ASI SHRIMP和CAMECA IMS:大型二次離子磁質譜發展簡史

耿科,李大鵬,尉鵬飛,蔡娜,謝偉,張巖,張嫚,劉強,張超,杜敬賢

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013;2.云鼎科技股份有限公司,山東 濟南 250101)

0 引言

自然科學研究往往有兩個大的發展趨勢,即宏觀化和微觀化。宏觀化研究致力于概括和總結事物的總體特征與一般規律;而微觀化研究則致力于探索各種物質的最小組成成分單元與微觀結構。地球科學也不例外,宏觀方向上研究大尺度的全球板塊構造與整個地球系統,而微觀方向上則深入具體巖石內部,去探索細小礦物中包含的各種成因信息。自從20世紀80年代初開始,一種微區原位分析儀器——SHRIMP的出現,引領了地球科學領域U-Pb同位素年代學分析的一場革命。SHRIMP是高靈敏度高分辨率離子微探針(Sensitive High Reso lution Ion Micro Probe)的首字母縮寫[1],是在地球科學領域應用廣泛的大型二次離子磁質譜之一,目前已經發展到第五代產品。它使用雙聚焦原理的扇形磁場和靜電分析器作為質量分析器,雖然體積較大,分析速度較慢,但擁有磁質譜通常具有的高分辨率、高靈敏度和優異的定量分析能力。目前全球首臺SHRIMP V已經在山東省地質科學研究院安裝完畢,正在進行調試。在此,筆者通過前人資料先行回顧一下ASI SHRIMP和其老對手CAMECA IMS的起源、發展過程,銘記科學巨匠們的卓越貢獻之余,也對大型二次離子磁質譜在地球科學領域的未來發展做一下展望。

1 二次離子磁質譜(M-SIMS)的起源與發展

早在1910年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的湯姆森(J.J.Thomson)在研究陽極射線時,就發現了二次離子效應[2],即離子撞擊固體表面會濺射出帶電的二次離子和中性粒子團,濺射出的離子表征了固體材料表面的元素組成[3],這成為日后二次離子質譜(SIMS)發展的理論基礎。其中,以扇形磁場為質量分析器的,稱為二次離子磁質譜(M-SIMS)。1949年,奧地利維也納大學教授赫佐格和學生維赫伯克在實驗室首次制造出二次離子磁質譜的原型[4],它使用陽極射線管作為一次離子源,轟擊樣品后產生的二次離子和被20kV的加速電壓提取,進入質量分析器[5]。通過分析二次離子的成分特征,就可以獲取樣品微觀的表面成分信息,這種革命性分析技術的出現,在核物理、材料、生物等方面迅速引起了微區原位分析的潮流。隨著1950年B-A真空計[6]、1958年渦輪分子泵[7]的發明,真空技術開始向極高真空(<10-9Torr)進軍,巨大的市場需求和真空技術的不斷進步促進二次離子磁質譜技術的飛速發展。

1958年,美國無線電公司(RCA)實驗室的霍尼格(R.E.Honig)研制出一臺Dempster型二次離子磁質譜,使用惰性氣體離子轟擊合金材料表面產生二次離子,通過半徑0.140m的180°扇形磁場進行質量分析,但是二次離子化產率比較低[8]。1960年,尼爾設計并試制成一臺非常小的高性能Nier-Johnson雙聚焦模型質譜儀用于稀有氣體同位素分析,采用了半徑僅有0.051m的永磁體扇形磁場分析器,大大降低儀器重量和能耗的情況下,靈敏度和分辨率比單聚焦質譜儀高幾倍,就此開啟了質譜儀小型化的發展方向[9]。1962年,法國圖盧茲大學教授卡斯汀(R.Castaing)和學生斯洛參(G.Slodzian)基于二次離子效應發展出了離子顯微鏡(Ion Microscope)模式的二次離子質譜儀,采用一次離子撞擊固體材料表面激發出二次離子,通過獨特的Castaing-Henry磁三棱鏡消除一階象差[10]和進行質量分離,最后被熒光屏接收而顯示圖像。1963年,為滿足美國宇航局(NASA)對阿波羅計劃所采月巖樣品的研究需求,美國地球物理公司(GCA)的利布爾(H.J.Liebl)和赫佐格(R.F.K.Herzog)制造出首臺離子探針(Ion Micro Probe)模式的(小型)二次離子質譜儀[4]IMS 101,使用檢測器獲得二次離子質量譜來研究被測樣品的表面同位素組成,計劃用阿波羅飛船送上月球使用。1967年改在美國應用研究實驗室(ARL)工作的利布爾又推出了市場化的離子探針分析儀IMMA[11],應用于鋯石的U-Pb年代學分析。

