SIMS / TOF-SIMS（二次离子质谱，Secondary Ion Mass Spectrometry）

一、工作原理

在真空腔中，聚焦的初级离子束（如 Ga+、Bi3+ 团簇离子）以高能轰击样品表面，使表层原子/分子获得足够能量并以带电的二次离子形式溅射逸出。这些二次离子经质量分析器（常为 TOF）按其 m/z 分离检测，逐点扫描即得到元素与分子的空间分布图。

由于初级束可被聚焦到极小光斑，SIMS 的空间分辨率由束斑尺寸决定，TOF-SIMS 借助团簇离子源与精细聚焦可达亚微米乃至纳米级。这是它在三大成像源中分辨率独占鳌头的原因。

二、为何能达到纳米级

分辨率取决于初级离子束的聚焦能力与溅射产额控制。当束斑缩小到纳米尺度且每次轰击仅移除极少表层原子时，即可在几乎不破坏整体结构的前提下获得超微空间信息。配合 TOF 分析器的高通量与全质量采集，单像素即可同时记录多种元素与碎片离子。

也正因束斑极小，SIMS 成像往往像素极多、数据量庞大，对定位精度、电荷补偿与数据系统提出更高要求。它是「看得最细」的成像源，但代价是通量与分子保真度上的权衡。

三、擅长分子与场景

SIMS 在元素分布、小分子药物、脂质及表面组分成像中优势突出。硬电离带来的丰富碎片，使其擅长区分同分异构体与表面化学态；在材料科学、半导体、法医学、生物膜脂质分布、药物纳米载体定位等领域应用广泛。

四、局限与注意

SIMS 属硬电离，分子碎裂较强，直接给出分子离子的概率低，多用于元素与碎片层面的信息，分子鉴定相对复杂；高能轰击还可能对样品造成一定损伤，对热敏/易挥发分子不友好；定量需标准与校准，过程繁琐。此外真空要求也提高了制备门槛。

因此 SIMS 常与 MALDI、DESI、LDPI 等路线配合：以 SIMS 攻克纳米级元素/小分子问题，以其他软电离源补足分子层面的广覆盖。在单细胞/亚细胞层面，新策源 LDPI（2–3 μm）与 SIMS（纳米级）分别覆盖「细胞尺度」与「亚细胞/分子尺度」的不同需求。