二次離子質譜儀的核心原理基于離子與物質的相互作用。實驗需在超高真空環境中進行，以排除背景氣體干擾，確保檢測準確性。儀器通過離子源產生高能一次離子束，常見的有Ga?、Cs?、O??等，這些離子經加速后聚焦于樣品表面，形成直徑低至納米級的轟擊點。當一次離子撞擊樣品時，會將能量傳遞給表面原子或分子，引發濺射現象，使部分原子、分子脫離樣品表面，其中一部分會被電離，形成帶電荷的二次離子。

 

　　二次離子的提取與分析是實現成分識別的關鍵。生成的二次離子（含正負離子及分子離子）在靜電場作用下被提取，隨后送入質量分析器。根據分離原理不同，質量分析器主要分為飛行時間（TOF）、扇形磁場和四級桿三類，其中TOF-SIMS應用廣泛，可同時檢測全質量范圍離子，兼具高分辨率與高靈敏度。分析器依據二次離子的質量-電荷比（m/z）進行分離，不同成分的離子因質量差異，飛行速度或偏轉軌跡不同，最終先后到達檢測器，形成特征質譜圖。

 

　　表面分析與深度剖析的雙重能力，讓SIMS突破傳統顯微鏡的局限。表面分析時，采用低束流密度的靜態模式，僅轟擊樣品最表層1-3個原子層，幾乎不損傷樣品，可精準獲取表層元素、同位素及分子組成信息，檢出限達ppm至ppb量級。深度剖析則采用動態模式，通過高束流密度離子束逐層剝離樣品，交替進行濺射與信號采集，結合深度校準，可獲得成分沿深度方向的分布曲線，甚至重構三維成分圖像，深度分辨率可達亞納米級。

 

　　這一技術的優勢在于多方位探測能力，既能捕捉表面痕量雜質，又能穿透表層揭示內部界面成分分布。從半導體芯片中摻雜元素的深度分布檢測，到鋰電池材料界面反應的三維分析，再到地質樣品中微量元素的同位素溯源，SIMS都發揮著不可替代的作用。隨著技術升級，Bi離子源、氣體團簇源等新型離子源的應用，進一步提升了其在有機大分子、生物樣品分析中的適用性。

 

　　作為微觀分析領域的核心技術，SIMS以獨特的離子轟擊-質譜分析邏輯，將物質的微觀成分信息轉化為可解讀的圖譜數據。它不僅是表面與深度剖析的“顯微鏡”，更是推動多學科基礎研究與產業升級的重要工具，持續為人類探索微觀世界提供精準可靠的技術支撐。