1968年,基于卡斯汀的技術,當時已經在電子探針領域做得風生水起的法國CAMECA公司開發出首臺商業化離子顯微鏡IMS(或SMI)300,采用O、N或惰性氣體作為一次離子,搭配轉彎半徑0.120m的磁三棱鏡(圖1a、圖1e)[12],質量分辨率可達1000。但離子顯微鏡模式限制了IMS 300在地質行業的應用,反而因為可以更方便地獲取深度剖面信息,在冶金和材料行業獲得了不少訂單[11]。

通常在二次離子質譜儀中,為了方便二次離子的提取,一次離子的入射角度一般被設計為25°～60°[13]。1972年,利布爾設計出了一種允許沿垂直于表面的方向同時轟擊一次離子和提取二次離子的裝置,前提是兩個離子束具有相反的極性,并且獲得的二次離子的能量遠小于一次離子的能量[14]。

1973年,IMS 300新增加了額外的靜電分析儀部件,將質量分辨率提高至3000。1978年,CAMECA推出了IMS 3F,采用了Nier-Johnson雙聚焦模型重新設計離子傳輸光路。后續又做了一些改進,如加裝一次離子磁過濾器、Cs離子源等(圖1b、圖1f)。IMS 3F獲得了巨大的成功,基本上壟斷了當時的磁二次離子磁質譜市場。而主要競爭對手利布爾的ARL公司則被迫于1977年倒閉[11]。1986年,CAMECA推出了IMS 4F,采用了新的Cs源,改用正射電子槍補償樣品表面電荷積累,增加了經典偏轉板以實現掃描圖像動態傳輸功能。通過改進真空系統,獲得了10-10Torr(1 Torr=1 mmHg=1.33322×102Pa)的真空,從而大大降低了H、O同位素的檢測限。1990年,CAMECA推出了IMS 5F,開始將原來控制離子光學器件調節的旋鈕替換成電控裝置。1994年,CAMECA推出了IMS 6F,更換了反應速度更快的扇形磁鐵分析器,提高了設備穩定性,換裝了更加靈敏的電子倍增器。2004年,CAMECA推出了IMS 7F,大大提高了圖像像素,實現了離子光學系統全自動化調節,使用全新的Windows系統操作軟件代替了原來的Unix系統軟件[11]。IMS F系列離子探針主要用于分析固體材料(特別是半導體材料)的表面化學成分特征,CAMECA后來又針對地球科學領應用推出了經過專門設計的IMS 7F Geo[4]。

a—MS 300[11];b—IMS 3F[12];c—NanoSIMS 50L;d—IMS 1300HR3;e—IMS 300[11];f—IMS 3F[11];g—NanoSIMS 50L; h—IMS 1300HR3;其中(c)(d)(e)(f)來自CAMECA官網資料圖1 歷代CAMECA SIMS外觀及結構

2 SHRIMP的起源與大型二次離子磁質譜發展

1967年,澳大利亞國立大學地球科學研究院教授康普斯頓(W.Compston)和他的博士生克萊門特(S.Clement)成功設計了一臺高靈敏度熱離子質譜儀(TIMS),康普斯頓也因此被NASA選中成為阿波羅計劃月球樣品的研究者[15],并使用全巖Rb-Sr法成功獲得了月球玄武巖的等時線年齡。然而通過全巖分析測出來的年齡很可能由于存在多世代礦物而變成混合年齡,這使得對全巖年齡的解釋變得復雜和困難。

