二次离子质谱中质量分辨的定义方法

在二次离子质谱（SIMS）分析中，质量分辨(mass resolution)是一个十分关键的参数，它反映了质谱仪分开质谱峰的能力。质量分辨用M来表示，通常用质量分辨本领（M/M）来描述质谱仪在区分质量数相近的质谱峰的能力。在这期的技术文章中，我们将介绍SIMS设备的质量分辨率的计算方法，以及如何科学、合理地评估该指标。

在质谱分析领域，有多种不同的质量分辨率的定义与计算方法，其中最常用两种：单峰法和双峰法。

(1)双峰法(谷宽定义)：如图1(A)所示，质量分辨本领R被定义为两个相邻的谱峰的质量(M)除以它们的质量差(M)，其中各谱峰的质量取自谱峰信号最大值所对应的质量数；

(2)单峰法(峰宽定义)：如图1(B)所示，质量分辨本领R被定义为质谱峰质量数的平均值(M)与峰值信号强度特定百分比处的谱峰宽度(M)之比。在使用该方法计算质量分辨本领时，M通常取谱峰10%信号强度所对应的谱峰宽度，有时也会按1%或50%谱峰宽度进行计算；当?M=50%峰宽时，这个数值被定义为半峰宽(FWHM)。

除了上述两种常见的定义方法外，还存在一种基于峰尾干扰的定义法，其特点在于考虑了峰尾对其他离子的干扰效应，如图1（C）所示。

图1 质量分辨率定义及计算方法：双峰法(A)和单峰法(B)和峰尾干扰定义法(C)

在实际应用中，质谱仪的质量分辨与谱峰形状密切相关。如图(2)所示，对于SIMS设备而言，不同型号的仪器所测得的二次离子质谱峰形会呈现出明显的差异，反映了不同谱仪在离子分离、传输和检测过程中的不同特性。因此，在比较不同质谱仪的质量分辨时，仅使用一种算法作为比较标准是不准确的，还需要考虑谱峰形状来定义质谱仪的分辨。

图2 几种不同的谱峰形状，从左到右分别是：

矩形、梯形、高斯曲线形、三角形和锥形

在几种常见的SIMS中，采用了不同的方法来定义质量分辨率，例如：

• 磁扇型SIMS通常使用双峰法R = M / ΔM (10%, 1%, 0)定义质量分辨本领；
  
• TOF-SIMS通常使用单峰法R = M / ΔM (50%)定义质量分辨本领；
  
• 四极杆型SIMS通常使用ΔM (10%, 5%)定义质量分辨本领。
  

图3展示了三种常见SIMS设备的谱峰形态。这些谱峰形态反映了仪器结构特性及其对二次离子质量的分辨能力。

图3 不同类型的SIMS设备所测得的谱图峰形

通过质量分辨的定义我们可以知道，当质谱仪的分辨本领越高时，目标物质谱峰的峰宽越窄，质谱仪就能更好地区分两个质荷比相近的元素或化合物。根据质量分辨本领的大小，通常可将质谱分为常规质谱及高分辨质谱（HRMS）两种类型。在常见的SIMS设备中，四级杆型SIMS(Q-SIMS)质量分辨本领较低，大多数情况下可区分的质量数为整数位，两个质谱峰能够完全分开的质荷比相差大约为1 Da，因此被称为单位质量分辨，属于常规质谱；而磁扇型SIMS(M-SIMS)和飞行时间型SIMS(TOF-SIMS)质量分辨本领较高，所采集的二次离子质量数可精确至小数点第三到第五位，因此可以更为准确地推测化合物的分子式和同位素比值，属于高质量分辨本领质谱。

需要注意的是，质量分辨并非评估SIMS设备性能的唯一指标，在大多数SIMS设备中，质量分辨、空间分辨和检测灵敏度等参数之间存在权衡，因此，在利用SIMS进行实际分析时，需要综合考虑多个参数，以获得更全面、准确的分析结果。此外，随着技术的进步和仪器的发展，可能会有新的方法来定义和评估质量分辨。因此，对于这一领域的研究者来说，持续关注最新的科研进展和仪器发展是非常重要的。

致谢：感谢清华大学李展平老师对本文撰写的建议和指导。

参考文献：

[1] Heide P V D .Secondary Ion Mass Spectrometry: An Introduction to Principles and Practices[M]. 2014.

[2] J.F. O’Hanlon, A User’s Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons, 1980. P. 85-87.

[3] ISO/TS 22933:2022(E): Surface chemical analysis — Secondary ion mass spectrometry — Method for measurement of mass resolution.