Вторичная ионная масс -спектрометрия

Вторичная ионная масс-спектрометрия
	Старый магнитный сектор Sims, Model IMS 3F, сменившимся моделями 4F, 5F, 6F, 7F и совсем недавно, 7F-Auto, запущенные в 2013 году производителем Cameca .
Акроним	Симс
Классификация	Масс -спектрометрия
Аналиты	Сплошные поверхности, тонкие пленки
Другие методы
Связанный	Быстрая бомбардировка атома ; Микропроб

Вторичная ионная масс-спектрометрия ( SIMS )-это метод, используемый для анализа состава твердых поверхностей и тонких пленок путем размахивания поверхности образца сфокусированным первичным ионным пучком , а также сбор и анализ изгнанных вторичных ионов. Коэффициенты массы/заряда этих вторичных ионов измеряются масс -спектрометром для определения элементного, изотопного или молекулярного состава поверхности до глубины от 1 до 2 нм. Из-за больших изменений в вероятностях ионизации среди элементов, разбитых из разных материалов, для достижения точных количественных результатов необходимо сравнение с хорошо калиброванными стандартами. SIMS является наиболее чувствительным методом анализа поверхности, с ограничениями обнаружения элементарного обнаружения в диапазоне от частей на миллион до частей на миллиард.

История

В 1910 году британский физик Дж.Дж. Томсон наблюдал высвобождение положительных ионов и нейтральных атомов с твердой поверхности, вызванной ионной бомбардировкой. ^{[ 1 ]} Улучшенная технология вакуумного насоса в 1940 -х годах включила первые эксперименты с прототипом на SIMS Herzog и Viehböck ^{[ 2 ]} в 1949 году в Венском университете , Австрия. В середине 1950-х годов Хониг построил инструмент SIMS в Laboratories RCA в Принстоне, штат Нью-Джерси. ^{[ 3 ]} Затем в начале 1960 -х годов были разработаны два инструмента SIMS. Одним из них был американский проект во главе с Либелем и Херцогом, который спонсировал НАСА в GCA Corp, штат Массачусетс, для анализа лунных скал , ^{[ 4 ]} Другой в Университете Парижа-Суд в Орсее Р. Кастингом для докторской диссертации Г. Слоджяна. ^{[ 5 ]} Эти первые инструменты были основаны на магнитном двойном секторе сектора масс -спектрометра и использовали аргона для ионов первичного пучка.

В 1970 -х годах К. Виттмаак и С. Маги разработали инструменты SIMS, оснащенные квадрупольными массовыми анализаторами . ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Примерно в то же время A. Benninghoven ввел метод статических симов , где первичная плотность ионного тока настолько мала, что для анализа поверхности необходима только незначительная фракция (обычно 1%) из первого поверхностного слоя. ^{[ 8 ]} Инструменты этого типа используют импульсные первичные ионные источники и масс-спектрометры времени и были разработаны Беннингховеном, Нихуисом и Штеффенсом в Университете Мюнстера , Германия , а также Чарльзом Эвансом и Ассоциациями. Кастанг и сладский дизайн был разработан в 1960 -х годах французской компанией Cameca SAS и использовался в области материаловедения и науки о поверхности . ^{[ Цитация необходима ]} Последние разработки сосредоточены на новых первичных видах ионов, таких как C ₆₀⁺, ионизированные кластеры золота и висмута , ^{[ 9 ]} или большие ионные балки газовых кластеров (например, AR ₇₀₀⁺). ^{[ 10 ]} Чувствительный ионный микрозон с высоким разрешением (креветки) представляет собой двухфокусирующий инструмент сектора SIMS с большим диаметром, основанный на дизайне Liebl и Herzog, созданным австралийскими научными инструментами в Канберре, Австралия . ^{[ Цитация необходима ]}

Приборы

Вторичный ионный масс -спектрометр состоит из (1) первичного ионного оружия, генерирующего первичный ионный луч , (2) первичную ионную колонку, ускорение и фокусирование луча на образце (и в некоторых устройствах возможность разделить первичные виды ионов на Wien Filter или для пульсирования луча), (3) камера с высоким вакуумным образцом, удерживая образец и линзу вторичного экстракции ионов, (4) массовый анализатор, разделяющий ионы в соответствии с их соотношение массы к заряду и (5) детектор.

