。

表面涂層可以大大改變產品的表面性質。表觀相同剃須刀片的使用壽命卻相差數倍，Mini SIMS對刀片涂層進行比較分析，通過表面比較，特定離子分布圖象比較和深層剖析得到結論：刀片均由不銹鋼組成，均含有用于潤滑效果的氟化物涂層，然而隨著深度剖析，壽命長的刀片在邊緣刀鋒處的氟化物涂層更厚，并且在這些區域有非常薄的一層加強白金涂層。這些結論對于產品生產工藝和生產過程的設計非常重要。

考古樣品的處理對于文物保存十分重要，許多出土的古物由于保存措施不利在出土不久就失去了應有的文物價值，Mini SIMS通過對一些古代銀制品表面的研究，比較出土文物、長時間裸露的文物、經過不同保護措施處理的文物表面及表面以下一定深度各種元素的含量，得出各種保護措施實際為文物提供的保護效果，為英國博物館文物保護提供了寶貴的參考意見。

綜上所述，Mini SIMS是一臺極其穩定、經濟實用、維護簡單、能夠迅速完成分析任務并對圖譜進行解釋的多功能全自動操作二次離子質譜分析儀器。它為科學研究人員和質量控制人員提供了可靠的表面、界面及表面下一定范圍內的元素分析數據，已經為表面涂層、腐蝕與防腐蝕、離子注入表面改性、表面處理、電子器件、生物醫學材料、半導體、包裝材料、腐蝕磨損研究、潤滑劑、催化劑、黏結劑、材料表面改性、考古、文物保護、食品保存、核燃料等多個領域所應用。