飞行时间-二次离子质谱技术在大气气溶胶研究中的应用进展

作者:倪润祥;李红;伦小秀;温冲 刊名:安全与环境学报 上传者:陆瑾

【摘要】在简述飞行时间-二次离子质谱技术(TOF-SIMS)的基本原理、技术特点和优势的基础上,阐述了近年来TOF-SIMS应用于气溶胶表面化学表征、气溶胶粒子化学组成深度剖析、气溶胶表面化学反应、气溶胶粒子表面毒性,以及气溶胶污染源排放特征与污染源识别等方面的研究进展,并对TOF-SIMS技术在大气气溶胶研究中的应用前景进行了展望。

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(1中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;2中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京100012;3北京林业大学环境科学与工程学院,北京100083;4西安市环境保护科学研究院,西安710002)0引言大气气溶胶粒子单颗粒分析已成为研究气溶胶粒子大气化学行为的重要手段,同时由于气溶胶粒子表面化学组分的分子结构和其相互作用在决定气溶胶行为和特征方面起着主导作用,大气气溶胶粒子单颗粒表征分析与大气气溶胶表面化学表征已成为气溶胶科学的研究热点[1-2]。近年来,飞行时间-二次离子质谱技术(Time-o-fFlightSecondaryIonMassSpectrometry,TOF-SIMS)发展迅速。与传统的单颗粒分析技术及表面分析技术相比,TOF-SIMS具有很高的横向和深度分辨率及超高灵敏度,能区分同位素,可以检测低元素序数的元素离子(Z<11的元素)与分子碎片离子等[3-5]。通过使用TOF-SIMS技术可以获得气溶胶粒子的表面化学组成、化学组分的深度分布、表面图像与三维图像等方面的信息[6-7]。基于这些信息,研究者已将TOF-SIMS技术成功地应用于气溶胶粒子表面组成和结构特征、气溶胶粒子之间及气溶胶粒子与大气气相组分之间的化学反应等方面的研究中[6,8-9];与扫描电子显微镜(SEM)、电子探针显微分析(EPMA)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)等常用分析技术结合使用,在气溶胶粒子的源识别和表面毒性分析等研究中发挥了重要作用[6,10-11]。国际上已经较多地开展了利用TOF-SIMS技术研究大气气溶胶的工作,但在我国相关研究报道较少。本文拟对国内外TOF-SIMS技术在大气气溶胶研究中的应用进展作较为系统的介绍,总结其在该领域应用中存在的问题,提出今后我国在该领域的研究建议。1TOF-SIMS技术概述TOF-SIMS技术是一种使用飞行时间质量分析器的二次离子质谱技术。经过30多年的发展,TOF-SIMS技术已经较为成熟地应用于微电子学、化学及材料科学领域,其新兴的研究领域包括纳米技术、生命科学、航天技术,以及大气气溶胶科学。全世界有超过两百台的TOF-SIMS仪器应用于工业领域及科研实验室中,我国目前有3台TOF-SIMS仪器[3]。11TOF-SIMS基本原理常规的TOF-SIMS仪器由真空系统、离子枪、二次离子飞行通道、质量检测系统组成,并配备有用于系统控制、数据分析的计算机系统[3,12]。其基本原理见图1。离子枪产生聚焦一次离子束(Cs或Ga)轰击样品表面,溅射出二次离子(带正、负电荷的原子、原子团、分子和分子碎片等)。这些二次离子经加速进入飞行通道,最终到达飞行时间质谱仪。飞行时间质量分析器在ns尺度记录二次离子从样品表面到达检测仪的时间,经计算转换成各离子质量,实现质谱分析。12TOF-SIMS工作模式按照一次离子束与样品的作用方式,可将TOF-SIMS分为静态TOF-SIMS(Static-TOF-SIMS)和动态TOF-SIMS(Dynamic-TOF-SIMS)两类。静态TOF-SIMS应用于表面质谱和表面成像,动态TOF-SIMS应用于深度剖析[3,12]。在表面质谱和表面成像工作模式下,一次离子束密度极低,确保了在分析过程中样品只有最靠近表面的几个(1~2个)原子层被溅射。一次离子束在较大面积上扫描,所有的二次离子谱累加在一起,实现大面积表面质谱分析。若在分析过程中,完整存储每一个像素点的谱图,便可重构任意质量和选定区域的图像,实现表面成像。在深度剖析工作模式下,需要两个离子

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