在上一篇文章中，我们探讨了TOF-SIMS高精度测量所面临的挑战，指出质量分析器需要具备精密的离子光学设计以应对这些挑战。三重飞行时间聚焦质量分析器（TRIple Focusing Time of flight，简称TRIFT）作为ULVAC-PHI独有的TOF质量分析器，凭借其宽通能、高景深和较大二次离子接收角等独特设计，在静态SIMS分析中表现出卓越性能。TRIFT最初由Charles Evans & Associates公司开发，后经PHI持续优化与迭代，已成为当前性能领先的静态SIMS质量分析器之一。
本文将重点介绍TRIFT质量分析器的结构组成、功能特点及其在实际分析中的应用。
1. TRIFT质量分析器结构
为满足复杂形貌样品的高精度TOF-SIMS分析需求，TRIFT质量分析器采用了独特的光路设计，能够有效补偿二次离子因初始动能差异、发射角度与样品高度差所引起的飞行时间偏差。如图3所示，TRIFT质量分析器主要由以下部分构成：
(1)提取透镜组
TRIFT配置了由浸没透镜(Immersion Lens)和传输透镜(Transfer Lens)组成的提取透镜组，用于提取样品表面激发的二次离子，并将其聚焦后送入静电分析器。
(2)静电分析器(ESA)
提取透镜组的后端设有三个ESA分析器，每一个ESA分析器可将二次离子偏转90°，经过三个ESA分析器的偏转后，二次离子会累计偏转270°，最终到达双微通道板探测器(DMCP)，整个飞行路径为2 m。
(3)能量过滤器(Energy Slit)：
在第一个ESA分析器的后端配置有一个带通能量过滤器，用于调整二次离子通过的能量范围，去除亚稳态离子干扰。
(4)其它组件
TRIFT还配有Matsuda Plate、Contrast Diaphram、HiMass Blanker等光学组件，这些精密组件协同工作，共同保障高精度TOF-SIMS分析。
图3. TIRFT质量分析器结构示意图
(1)动能补偿
TRIFT质量分析器通过调整二次离子在ESA中的飞行轨迹，来修正因初始动能差异所带来的飞行时间偏差。如图4所示，初始动能大于零的二次离子，在ESA分析器中的飞行路径会增加，这样飞行时间延长，使其与质荷比相同且初始动能为零的二次离子同时到达探测器。
图4. TRIFT质量分析器动能补偿示意图
(2)方向聚焦
如图5所示，TRIFT质量分析器采用双提取透镜组设计，可以对不同出射角度的二次离子进行聚焦，增加二次离子的接收范围。配合后端的三组ESA，能够同时修正由二次离子初始动能和不同出射角度所造成的飞行时间偏差，在不牺牲传输效率和检测灵敏度的前提下，可实现高达± 21°的二次离子接收角。
图5. TRIFT质量分析器方向聚焦示意图
(3)高带通能量设计
TRIFT质量分析器所配置的能量过滤器具有较高的通能(240 eV),在保证分析效率与精度的同时，可实现优异的成像景深。如图6所示，对聚合物纤维样品进行TOF-SIMS成像分析时，得益于TRIFT质量分析器出色的成像景深，在0-150 μm纵向范围内清晰分辨出交织重叠的纤维结构，并在每根纤维上都能采集到高灵敏度和高分辨率的质谱信号。
图6. TRIFT质量分析器高景深成像分析-聚合物纤维样品
3. 实际应用案例
PHI旗下的NanoTOF系列TOF-SIMS设备均搭载TRIFT质量分析器，能够在宽能量范围内对二次离子动能和出射方向进行聚焦，适用于复杂形貌样品的高精度表面成像分析。以下为实际应用案例：
图7. 聚合物微球TOF-SIMS成像分析，微球材质：聚甲基丙烯酸乙酯；衬底材质：亚力克胶
图8. 人类头发TOF-SIMS成像分析
图9. 小鼠胚胎组织TOF-SIMS成像分析
TRIFT质量分析器通过其独特的三重聚焦设计——即对二次离子的能量、角度和空间位置同时进行补偿与聚焦，成功攻克了高精度TOF-SIMS分析中的多项关键挑战。随着表面分析技术不断向更高灵敏度、更高空间分辨率和更复杂应用场景发展，TRIFT质量分析器所代表的高性能离子光学平台，将继续为科学家揭示材料表面与界面的化学信息提供强大而可靠的技术支撑。
参考文献
Schueler B W .Microscope Imaging by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry[J].Microscopy Microanalysis Microstructures, 1992, 3(2-3):119-139.DOI:10.1051/mmm:0199200302-3011900.
编辑I 杨 欧
审核I 鞠焕鑫
发布I 段昱同
TOF-SIMS质量分析器（上）：TRIFT起源及原理
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