20世紀70年代初,隨著二次離子質譜儀的快速發展,地球科學研究也隨之進入了微區原位時代。由于能夠使用盡可能微小的一次離子束轟擊礦物微區表面,收集濺射二次離子成分中U、Pb同位素含量進行分析,從而避免了樣品溶解處理的復雜流程和多世代礦物對年齡解釋的影響,二次離子質譜儀成了地質年代學研究的最佳選擇。然而當時市面上的主流質譜儀廠商都在致力于研發小型儀器,新推出的產品越來越小巧。康普斯頓意識到,雖然小型儀器的分辨率可以達到5000甚至幾萬到十幾萬,然而在地質行業上卻并不實用,要獲得很高的分辨率,必須使用盡可能小的離子源狹縫和接收器狹縫,而過小的狹縫會嚴重降低二次離子的傳輸效率,無法獲得高靈敏度[1]。他讓克萊門特設計一種更加適用于地質行業應用的二次離子質譜儀。后者經過研究認為,用于天然硅酸鹽礦物U-Pb定年分析的質譜儀既需要高質量分辨率,分離復雜二次離子質譜中的同質異位素干擾,又需要高靈敏度,以便能夠檢測微量元素和準確測量同位素比值。而要同時獲得高分辨率和高靈敏度,必須采用相對較寬的離子源狹縫,同時使用半徑盡可能大的扇形磁場分析器[16],因此設計出的二次離子質譜儀將不可避免地大型化。1977年,在德國明斯特舉行的第一屆國際二次離子質譜學會議上,康普斯頓首次提出了SHRIMP的原始概念和設計方案[17]。到了20世紀70年代末期,隨著超精密機床技術的迅速發展,美、英、德等國逐漸完善了對各種高精度復雜零件、光學零件、高精度平面和曲面的加工技術,制作大型二次離子質譜儀的理論與技術條件均已成熟。

1980年,第1臺SHRIMP(也是唯一一臺SHRIMP I)在澳大利亞國立大學(ANU)研制成功。最開始的一次離子源采用Ar+/O-雙離子源,幾年后又將Ar+源替換成陰離子化產率更高的Cs+離子源。考慮到最大化二次離子產率,SHRIMP I沒有采用利布爾1972年的垂直轟擊設計,依然沿用傳統的45°入射角度。除了使用兩個光圈-單透鏡組合的臨界聚焦模式(Critical illumination)外,還能通過使用三個光圈-單透鏡組合的科勒聚焦模式(Kohler illumination)來降低像差,并在被測礦物表面形成一個約20μm大小邊緣清晰的平底坑,這對于消除表面影響很有好處。二次離子提取系統包含兩級提取透鏡和一個單透鏡,能夠同時實現聚焦功能。這臺儀器運用了Schwarzchild反射顯微鏡系統,允許在分析過程中直接觀察樣品的反射光圖像。顯微光學系統與離子光學系統采用共軸設計,只要通過對樣品靶進行光學聚焦,離子光學器件也會同時對準。分析器布置則采用松田久1974年設計的二階雙聚焦質譜儀模型[18-19]。受限于當時的制造能力,采用了轉彎半徑為1.000m的扇形磁場分析器和半徑為1.272m的靜電分析儀,以及二者之間的四極桿透鏡。二次離子通過一條接近7m的超長路徑到達單接收器,實現了同時大幅提高分辨率(約10000)和離子傳輸效率[17],從而滿足地質年代學研究的需求(圖2a、圖2f)。SHRIMP實現了對鋯石進行快速微區原位近乎無損的分析,在之后的近三十年內引領了微區U-Pb年代學的發展[4,20]。

1989年,英國VG公司宣布將與劍橋大學聯合研制一款代號為ISOLAB 120的超高靈敏度大型質譜儀,可以采用熱電離、離子轟擊或二者相結合的激發方式使樣品離子化,采用靜電分析儀-扇形磁場分析器-靜電分析儀的三聚焦離子光路設計,其中靜電分析儀半徑預計可達0.960m,扇形磁場分析器半徑更是突破性地達到1.200m,從而實現很高的分辨率(理論極限可達50000)[21]。但實際上制成的樣機扇形磁場分析器半徑只有0.600m[22]。隨著20世紀90年代初VG公司被收購,ISOLAB 120項目也隨之下馬,未能實現商業化[11]。從此地球科學領域應用的商業化大型二次離子質譜儀只剩下ANUTECH(ANU下屬校辦企業,澳大利亞科學儀器公司ASI的前身)與CAMECA兩家相互競爭。他們相繼升級各自的產品,靈敏度、分辨率和自動控制等方面都在逐漸提高[4]。