Вакуум

SIMS требует высокого вакуума с давлением ниже 10 ⁻⁴ Па (примерно 10 ⁻⁶ mbar или torr ). Это необходимо для того, чтобы вторичные ионы не сталкивались с фоновыми газами на пути к детектору (то есть средний свободный путь молекул газа в детекторе должен быть большим по сравнению с размером прибора), и также ограничивает загрязнение поверхности Адсорбцией . частиц фонового газа во время измерения

Первичный источник ионов

три типа ионных оружия Используются . В одном, ионы газообразных элементов обычно генерируются с помощью дуоплазматронов или электронной ионизации , например, благородных газов ( ⁴⁰С ⁺, Машина ⁺), кислород ( ¹⁶А ⁻, ¹⁶O ₂⁺, ¹⁶O ₂⁻), или даже ионизированные молекулы, такие как SF ₅⁺ (генерируется из SF ₆ ) или C ₆₀⁺ ( Фуллерен ). Этот тип ионного пистолета легко эксплуатировать и генерирует примерно сфокусированные, но высокие токовые ионные лучи. Второй тип источника, источник ионизации поверхности , генерирует ¹³³CS ⁺ Первичные ионы. ^{[ 11 ]} Атомы цезия испаряются через пористую вольфрамовую пробку и ионизируются во время испарения. В зависимости от дизайна оружия, тонкий фокус или высокий ток можно получить. Третий источник типа, ионный пистолет жидкого металла (LMIG), работает с металлами или металлическими сплавами, которые являются жидкими при комнатной температуре или немного выше. Жидкий металл покрывает вольфрамовый кончик и излучает ионы под влиянием интенсивного электрического поля. В то время как источник галлия способен работать с элементным галлием, недавно разработанные источники для золота , индийского и висмута используют сплавы, которые снижают свои точки плавления . LMIG обеспечивает плотно сфокусированный ионный луч (<50 нм) с умеренной интенсивностью и дополнительно способен генерировать короткие импульсные ионные лучи. Поэтому он обычно используется в устройствах статических симов.

Выбор видов ионов и ионного оружия соответственно зависит от необходимого тока (импульсного или непрерывного), необходимых размеров луча первичного ионного луча и от образца, который должен быть проанализирован. Первичные ионы кислорода часто используются для изучения электропозитивных элементов из -за увеличения вероятности генерации положительных вторичных ионов, в то время как первичные ионы цезия часто используются при исследовании электроотрицательных элементов. Для коротких импульсных ионных пучков в статических симах LMIG чаще всего используются для анализа; Они могут быть объединены либо с кислородным пистолетом, либо с пушкой цезия во время профилирования глубины элементации, либо с C ₆₀⁺ или ионный источник газового кластера во время профилирования глубины молекулярной глубины.

Массовый анализатор

В зависимости от типа SIMS есть три основных анализатора: сектор, квадруполь и время полета. использует Массовый спектрометр сектора комбинацию электростатического анализатора и магнитного анализатора, чтобы разделить вторичные ионы по их соотношению массы к заряду. Квадрупольный массовый анализатор отделяет массы резонансными электрическими полями, которые позволяют пройти только выбранные массы. Время полета анализатора массы отделяет ионы в без полезного пути дрейфа в соответствии с их скоростью. Поскольку все ионы обладают одной и той же кинетической энергией, скорость и, следовательно, время полета варьируются в зависимости от массы. Это требует пульсированного вторичного генерации ионов, используя либо импульсный первичный ионный пистолет, либо импульсное вторичное экстракцию ионов. Это единственный тип анализатора, способный обнаруживать все сгенерированные вторичные ионы одновременно, и является стандартным анализатором для инструментов Static Sims.

