本文件描述了常规分析中确认静态二次离子质谱正离子相对强度标的重复性和一致性的方法。 本文件适用于安装有荷电中和电子枪的仪器，不用于校正强度随质量变化的响应函数，校正可由仪器制造厂商或其他机构进行。 本文件提供数据以确认仪器使用时的相对强度一致性，提供可影响一致性的一些仪器参数的设置指南。

ICS71.040.40
CCSG04
中华人民共和国国家标准國
GB/T43663—2024/ISO23830:2008表面化学分析
二次离子质谱
静态二次离子质谱相对强度标的重复性和一致性
Surfacechemicalanalysis-Secondary-ion massspectrometryRepeatability and constancyoftherelative-intensity scaleinstaticsecondary-ionmassspectrometry(ISO23830:2008,IDT)
2024-03-15发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-10-01实施
1范围
规范性引用文件
术语和定义
4符号和缩略语
5方法概述
确认强度标重复性和一致性的方法6
附录A （资料性）
参考文献
静态SIMS常规工作条件示例
GB/T43663—2024/ISO23830:2008三
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则起草。
GB/T43663-2024/ISO23830:2008第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件等同采用ISO23830:2008《表面化学分析静态二次离子质谱相对强度标
二次离子质谱
的重复性和一致性》
本文件增加了“规范性引用文件”和“术语和定义”两章。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国微束分析标准化技术委员会（SAC/TC38)提出并归口。本文件起草单位：北京师范大学、清华大学、中国科学院物理研究所、中国计量科学研究院、北京化工大学。
本文件主要起草人:吴正龙、李展平、陆兴华、王海、程斌。H
GB/T43663—2024/ISO23830:2008引言
静态二次离子质谱(SIMS)广泛应用于混合材料的表面分析，常用于鉴别材料表面物质和混合物的定量分析，如表面功能化的聚合物共混物。通过测量谱峰相对强度同时与参考样品的对应谱峰比较，进行定量分析。在这些测量中，为了判断所观测的任何变化是否有意义，重复性至关重要。对于建立过往测量工作与数据库间相关性及确定仪器工作状态，相对强度的一致性至关重要。多数静态SIMS测量，通过与谱图库中谱图比较，鉴别未知物。测量是否有意义，依赖于仪器的重复性和稳定性。本文件是针对静态SIMS仪器本身影响强度测量不确定度的两个重要方面：正离子相对强度测量的重复性和正离子相对强度随时间的漂移。对于负离子，还无法控制绝缘体表面电势以得到足够好的重复性。因此，本文件不包括负离子，但是如果能控制好表面电势，所述概念对负离子有可能也适用对于分析相似样品间的变化趋势和差异，重复性是重要的。重复性差，会给出样品存在明显差异的错误结论。影响仪器测量重复性的因素包括离子源的稳定性、电荷稳定性、探测器设置、仪器对样品位置的敏感性、数据采集参数和数据处理程序。本文件提供了一种确认仪器相对强度标重复性和一致性的简单方法，用以评估仪器工作状态，并采取可能的相关措施，如改进操作程序或重设仪器参数。所以，宜定期使用此方法，且最好在经仪器制造厂商或其他相应机构验证的有效工作期间内使用。本方法所使用样品为聚四氟乙烯（简称PTFE），适用于具有电荷稳定功能的静态SIMS仪器。本方法没有涉及仪器的所有可能问题，因为涉及所有问题需要耗费很长测试时间，而且需要专业知识和设备。本方法仅拟涉及静态SIMS相对强度标的重复性和漂移的常见基本问题。1范围
GB/T43663—2024/ISO23830:2008表面化学分析二次离子质谱
静态二次离子质谱相对强度标的重复性和一致性
