二次离子质谱（SIMS）是一项举足轻重的材料成分分析技术。其工作原理在于，以特定能量（范围从数百至数万电子伏特）的初级离子束撞击材料表面。当表面粒子（如原子、原子团、官能团及分子等）所获能量超越其与基体的结合能时，便会发生溅射现象，从而产生大量中性粒子以及少量的带电二次离子。其中，大部分为中性粒子（通常超过90%），而剩余的带电二次离子（通常少于10%）则被送入质量分析器进行定性分析。
SIMS技术擅长捕捉材料表面的详细信息。它能够精确探测到物体表面1nm之内的成分细节，检出限低至ppm至ppb级别，可以检测从氢到的所有元素及其同位素信息。该技术还能提供原子团、分子碎片等质谱信息，既适用于无机物的分析，也适用于有机物分子结构的解析。
目前，SIMS技术在半导体微电子、化学、生物、材料科学、矿物学、医学等多个领域均有所应用，且在某些领域已成为不可或缺的技术手段。SIMS的主要工作模式包括静态模式（SSIMS）和动态模式（DSIMS）。在SSIMS模式下，样品在低电子束能量和低束流密度下接受持续稳定的轰击，这样二次离子便拥有较长的弛豫时间。此模式常在超高真空环境中（约10-8Pa）进行，以确保单层离子信息的准确性，适用于有机物表面分析或基体表面有机物污染的分析。而DSIMS模式则涉及离子束溅射与质谱检测的同步进行，能在不同溅射速率和时间下分析样品不同深度的元素组成，其所需的电子束能量和束流密度更大，对样品的性也更强，但具备更广的深度范围和极高的空间分辨率。
在实际应用中，磁质谱、四极杆质谱、飞行时间质谱等均为常用的二次离子质谱分析器。其中，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）以其高分辨率特点领先于其他技术。在初级离子束脉冲信号的作用下，TOF-SIMS可得到全谱信息，极大地提高了二次离子的利用率，缩短了分析时间并降低了对样品的性。其分辨率可高达104，深度分辨率达1nm，微区分辨率则可达100nm²，二次离子浓度的灵敏度亦达到ppm级别。
以下图示展示了使用静态TOF-SIMS分析高分子聚酯所得的官能团分子碎片质谱图。微源实验室所采用的德国ION-TOF的先进TOF-SIMS仪器，为检测提供了全面而完善的SIMS技术解决方案。