Детектор

Кубок Фарадея измеряет ионный ток, попадающий в металлическую чашку, и иногда используется для высоких тока вторичных ионных сигналов. С мультипликатором электронов. Влияние одного иона начинается с каскада электронов, что приводит к пульсу 10 ⁸ электроны, которые записываются напрямую. Детектор микроканальных пластин аналогичен мультипликатору электронов, с более низким коэффициентом усиления, но с преимуществом обнаружения сбоку. Обычно он объединяется с флуоресцентным экраном, а сигналы записываются либо с помощью CCD-камеры, либо с детектором флуоресценции.

Пределы обнаружения и деградация образца

Пределы обнаружения для большинства микроэлементов находятся между 10 ¹² и 10 ¹⁶ атомы на кубический сантиметр , ^{[ 12 ]} В зависимости от типа используемой инструментации, используемого первичного ионного луча и аналитической площади и других факторов. Образцы столь же маленькие, как отдельные пыльцевые зерна и микрофоссили, могут дать результаты по этому методу. ^{[ 13 ]}

Количество поверхностного кратера, создаваемого процессом, зависит от тока (импульсного или непрерывного) и измерений первичного ионного луча. В то время как заряженные вторичные ионы, испускаемые с поверхности материала через процесс распыления, используются для анализа химического состава материала, они представляют небольшую долю частиц, излученных из образца.

Статические и динамические режимы

В области анализа поверхности это обычно различать статические симы и динамические симы . Статические SIMS - это процесс, участвующий в анализе поверхностного атомного монослоя или поверхностно -молекулярном анализе, обычно с пульсированным ионным пучком и временем масс -спектрометра полета, в то время как динамические SIMS - это процесс, связанный с объемным анализом, тесно связанным с процессом распыления . Первичный ионный луча постоянного тока и магнитный сектор или квадрупольный масс -спектрометр.

Динамическая вторичная ионная масс -спектрометрия (DSIM) является мощным инструментом для характеристики поверхностей, включая элементарную, молекулярную и изотопную композицию и может использоваться для изучения структуры тонких пленок , состава полимеров и химии поверхности катализаторов . DSIMS был разработан Джоном Б. Фенном и Коичи Танакой в начале 1980 -х годов. DSIMS в основном используется полупроводниковой промышленностью .

Приложения

Инструмент COSIMA на борту Розетты был первым ^{[ 14 ]} Инструмент для определения состава кометральной пыли in situ с вторичной ионной масс -спектрометрией во время близких подходов космического корабля 2014–2016 гг .

SIMS используется в целях обеспечения качества в полупроводниковой промышленности ^{[ 15 ]} и для характеристики естественных образцов с этой планеты и других. ^{[ 16 ]} Совсем недавно этот метод применяется к ядерной криминалистике, а наноразмерная версия SIMS, называемая наносимами, была применена к фармацевтическим исследованиям. ^{[ 17 ]}

SIMS можно использовать в области криминалистики для разработки отпечатков пальцев. Поскольку SIMS является методом вакуума, необходимо определить порядок использования вместе с другими методами анализа для отпечатков пальцев. Это связано с тем, что масса отпечатка пальца значительно уменьшается после воздействия вакуумных условий. ^{[ 18 ]}