1990年,SHRIMP Ⅱ問世,在保留一代基礎設計的基礎上,針對使用過程中的一些問題進行了改進,通過移除中間提取透鏡、用四極桿透鏡代替原有的單透鏡、更改一次離子束的默認設置為科勒模式以及其他一些優化,SHRIMP Ⅱ與I代相比獲得了大約2倍的離子束強度和二次離子靈敏度[17]。開始只安裝了O離子源,使用維恩質量過濾器來實現O2-、O-、O+一次離子的切換(圖2b、圖2g)。基于Labview開發了高度集成化的主程序,可以對幾乎每一個離子光學、接收器元器件的電壓、電流、位置等參數進行調整,增加了可操作性的同時也能夠支持程序員遠程控制檢修與維護升級,大大提高了使用效率。SHRIMP Ⅱ由ANUTECH公司推向了商業化,獲得了巨大的成功。

a—SHRIMP Ⅰ[16];b—SHRIMP Ⅱ/Ⅱe[17];c—SHRIMP RG[17];d—SHRIMP SI[18];e—SHRIMP Ⅴ;f—SHRIMP Ⅰ; g—SHRIMP Ⅱ/Ⅱe;h—SHRIMP RG;i—SHRIMP SI;j—SHRIMP Ⅴ;其中(f)(g)(h)(i)來自SHRIMP官網資料圖2 歷代ASI SHRIMP外觀及結構

1987年,獲悉ANU正在開發SHRIMP Ⅱ之后,CAMECA公司也上馬了相應的大型二次離子探針項目,于1992年推出了IMS 1270。它同樣采用Cs+/O-雙離子源,半徑0.585m的扇形磁場分析器,離子光路上借鑒了IMS 4f的設計原理,在扇形磁場分析器和靜電分析儀之間采用一系列平面鏡、單透鏡和六極桿組合,實現了聚焦和消除二階像差功能。之后的儀器升級包括更換數據處理器、增強磁鐵、改進透鏡,并于1996年換裝了5通道多接收器。相鄰通道之間的距離(軸間距)最小可調至5.5mm,這使得IMS 1270非常適合測量O、S、C等穩定同位素[4]。然而ANUTECH在為SHRIMP客戶提供儀器技術服務的同時,ANU也能同時為他們提供更加專業的地球科學知識和學術方面的合作,而CAMECA在這方面存在先天不足[11]。

1997年,SHRIMP RG(SHRIMP Ⅲ)在澳大利亞國立大學初次組裝。它大致采用了松田久在1990年提出的全新雙聚焦離子光學設計,采用了反向幾何結構,即將扇形磁場分析器置于靜電分析儀之前,并且需要在磁鐵之前使用雙聯四極桿和六級桿透鏡(圖2c、圖2h),從而能夠把三階相差降到最低。這樣,在保持離子源和接收器狹縫近似相等、靈敏度相同的情況下,質量分辨率可以達到SHRIMP Ⅰ設計結構的四倍(在離子源狹縫和接收器狹縫都是100μm的情況下,SHRIMP RG可以達到20000的質量分辨率,而SHRIMP Ⅰ只有5500)[17],特別適用于分析需要非常高質量分辨率的稀土元素和Hf等同位素。離子源、樣品艙和單接收器基本沿用SHRIMP Ⅱe的成熟設計。2000年修正了四極桿透鏡的安裝設計,使離子束聚焦的效果大大改善。由于市場需求不大,SHRIMP RG最終只生產了2臺(除ANU外,另一臺在美國斯坦福大學)。

1999年,SHRIMP Ⅱ通過加裝多接收器升級成SHRIMP Ⅱ-MC。新設計的5通道多接收器,由固定在中央軸線上的3個檢測通道和兩邊各1個可移動的檢測通道組成。固定的3個檢測通道相互之間相差1個質量數,可用來同時接收206Pb+、207Pb+、208Pb+,并可替換成一個大型ETP電子倍增器實現單接收切換(圖2b)。正中間和兩邊的檢測通道可以實現電子倍增器和法拉第杯之間的自由替換以適應不同強弱的信號。增加了磁場循環功能,以便多接收器可以同時測量238U+和206Pb+[17]。2000年,又很快通過換裝Cs+作為正離子源以提高陰離子化效率、增配電子槍以解決樣品表面電荷積累問題、更換先進電子設備、增加IVMS智能真空控制系統、借助德國SmarAct微型移動控制馬達實現樣品微米級自動定位、增加了樣品自動分析系統、增強磁場控制系統和高壓電源升級成為SHRIMP Ⅱe-MC。除此之外,北京離子探針中心還基于SHRIMP Ⅱ打造了大型科學裝備遠程共享平臺,實現了微區原位定年的遠程操作[23]。SHRIMP Ⅱ/Ⅱe(-MC)是生產最多的SHRIMP,目前總共生產了16臺。

2000年,CAMECA公司在斯洛參等1991年提出的納米離子探針(NanoSIMS)設計概念[4]的基礎上推出了第一臺商業化納米離子探針NanoSIMS 50,采用利布爾1972年的一次、二次離子光路共軸設計(圖1c、圖1g),使微區原位離子成像分析的空間分辨率從微米級突破性地提高到納米級。其研制初衷是面向細胞生物學應用,后來在比較行星學、地球科學、材料科學等方面獲得了廣泛應用。

