二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种通过聚焦的初级离子束溅射样本表面，然后收集并分析喷射出的次级离子，从而分析固体表面和薄膜组成的技术。这些次级离子的质量/电荷比是通过质谱仪测量的，以确定表面的元素、同位素或分子组成，深度达到1到2纳米。由于从不同材料溅射出的元素之间的电离概率差异很大，必须与良好校准的标准进行比较，以实现准确的定量结果。SIMS是最敏感的表面分析技术，其元素检测限从百万分之一到十亿分之一不等。二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种高灵敏度的质谱技术，其最大的用途之一是在材料科学和表面分析领域。

 在1910年，英国物理学家J.J.汤姆孙观察到了离子轰击固体表面后释放出的正离子和中性原子现象。到了20世纪40年代，随着真空泵技术的改进，奥地利维也纳大学的Herzog和Viehböck于1949年进行了SIMS的首次原型实验。在1950年代中期，Honig在新泽西州普林斯顿的RCA实验室构建了一台SIMS仪器。随后，在1960年代初期，出现了两台独立开发的SIMS仪器。其中一台是由Liebel和Herzog领导的美国项目，在马萨诸塞州的GCA公司得到了NASA的资助，用于分析月球岩石。另一台是由R. Castaing在法国奥赛的巴黎-苏德大学为G. Slodzian的博士论文开发的。这些早期仪器基于磁性双聚焦扇形场质谱仪，并使用氩作为主要束流离子。

 到了1970年代，K. Wittmaack和C. Magee开发了配备四极质量分析器的SIMS仪器。大约在同一时间，A. Benninghoven引入了静态SIMS方法，其中初级离子电流密度非常小，只有表面的一个可忽略部分（通常为1%）用于表面分析。这类仪器使用脉冲式初级离子源和飞行时间质谱仪，由德国明斯特大学的Benninghoven、Niehuis和Steffens以及Charles Evans & Associates开发。Castaing和Slodzian的设计在20世纪60年代由法国公司CAMECA S.A.S.开发，并用于材料科学和表面科学。最近的发展集中在新型的初级离子种类，如C60+、金和铋的离子团簇，或大气团簇离子束（例如Ar700+）。敏感的高分辨率离子显微探针（SHRIMP）是一台基于Liebl和Herzog设计的大口径双聚焦SIMS扇形仪器，由澳大利亚堪培拉的Australian Scientific Instruments制造。

SIMS通过将高能离子轰击样本表面，产生次级离子并将其进行质谱分析，从而揭示样品的化学成分、结构和分布情况。其主要应用领域包括：

1. 材料分析： SIMS可用于分析各种材料，如金属、半导体、聚合物和陶瓷。它可以揭示元素的含量和分布，有助于质量控制、材料开发和材料性能研究。

2. 半导体工业： 在半导体制造中，SIMS可用于研究掺杂元素在芯片中的分布、深度和浓度。这对于确保芯片性能和制造工艺的稳定性至关重要。

3. 表面分析： SIMS可以对材料表面的元素、化合物和有机分子进行分析。它在表面改性、薄膜制备和界面研究方面具有重要应用。

4. 生物医学研究： 在生物医学领域，SIMS可以用于分析细胞、组织和生物分子。它在药物传递、细胞代谢和生物分子定位等方面提供了关键信息。

5. 地质与地球科学： SIMS在地质样品中的应用可以揭示地球物质的起源、演化和地质过程。它在矿物学、地球化学和宇宙学研究中具有重要作用。

6. 文化遗产保护： SIMS可以用于研究艺术品、文物和考古样本中的颜料、涂层和材料组成，有助于文化遗产的保护和修复。

 欧洲航天局罗塞塔号（Rosetta）上的COSIMA仪器是第一台能够通过次级离子质谱在太空中实时确定彗星尘埃组成的仪器。在2014年至2016年的近距离接近67P/Churyumov–Gerasimenko彗星期间，COSIMA仪器成功实现了这一目标。二次离子质谱在材料科学、半导体工业、表面分析、生物医学、地球科学和文化遗产保护等领域具有广泛应用，为研究不同领域的样品提供了高分辨率、高灵敏度的分析手段。

图1. 威斯康星大学Wisc-SIMS的主要目标是为SIMS用户提供在1到10微米尺度范围内进行稳定同位素比率原位分析的最佳分析精度和准确性。这些数据的结合可以为地质、行星或生物学样品提供根本性的新理解水平。

参考资料：

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