Смотрите также

Наносимы

Цитаты

^ Томсон, JJ (1910). «Лучи положительного электричества» . Фил. Маг 20 (118): 752–767. doi : 10.1080/147864441008636962 .
^ Herzog, Rfk, Viehboeck, F. (1949). «Ионный источник для масс -спектрографии». Физический Преподобный 76 (6): 855–856. Bibcode : 1949 phrv ... 76..855h . doi : 10.1103/physrev.76.855 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Honig, Re (1958). «Платы поверхностей положительными ионными лучами низкой энергии». J. Appl. Физический 29 (3): 549–555. Bibcode : 1958jap .... 29..549h . doi : 10.1063/1.1723219 .
^ Liebl, HJ (1967). «Ионовый микропроб -анализатор». J. Appl. Физический 38 (13): 5277–5280. Bibcode : 1967Jap .... 38.5277L . doi : 10.1063/1.1709314 .
^ Castaing, R. & Slodzian, GJ (1962). «Корпускулярная оптика - тесты на микроанализ Premiers с помощью вторичного ионного выброса». Микроскопия . 1 : 395–399.
^ Wittmaack, K. (1975). «Изменение до равновесия вторичного выхода ионов». Инт. J. Mass Spectrom. Ion Phys . 17 (1): 39–50. Bibcode : 1975ijmsi..17 ... 39w . doi : 10.1016/0020-7381 (75) 80005-2 .
^ Маги, CW; Хониг, Ричард Э. (1978). «Вторичный ионный квадрупольный масс -спектрометр для дизайна профилирования глубины и оценки производительности». Обзор научных инструментов . 49 (4): 477–485. Bibcode : 1978rsci ... 49..477M . doi : 10.1063/1.1135438 . PMID 18699129 .
^ Беннингховен, А (1969). «Анализ субмонослов на серебро с помощью вторичного ионного излучения». Physica Status Solidi . 34 (2): K169–171. Bibcode : 1969pssbr..34..169b . doi : 10.1002/pssb.19690340267 .
^ С. Хофманн (2004). «Профилирование глубинного разрыва для анализа тонкого фильма». Фил. Транс. R. Soc. Лонд А 362 (1814): 55–75. Bibcode : 2004rspta.362 ... 55h . doi : 10.1098/rsta.2003.1304 . PMID 15306276 . S2CID 25704967 .
^ С. Ниномия; К. Ичики; Х. Ямада; Ю. Наката; Т. Секи; Т. Аоки; Дж. Мацуо (2009). «Точная и быстрое вторичная ионная масс -спектрометрия профилирование полимерных материалов с большими ионными балками AR». Быстрое общение. Масс -спектр . 23 (11): 1601–1606. Bibcode : 2009rcms ... 23.1601n . doi : 10.1002/rcm.4046 . PMID 19399762 .
^ «Система ионного оружия цезия для единиц Cameca Sims» . www.peabody-scientific.com/ . Получено 8 ноября 2013 года .
^ «Пределы обнаружения SIMS выбранных элементов в SI и SIO ₂ в нормальных условиях профилирования глубины» (PDF) . Эванс аналитическая группа. 4 мая 2007 г. Получено 2007-11-22 .
^ Кауфман, AJ; Сяо С. (2003). «Высокие уровни CO ₂ в протерозойской атмосфере, оцениваемые по анализу отдельных микрофоссилий». Природа . 425 (6955): 279–282. Bibcode : 2003natur.425..279k . doi : 10.1038/nature01902 . PMID 13679912 . S2CID 4414329 .
^ C. Engrand; Дж. Киссил; Фр Крюгер; П. Мартин; Дж. Сален; Л. Тиркелл; Р. Томас; К. Вармуза (2006). «Хемометрическая оценка данных вторичной ионной масс-спектрометрии вторичной ионной спектрометрии по времени в рамках будущего анализа на месте материала Cometary Cosima On Board Rosetta». Быстрая связь в масс -спектрометрии . 20 (8): 1361–1368. Bibcode : 2006rcms ... 20.1361e . doi : 10.1002/rcm.2448 . PMID 16555371 .
^ «Динамическая вторичная ионная масс -спектрометрия (анализ SIMS/DSIMS)» . Люцидеон .
^ «Nerc Ion Mirco-Probe объект» . Университет Эдинбурга: Школа героян . Получено 2017-02-28 .
^ Siuzdak, Gary (сентябрь 2023 г.). «Субклеточная количественная визуализация метаболитов на уровне органелл» . Природа метаболизм . 5 (9): 1446–1448. doi : 10.1038/s42255-023-00882-z . ISSN 2522-5812 .
^ Яркий, Николас Дж.; Уилсон, Терри Р.; Дрисколл, Даниэль Дж.; Reddy, Subrayal M.; Уэбб, Роджер П.; Blay, Стивен.; Уорд, Нил I.; Киркби, Карен Дж.; Бейли, Мелани Дж. (2013-07-10). «Химические изменения, демонстрируемые скрытыми отпечатками пальцев после воздействия вакуумных условий» . Forensic Science International . 230 (1–3): 81–86. doi : 10.1016/j.forsciint.2013.03.047 . ISSN 0379-0738 . PMID 23622791 .