本文件描述了常规分析中确认静态二次离子质谱正离子相对强度标的重复性和一致性的方法。本文件适用于安装有荷电中和电子枪的仪器，不用于校正强度随质量变化的响应函数，校正可由仪器制造厂商或其他机构进行。本文件提供数据以确认仪器使用时的相对强度一致性，提供可影响一致性的一些仪器参数的设置指南。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
本文件没有需要界定的术语和定义。符号和缩略语
下列符号和缩略语适用于本文件。A1:C3F3和C2F5组合峰的平均面积A2:C7F13和C8F15组合峰的平均面积A3:C14F27和C15F2g组合峰的平均面积d:束斑直径（μm）
e：电子电荷（C）
F：脉冲重复率或频率(s-1)（仅适用于飞行时间系统）i:13个质量峰中第i个峰的标记
巧：第i个质量峰和第j张谱的峰强度矩阵元I:7张谱中谱峰的平均强度
j:7张谱中第j张谱的标记
J：总离子通量(ions/m2，即每平方米通过的离子数）n：完整扫描顿的数目
N：第i张谱中第i个质量峰的归一化峰强度矩阵元p:每一个像素表达的离子脉冲数目(仅适用于飞行时间系统）Pi：第j张谱中第i个质量峰的相对强度矩阵元P：第j张谱中9个峰的平均相对强度q：时间平均脉冲离子束流(A)(仅适用于飞行时间系统)1
GB/T 43663—2024/ISO 23830:2008Q：离子束流(A)(适用于非脉冲系统和一些飞行时间系统）r:相对强度重复性
R:正方形扫描栅格边长（μm）
SIMS:二次离子质谱【术]（second-ionmassspectrometry）T：总采集时间(s）
ToF：飞行时间(timeofflight)
u：统一原子质量单位
Ug5（A1/A2）:A1/A2的不确定度Ug5（A3/A2）：A3/A2的不确定度W:脉冲宽度(s）
X：在一条扫描栅格线上的像素点数目5方法概述
这里首先概述此方法，以便于理解正文中第6章详细的方法程序。为了用本程序评定静态SIMS谱仪，获取新鲜合适的PTFE卷带，在适当的仪器工作条件下测量选定SIMS谱峰强度。选择PTFE卷带是因为此材料易获取、表面均匀、污染低，用静态SIMS表征有很好的重复性。所选峰没有质量干扰，本方法适用高、低质量分辨的仪器。前几个步骤与准备样品和仪器设定有关，见6.1～6.4。图1是流程图，附有相应章节标题。在6.6中需要按顺序重复7次测量质谱。由此计算出谱峰强度的重复性标准偏差。谱峰的重复性与离子源的稳定性、样品上表面荷电情况、质谱仪探测器和电子设备，以及被测谱峰强度对样品位置的敏感性、谱峰统计噪声有关。在该方法中规定了测量条件以确保峰的测量强度统计噪声较小。重复性标准偏差可取决于样品的定位方法。在6.6.1中需要使用相同的样品定位方法，最终的校准只对使用该方法定位的样品有效。
一般而言，静态SIMS中对于材料鉴别，相对强度比绝对强度重要。因此，本方法适用范围限于确定相对强度的一致性。测定方法见6.6,计算方法见6.7,流程图见图1。实际上，仪器的强度随质量变化的响应函数，随仪器的使用情况不同可有显著变化，尤其是同一台仪器不同的使用者。因此，对于每一位分析者使用该方法均有益。6.9中给出了评估的重复时间间隔。按规范方法操作仪器使得质谱响应的变化降至最小是有必要的。2
注：引用了正文中的条目序号。开始
获取参考样品
6.2准备安装参考样品
6.3安装参考样品
GB/T43663—2024/ISO23830:2008选择用于确定强度稳定性的质谱仪参数6.4
6.5仪器操作
6.6强度测量及其重复性
6.7计算强度重复性
6.8定期确定相对强度标一致性的程序6.9下次校准
图1方法的操作顺序流程图
确认强度标重复性和一致性的方法6
6.1获取参考样品
取一卷新的PTFE卷带，用于校准静态SIMS谱仪。这一卷PTFE卷带做上标记，作为参考样品用于后续6.9中的检验。
注：通常一卷PTFE卷带的长度为12m，宽度为12mm，厚度约为0.075mm。6.2准备安装参考样品
应戴无粉聚乙烯手套并用干净的金属镊子夹取样品。洁净间中常使用的乙烯基（例如聚氯乙烯，即3
GB/T43663—2024/ISO23830:2008PVC)手套在制造过程中涂有脱模剂，不应使用。这种脱模剂很容易迅速转移污染样品，导致测量重复性和数据质量变差。
6.3安装参考样品