2005年,在IMS 1270的基礎上,CAMECA公司推出了IMS 1280,并通過不斷優化設計,進一步提高分辨率和離子傳輸效率,于2009年升級為IMS 1280HR[4]。其采用了樣品表面吹氧技術,大大提高了鋯石的Pb+二次離子產率,顯著提高了測試靈敏度;配置了高精度核磁共振控制器,可以精確控制磁場漂移;在質量分辨2000的條件下,幾乎可達到100%的離子傳輸效率;其最高質量分辨率達50000[24]。IMS 1280和IMS 1280HR是目前在地球科學領域應用最多的IMS系列產品。

2012年,SHRIMP SI(SHRIMP Ⅳ)在澳大利亞國立大學完成組裝,專門為測量輕同位素設計。它恢復采用松田久1974年的經典二階雙聚焦離子光學設計,通過減小艙室容積、多艙室梯級泵吸,使樣品艙真空度降低兩個數量級達到10-8Pa(約合0.75×10-10Torr),并能有效減少大氣水的進入和干擾,提高H、O同位素分析精度。恢復設計SHRIMP Ⅱ時移除中間提取透鏡,新增浸沒透鏡,可以使臨界模式下的束斑大小縮小至1μm。增加了幾組控制離子束的偏轉板來控制像差。采用了優化通道間距的3通道多接收器[17],后來又增加了1個輔助通道,使其可以更方便地接收S同位素(圖2d、圖2i)。新增加了靜電計充電檢測模式,可以對痕量同位素比值36S/32S進行測量[25]。SHRIMP SI沒有推向市場,只有1臺原型機供ANU地球科學研究院使用。

2015年,CAMECA公司推出了IMS 1290,最大的改進是使用由美國俄勒岡大學下屬物理公司(Oregon Physics)新研制成功的Hyperion Ⅱ射頻等離子體離子源[26],使理論一次離子束密度一躍提升為原來雙離子源離子束的10倍。這將允許在高斯聚焦模式(Gaussian mode,大致相當于SHRIMP的Critical聚焦模式)下使用2～3μm的更小束斑[27],在實現提高空間分辨率的同時并能達到更高的質量分辨率(全高平頂峰寬質量分辨率約為40000)。同時,略微增大了樣品架尺寸以適應更大的樣品。

2016年,為滿足環境和地質學家的分析需求,CAMECA公司推出了最新產品IMS 1300-HR3(圖1d、圖1h)和KLEORA。二者均配有自動樣品室,可實現無人值守狀態下的多樣品分析;使用新的紫外線光學照明系統提高了光學成像質量和樣品定位精度;提高了數據重現性。其中IMS 1300-HR3可用于復雜地質樣品中低濃度微(痕)量元素的檢測,如硫化物中36S/32S的比率;而KLEORA則使用高二次離子傳輸效率的設計,更加適用于U-Pb同位素定年。

2017年,ASI公司開始了最新一代的SHRIMP Ⅴ設計,將SHRIMP Ⅱe的靈活性和可靠性與SHRIMP SI的高真空度結合起來,并對離子光路加以改進。離子源方面由于無法同Oregon Physics公司達成合作,暫時沿用現有的雙離子源,同時積極研發新的射頻離子源。使用了新的5通道多接收器,除了中央通道,另外4個通道均可實現自由二維移動,各通道均可實現電子倍增器和法拉第杯之間的自由切換(圖2e、圖2j)。在科勒聚焦模式下可實現6～30μm的O/Cs雙離子束斑,測量同位素質量數范圍為6～350,在100μm源狹縫、50%離子傳輸效率下條件下,1%峰高最大質量分辨率可達10000。2019年底,SHRIMP Ⅴ在ASI公司完成了初步調試,各項參數基本達到了設計指標,成功交付山東省地質科學研究院。由于疫情影響,原計劃2020年初的調試和試運營時間被大大推遲。經過多方不懈的協商和努力,隨著國內疫情管制政策放開,2023年4月4日ASI安裝小組終于抵達濟南正式開始SHRIMP Ⅴ的安裝工作,5月底已經安裝結束,轉入調試階段,目前已進入運行階段。