Общая библиография

Benninghoven, A., Rüdenauer, FG, Werner, HW, вторичная ионная масс -спектрометрия: основные концепции, инструментальные аспекты, приложения и тенденции , Wiley, New York, 1987 (1227 страниц), ISBN 0-471-51945-6
Vickerman, JC, Brown, A., Reed, NM, вторичная ионная масс -спектрометрия: принципы и приложения , Clarendon Press, Oxford, 1989 (341 страница), ISBN 0-19-855625-X
Wilson, RG, Stevie, FA, Magee, CW, вторичная ионная масс -спектрометрия: практическое руководство по профилированию глубины и анализу объемной примеси , John Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN 0-471-51945-6
Vickerman, JC, Briggs, D., TOF-SIMS: Поверхностный анализ с помощью масс-спектрометрии , IM Publications, Chichester UK и Surfacespectra, Manchester, UK, 2001 (789 страниц), ISBN 1-901019-03-9
Bubert, H., Jenett, H., Анализ поверхности и тонкой пленки: сборник принципов, инструментов и применений , с. 86–121, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2002, ISBN 3-527-30458-4

Внешние ссылки

Учебные страницы для теории и инструментов SIMS

[1] Томсон, JJ (1910). «Лучи положительного электричества» . Фил. Маг 20 (118): 752–767. doi : 10.1080/147864441008636962 .

[2] Herzog, Rfk, Viehboeck, F. (1949). «Ионный источник для масс -спектрографии». Физический Преподобный 76 (6): 855–856. Bibcode : 1949 phrv ... 76..855h . doi : 10.1103/physrev.76.855 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[3] Honig, Re (1958). «Платы поверхностей положительными ионными лучами низкой энергии». J. Appl. Физический 29 (3): 549–555. Bibcode : 1958jap .... 29..549h . doi : 10.1063/1.1723219 .

[4] Liebl, HJ (1967). «Ионовый микропроб -анализатор». J. Appl. Физический 38 (13): 5277–5280. Bibcode : 1967Jap .... 38.5277L . doi : 10.1063/1.1709314 .

[5] Castaing, R. & Slodzian, GJ (1962). «Корпускулярная оптика - тесты на микроанализ Premiers с помощью вторичного ионного выброса». Микроскопия . 1 : 395–399.

[6] Wittmaack, K. (1975). «Изменение до равновесия вторичного выхода ионов». Инт. J. Mass Spectrom. Ion Phys . 17 (1): 39–50. Bibcode : 1975ijmsi..17 ... 39w . doi : 10.1016/0020-7381 (75) 80005-2 .

[7] Маги, CW; Хониг, Ричард Э. (1978). «Вторичный ионный квадрупольный масс -спектрометр для дизайна профилирования глубины и оценки производительности». Обзор научных инструментов . 49 (4): 477–485. Bibcode : 1978rsci ... 49..477M . doi : 10.1063/1.1135438 . PMID 18699129 .

[8] Беннингховен, А (1969). «Анализ субмонослов на серебро с помощью вторичного ионного излучения». Physica Status Solidi . 34 (2): K169–171. Bibcode : 1969pssbr..34..169b . doi : 10.1002/pssb.19690340267 .

[9] С. Хофманн (2004). «Профилирование глубинного разрыва для анализа тонкого фильма». Фил. Транс. R. Soc. Лонд А 362 (1814): 55–75. Bibcode : 2004rspta.362 ... 55h . doi : 10.1098/rsta.2003.1304 . PMID 15306276 . S2CID 25704967 .