去掉PTFE卷带（见6.1)前端20cm，然后用干净的剪刀从长条PTFE卷带中裁剪出合适大小的样品。一旦卷带展开，新鲜表面会暴露出来，即分析面，不要清洁。用机械卡紧或机械固定的方法，将此样品安装在样品托上，并形成均匀平整表面。不要用胶带粘贴，样品背面放置在导电表面上，确保与样品托导电连接。PTFE不应放置在样品托的孔洞上。注：样品下方有孔洞导致高提取场系统的质量分辨和重复性降低，如飞行时间质谱和磁质谱系统。在6.9中重复测量的时间间隔不应超过3个月。为此，应取用新鲜的样品，为保持一致性，样品宜取自同一PTFE卷带。
6.4选择用于确定强度稳定性的质谱仪参数选择质谱仪的正二次离子工作参数，以确定强度稳定性。对于每一种离子源应重复6.5～6.9的方法，予以确认。
注：相对强度重复性随所用设置组合而变化，通常质量分析器的接受能量50eV或更高时重复性更佳。6.5仪器操作
6.5.1仪器操作应遵循厂商或实验室成文的规定要求。仪器烘烤后应完全冷却，确保离子束流、计数率、质谱仪扫描速率以及厂商规定的其他参数均在厂商推荐的范围之内。检查探测器的倍增器参数设置是否正确，
6.5.2将离子束对中质谱仪接受区域，确保离子束聚焦直径(d）足够发散。对于正方形扫描栅格满足式(1)。
式中：
R一正方形扫描栅格边长;
..（1)
×一一在一条扫描栅格线上的像素点数目。如果发现仪器获得的最大束斑直径不能满足式1），则需要增加像素点数目或减小扫描栅格尺寸。6.5.3选择时间平均的脉冲离子束流强度（q）、总采集时间(T）、正方形扫描栅格尺寸（R），计算得到总离子通量(J)[J<1×1016ions·m2，单位为每平方米通过的离子数(ions·m2)]，见式(2）。J=qT/(eR')
式中：
」—总离子通量；
q一脉冲离子束流强度；
e一电子电荷；
R一正方形扫描栅格边长。
..（2)
对于非脉冲仪器，如磁扇形和四极杆的系统，将式(2)中脉冲离子束流强度（q），用非脉冲离子束流强度(Q)代替。
对于一些ToF仪器，q未知，用记录到的非脉冲离子束流强度(Q)代替,计算离子通量(J），见式(3）。J = FQwT/(eR2)
式中：
F—离子脉冲频率；
.......( 3
W一离子束流脉冲宽度(无脉冲束压缩）。其他量同式(2）。
GB/T43663—2024/ISO23830:2008示例：一束0.5pA离子束(ToF仪器的脉冲束流或四极杆或磁扇形仪器的非脉冲束流），其正方形扫描栅格边长200μm，采样时间128s,则对于128×128像素显示，扩束直径需大于3.1μm。如果只能扩束到1μm，则需用256x256像素显示，否则每一像素点上的局部通量将超过限定值1×1016ions·m-2的2倍以上。总采集时间（T)为离子束撞击样品表面的总时间。对于脉冲系统，总采样时间包括了整个周期时间，而不只是撞击表面离子束的脉冲时间宽度。某些仪器的计算机上，尤其是ToF仪器，报告了离子束被屏蔽时包含计算机处理时间在内的“总时间”和不含计算机处理时间在内的“总采集时间”。在这种情况下，使用“采集时间”值。商业仪器所使用的术语不必与这重所使用的术语相同。6.5.4对于磁扇形和四极杆质谱仪器，使用高速扫描速率(通常以视频速率)的工作模式操控质谱仪，而不是用成像模式的数字化栅格扫描速率操控质谱仪。如果需要使用数字化栅格扫描，则在采集时间内采集整数倍的帧数（n），n尽可能大于20。对于ToF系统，采集整数倍图像帧数(n)尽可能大于20。如果不能采集整数倍图像顿数(n），则为保证扫描区域内均匀采集，n宜大于20,假设分析区域内质谱仪传输均匀。如果无法确定，则n取用100顿。这样确保最后一顿(很可能不是完整的一顿)仅占数据的一小份额。每一个像素点含p个离子脉冲，帧数(n)计算见式(4）。
式中：
T一总采样时间；
F——离子脉冲频率；
×一一沿一个扫描行的像素点数目；p—每一个像素点上离子脉冲数目。注：对于ToF,质谱分析时通常p=1。.....（4)
6.5.5用扫描工作模式和用法拉第杯（若配置）测量离子束流密度(J）。如果系统未配置法拉第杯，可在样品托上钻一个小孔，制作一个简单而准确的装置。小孔与离子束中心轴对中，深度大于直径的5倍，直径应为0.1mm~1mm。
