TOF-SIMS在聚合物薄膜和涂层的光谱分析

飞行时间二次离子质谱（ Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry ，TOF-SIMS）是通过高能量的一次离子束轰击样品表面，使样品表面的原子或原子团吸收能量而从表面发生溅射产生二次粒子,这些带电粒子经过质量分析器后就可以得到关于样品表面信息的图谱。

SIMS用于在超高真空条件下分析固体样品中元素、分子和同位素的分布和相对浓度，是zui灵敏的表面分析技术之一。SIMS可用于成像、光谱分析和深度剖面/三维分析。

光谱分析模式可用于评估聚合物涂层的组成及其横向均匀性，同时能够检测和量化聚合物表面功能基团的密度。作为一种简便而强大的技术，光谱分析在表征通过表面反应制备的聚合物涂层方面具有重要应用，例如聚合物刷和等离子体聚合膜。聚合物刷通常用于调节基底的化学性质，并通过接枝或去除反应进行制备。光谱分析可以通过评估不同蚀刻深度下刷子的成分来探测其结构，这对于表征块状共聚物刷子的有序性具有重要意义。此外，表面光谱分析还可以通过绘制表面成分图来检验样品内部及不同样品之间的组成均匀性。这些数据可以为移植物的供体或受体移植方案的发展提供信息。例如，Schulz等人通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）技术，将超薄聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAM）刷子成功转移至硅基底上。光谱分析结果证实，每个样品的表面均成功生长出薄PNIPAAM刷子，并且在激活剂/抑制剂（[Cu(II)]0/[Cu(I)]0）比率范围内，刷子的化学组成保持一致。等离子体聚合是一种常用的技术，用于在基底上制备薄而机械强度高的膜层。光谱分析能够确定等离子体聚合涂层是否与商业可获得的聚合物（即溶液中合成的聚合物）具有相同的化学性质。例如，Oran等人的研究表明，等离子体聚合聚(烯丙月安)涂层的化学性质依赖于所采用的等离子体条件，与商业参考材料存在显著差异。这一现象被归因于不同材料中分支和交联程度的不一致。

光谱分析能够有效检测聚合物膜表面的官能团，并通过校准曲线精确量化其覆盖度。Hadjesfandiari等人利用光谱分析为血小板储存袋的抗菌涂层设计提供了重要依据。具体而言，他们成功检测到低浓度的抗菌肽（AMPs），该肽与聚合物涂层形成共价结合，且进一步验证了AMP在整个表面上的均匀分布。Kim等人通过光谱分析法量化了等离子体聚合乙二胺薄膜表面的胺密度，该方法可通过调节等离子体功率进行优化。他们的方法采用了一条校准曲线，将二次离子信号与通过红外（IR）和紫外-可见（UV-vis）吸收光谱确定的胺密度相关联。由于胺不吸收紫外-可见光且在IR中提供的信号较弱，因此这些基团与化学标签（苯甲醛）反应，为每种技术提供强烈信号。此外，在TOF-SIMS测量中也检测到了相同化学标签的碎片。作者识别出两种与表面胺密度呈正比的二次离子信号，如上图所示。该研究表明，ToF-SIMS可以有效结合表面衍生化技术，以进行表面功能性的定量分析。然而，需要采用诸如UV-vis、IR或XPS等独立方法来校准信号。