[10] С. Ниномия; К. Ичики; Х. Ямада; Ю. Наката; Т. Секи; Т. Аоки; Дж. Мацуо (2009). «Точная и быстрое вторичная ионная масс -спектрометрия профилирование полимерных материалов с большими ионными балками AR». Быстрое общение. Масс -спектр . 23 (11): 1601–1606. Bibcode : 2009rcms ... 23.1601n . doi : 10.1002/rcm.4046 . PMID 19399762 .

[peabody-scientific-11] «Система ионного оружия цезия для единиц Cameca Sims» . www.peabody-scientific.com/ . Получено 8 ноября 2013 года .

[12] «Пределы обнаружения SIMS выбранных элементов в SI и SIO ₂ в нормальных условиях профилирования глубины» (PDF) . Эванс аналитическая группа. 4 мая 2007 г. Получено 2007-11-22 .

[Kaufman2003-13] Кауфман, AJ; Сяо С. (2003). «Высокие уровни CO ₂ в протерозойской атмосфере, оцениваемые по анализу отдельных микрофоссилий». Природа . 425 (6955): 279–282. Bibcode : 2003natur.425..279k . doi : 10.1038/nature01902 . PMID 13679912 . S2CID 4414329 .

[14] C. Engrand; Дж. Киссил; Фр Крюгер; П. Мартин; Дж. Сален; Л. Тиркелл; Р. Томас; К. Вармуза (2006). «Хемометрическая оценка данных вторичной ионной масс-спектрометрии вторичной ионной спектрометрии по времени в рамках будущего анализа на месте материала Cometary Cosima On Board Rosetta». Быстрая связь в масс -спектрометрии . 20 (8): 1361–1368. Bibcode : 2006rcms ... 20.1361e . doi : 10.1002/rcm.2448 . PMID 16555371 .

[15] «Динамическая вторичная ионная масс -спектрометрия (анализ SIMS/DSIMS)» . Люцидеон .

[16] «Nerc Ion Mirco-Probe объект» . Университет Эдинбурга: Школа героян . Получено 2017-02-28 .

[17] Siuzdak, Gary (сентябрь 2023 г.). «Субклеточная количественная визуализация метаболитов на уровне органелл» . Природа метаболизм . 5 (9): 1446–1448. doi : 10.1038/s42255-023-00882-z . ISSN 2522-5812 .

[18] Яркий, Николас Дж.; Уилсон, Терри Р.; Дрисколл, Даниэль Дж.; Reddy, Subrayal M.; Уэбб, Роджер П.; Blay, Стивен.; Уорд, Нил I.; Киркби, Карен Дж.; Бейли, Мелани Дж. (2013-07-10). «Химические изменения, демонстрируемые скрытыми отпечатками пальцев после воздействия вакуумных условий» . Forensic Science International . 230 (1–3): 81–86. doi : 10.1016/j.forsciint.2013.03.047 . ISSN 0379-0738 . PMID 23622791 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

v Т и Масс -спектрометрия
Масса M / Z. Масс -спектр MS Software Аббревиатуры
Ионный источник	APCI Круги Помощь ТАМ Даппи Дрэк ХОТЯ БОГ На ветру Нет S. Ткани Фт Г.Д. Это ICP Травмы Мальди Мальдеси Майп Пт Сессия Симс SS SSI Продавать ИЗ Т.С.
Массовый анализатор	Сектор Венский фильтр Время полета Квадрупольный массовый фильтр Квадрупольная ионная ловушка Пеннинг ловушка FT-ICR Орбитра
Детектор	Электронный множитель Детектор микроканальных пластин Деймер Дейли Кубок Фарадея Langmuir - Taylor Detector
Комбинация MS	MS/MS QQQ Амс Гибридный MS GC/MS LC/MS IMS/MS Что-мс
Фрагментация	ПТИЦА Сид Экд Эдд Эт HCD IRMPD Netd Сидень
Категория Общеизвестное Википроект