注：法拉第杯的详细情况见参考文献[1]。6.5.6高强度一次离子束流时，相当一部分计数因探测器饱和而损失。确保一次离子束流低于某一水平，此时因探测器饱和而损失的计数小于2%。一次离子质量大于70u，或者一次离子由团簇构成时，即使一次离子束流低，也会导致峰饱和。通常在紧邻此饱和峰之后某一质量范围内的峰强度明显减小或完全消失。对于铋离子(Bi+），建议脉冲离子束流不超过0.1pA。
6.5.7为了获得最大探测效率，被探测离子撞击探测器表面的能量设定在不明显产生背景噪声的最大稳定值处。
注：高计数率或不正确的探测器电压会使峰畸变导致错误的峰强度测量。6.5.8恰当的荷电稳定程序对获得正确的测量谱至关重要。使用仪器厂商程序或实验室规定的程序。确保所用程序清晰和完整。
注：荷电稳定化指南见参考文献[4]和[5]。6.6强度测量及其重复性
6.6.1将6.3中安装的PTFE样品置于通常的测试位置。样品定位程序应遵循包含仪器厂家推荐在内的规程。
6.6.2选定6.5中要求的参数及由式(2)或式(3)确定的采集时间。对于ToF仪器，选定给出最大质量5bzxZ.net
GB/T436632024/ISO23830:2008
至少为800u的重复频率。质量扫描谱仪，如四极杆质谱仪和磁扇形质谱仪，只记录表1中所列质量峰，按质量升序排列。若C14F27和C15F2g峰总计数小于100,则增加采集时间以确保峰计数大于100，除非信号非常弱。为确保离子最大通量不溢出，可扩大扫描区域。最终选择的采集时间需兼顾数据质量和工作时长。记录所用参数。
注：最弱峰可能是C14F27和C15F29。对于强度弱的谱，重复性差，采集时间设定为10min。若最弱的2个峰计数都是100,对于95%置信水平，它们各自的重复性为20%。表1不同用途下各待记录碎片的质量序号
a一用于测量强度重复性；
b一同“a”，也用于质量标定；碎片
C14F27
C15F29
C一只用于测量相对强度标一致性。用途
(见说明）
161.990 4
6.6.3采集7张正离子谱，分析区域应为新鲜的材料表面，每次测量总离子通量小于1×1016ions/m(1×1012ions/cm2）。所有分析区域距离样品托边缘应大于1.5mm。若正方形扫描栅格的边长为R,则推荐扫描栅格的最小重复间距(中心至中心)为2.5R。注：扫描栅格R=200μm，则扫描栅格的最小重复间距为500μm，最小重复间隙为300μm。6.7计算强度重复性
6.7.1对于ToF谱仪，用表1中标有“b”峰的精确质量标定每一张谱的质量标。为便于辨认,在图2中用箭头标出这些峰。对于其他类型的质谱仪，确认每一个峰的最大强度峰位处于精确质量±0.1u范围内。如果质量峰的位置在此范围外，用规定的程序重新校准仪器。6.7.2为了确保强度标具有最佳线性，采用仪器制造商提供的死时间校准程序或其他实验室文件化的程序进行校准。
GB/T43663—2024/ISO23830:20086.7.3对于每一质量峰的7次测量中的各自测量值，在表1中确定的质量位置±0.5u范围内积分，计算死时间校准(dead-time-corrected)过的总强度。对于高质量分辨仪器，可减小此质量范围。记录此范围，并用于本文件后续的所有测量。记录7张质谱(j），13个质量峰(i)的峰面积(I）。对于采用镓入射离子的高分辨仪器，避免Ga*（68.9256u)混入CFs+峰中。Y4
标引符号说明：
x一质量(u);
Y一计数。
图2采用15keV镓的一次离子和ToF质谱仪获得的PTFE正离子静态SIMS谱，即采集SIMS谱所用的工作条件见附录A(图中箭头所指为用于标定质量标的谱峰）6.7.4按采集质量谱顺序，检查13个质量峰中每一个峰面积强度的7个值随时间的任何系统变化。这些变化可表明系统预热时间不合适、实验室温度变化、探测器电压不合适或其他漂移的原因。如出现以上情况，采取适当的措施(如增加预热时间)再重复6.6。6.7.5计算7张谱中每一质量峰平均强度，见式(5）。.（5）
式中：
Ij一第j张质量谱中的第i个质量谱峰的强度。然后将每一峰强度除以对应平均值(I）,得到每一峰的相对强度(P），见式(6）。Pay=
式中：
P一第j张质谱中第i个峰的相对强度；（6）
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