3 SHRIMP的貢獻

SHRIMP問世以來,在探索地球最古老物質和行星早期演化過程方面做出了突出貢獻。在地球早期演化歷史研究方面,國外學者利用SHRIMP獲取了大量始太古代甚至冥古宙的年齡紀錄。1983年,弗勞德(D.O.Froude)等在西澳大利亞Mt Narryer的石英巖中,發現了4顆4.1～4.2Ga(1Ga=109年)的碎屑鋯石,這是人類首次發現冥古宙的同位素年齡[28]。1986年,康普斯頓等在西澳大利亞Jack Hills的沉積變質帶中發現了一顆(4276±6)Ma的鋯石年齡,并且該地區的老鋯石出現頻率大約是Mt Narryer的5倍,推斷Jack Hills地區很可能存在約4.3Ga之前的鋯石[29]。2001年,康普斯頓的預言獲得了應驗,澳大利亞科廷大學地質系教授維爾德(Simon Wilde)利用SHRIMP Ⅱe在Jack Hills石英巖中發現了一顆年齡為4.4Ga的碎屑鋯石[30],這是目前地球上所發現的最老年齡記錄。國內學者也做了大量的工作,早在1992年,劉敦一等就利用SHRIMP I對華北陸塊進行同位素地質年代學研究,并在鞍山地區發現了3.8Ga的正片麻巖巖體[31]。之后許多學者利用SHRIMP對國內前寒武紀地質體進行了大量研究,目前,國內最古老巖石為鞍山東山地區的3.8Ga奧長花崗巖,而最古老的鋯石(4.1Ga)則來自于西藏普蘭地區的奧陶紀石英巖[32-33]和華夏地塊龍泉地區的云母石英片巖[34-35]。山東省內最古老巖石則為來自于萊州地區的2.9Ga條帶狀英云閃長巖和片麻狀閃長巖[36]。這些古老巖石和鋯石的發現,填補了早期地殼演化歷史,對研究地球早期演化過程提供了必要的證據和制約,并對區域巖漿演化時間格架的厘定起到了至關重要的作用[37-49]。此外,SHRIMP還在分析了大量的阿波羅14號和17號飛船帶回來的月球樣品[50],從月壤中的微小鋯石、磷灰石、火山玻璃中識別出了許多新的月球撞擊事件年齡記錄[51-53],據此重建了月球巖漿演化格架,給人們正確認識早期月球早期演化過程提供了新思路。

4 未來展望

進入21世紀以來,CAMECA公司先后多次被收購,最終于2007年被美國阿美特克公司(AMETEK)收入囊中,所幸IMS系列產品線被完整地保留下來。而ASI由于校辦企業體制的原因也出現了運營困難問題,目前已經將SHRIMP系列的下一步開發、銷售和維護工作轉讓給了中國敦儀科技公司(DTDC)。可以預見,在未來十年或更久的時間里,SHRIMP和IMS系列大型二次離子磁質譜還會繼續在地球科學領域內競爭下去。

按照目前分析技術的發展趨勢,未來大型二次離子磁質譜至少有3個發展方向:一是實現更高的空間分辨率,即一次離子束斑小型化。雖然目前SHRIMP和IMS都在積極探索5μm甚至更小束斑進行測試的可能性,但為了保證獲取數據的質量,常規分析更多的還是要用20μm束斑。小束斑對于更加精細研究U-Pb年代學和穩定同位素示蹤的重要性不言而喻,假如科勒模式下束斑可以縮小至1μm甚至更小的納米級,分析鋯石晶體中每一條環帶的年齡或礦物微小裂隙里充填硫化物的硫同位素特征將不再困難。在離子光學設計和接收器靈敏度沒有大革新的情況下,縮小束斑大小而又不降低二次離子傳輸效率,大多數情況只能通過提高一次離子密度來實現,即要大幅提升離子源亮度。二是獲得更高的質量分辨率和靈敏度。更高質量分辨率可以對質量數間隔更微小的波峰進行分離識別,更高靈敏度可以對樣品中含量更低微的痕量同位素進行測定,這都可以大大拓寬二次離子磁質譜的應用范圍。假如靈敏度高到可以對含量<100ppb的Re、Os進行測量,那么微區原位的Re-Os測年將不再遙遠。三是積極推廣在其他行業里的應用。除了目前已經成熟應用的高U礦物測年和傳統礦物穩定同位素分析,未來可以期待二次離子質譜儀在低U礦物測年、化石石鐘乳貝殼等碳酸鹽微區原位穩定同位素連續分析、以及材料學等其他行業應用,關鍵可能在于改進進樣系統以容納更加多樣性的樣品靶。