从TOFWERK这个名称来看，就能大致联想到这是一家专注于研制TOF（time of flight飞行时间）的质谱公司。在高手林立的TOF市场上，如何做出独特且市场需要的分析产品和解决方案？TOFWERK给出了完美的答案。
在2023年第71届ASMS大会上，分析测试百科采访了TOFWERK首席商务官Joel R Kimmel博士，他不仅分享了著名的Vocus CI-TOF质谱特点，还介绍了TOFWERK在环境监测、半导体、材料、食品等领域的众多创新产品。进入更多未被开垦的新领域、新场景，让TOF更Work！希望Joel的分享为大家带来新的启示。
TOFWERK的Joel R. Kimmel博士（左）和分析测试百科网总经理卞利萍（右）
TOFWERK的公司名称非常清晰明了。TOF指飞行时间，WERK是德语，和英语WORK同义。TOFWERK创立于2002年，总部位于瑞士图恩市，去年刚刚举办了公司成立20周年庆典。
最初，TOFWERK专注于飞行时间质谱设计、研发，生产高品质高规格的TOF分析仪，主要模式是OEM给其它合作伙伴或集成商，通过他们销售产品。多年来，TOFWERK向其中一些合作伙伴交付的产品范围不断扩大，不仅为他们提供各种类型的TOF分析器，还提供接口、离子源和软件。2015年，TOFWERK开始提供整机产品，并以TOFWERK的品牌向客户销售。当前，两种模式仍然并存，一半是OEM业务，一半是TOFWERK品牌整机业务。
谈到TOFWERK发展的重要里程碑，Joel R. Kimmel表示，在从OEM到最终用户的发展过程中，各种产品的发布就是TOFWERK的里程碑，代表着TOFWERK的不断进步。
一个非常重要的里程碑是2022年的TOFWERK的20周年庆典。“我感到非常自豪的是，这20多年来，TOFWERK的创始人仍然在经营公司。TOFWERK和我们一起成长并将持续成长和壮大。” Joel R. Kimmel说。
2022年的另一个里程碑是，TOFWERK与布鲁克建立了战略合作关系，为下一代高速、超灵敏的分析带来创新的解决方案。“这对我们来说是一个巨大的、振奋人心的变化。基于 TOFWERK 和布鲁克开发的超高灵敏度和可移动化 PoN 分析技术，进一步加速了工业和应用市场中紧凑、高速飞行时间质谱解决方案的商业化。” Joel R. Kimmel说道。
目前，在进行战略投资后，布鲁克成为股东之一，而TOFWERK与布鲁克保持完全独立。双方在质谱分析方面达成了一致的共识。在生命科学质谱方面, 布鲁克的技术非常强大；同时布鲁克有一个不断增长的领域，称之为应用质谱仪，应用在工业、空气和环境等领域。“布鲁克为我们带来了市场专业知识，帮助我们扩大公司规模、做出战略决策，增强了根据市场需求研发产品的能力。而我们增加了布鲁克的技术组合，为其应用市场带来了更丰富的解决方案。“
Joel R. Kimmel表示，“双方的合作有良好的基础和共识。TORWERK在小型、便携式、坚固耐用的质谱仪方面拥有丰富的专业知识。当你环顾四周时，你会意识到我们正在让质谱产品离开实验室，放入货车里，或者应用到工业场景中。布鲁克看到了我们的实力，了解到TOFWERK在这些应用场景的出色表现。同时布鲁克也带来了我们感兴趣的一些技术。比如，可以想象TOFWERK的化学电离系统与DART技术相结合，实现实时在线的直接分析。双方还合作开发并将联合推广EC-TOF产品(https://www.tofwerk.com/products/ec-tof/)，为双方的客户带来创新的解决方案。”
此外，近期TOFWERK与赛默飞合作，为客户提供iCAP TOF质谱仪，将赛默飞的iCAP型ICP-MS与TORWERK的TOF相连接，利用TOF替代四极杆，在单颗粒单细胞和生物/地址快速成像方向应用广泛。“在中国，我们与赛默飞中国团队合作，他们从2023年起在中国直接销售和推广这款产品。这是一个非常令人兴奋的新合作伙伴关系，是TOFWERK的又一个里程碑”， Joel R. Kimmel说道。
关于未来的技术趋势，Joel R. Kimmel说道，“这关键在于TOFWERK将TOF技术带到了哪里。” TOF的优势在于速度和灵敏度，可以非常快地获得全谱，TOFWERK在发扬上述优点的同时，实现了每种技术的稳定可靠。“作为一家公司，TOFWERK一直在追求实现TOF的速度。目前，TOFWERK已经在高性能质谱仪方面走在了前列，走出了实验室，进入了恶劣的应用环境。”
电感耦合等离子体-飞行时间质谱仪（ICP-TOF-MS）将电感耦合等离子体(ICP)电离特性与飞行时间质谱仪高分辨率、高灵敏、快速扫描等优点相结合，可实现近百种元素及同位素分析。“之前的ICP质谱大多为四极杆或磁质谱，ICP-TOF将形成一个新兴的市场。”Joel R. Kimmel说道。TOFWERK的 icpTOF质谱仪每30微秒采集一张完整质谱图，是目前记录快速瞬态信号的最佳质谱检测器，在地质和生物表面分析等领域，可用于单个纳米颗粒、流体包裹体、激光剥蚀成像等研究。
TOFWERK的 icpTOF质谱仪
ASMS上，TOFWERK联合Bruker展示EC-TOF质谱仪：搭配EI和CI双电离模式，同时适用于靶向和非靶向物种分析。 “EC TOF，我们叫它概念仪器，已经做了很多演示。TOFWERK一直在与布鲁克合作，共同探索新的市场。“Joel R. Kimmel说道。EC-TOF质谱仪同时组合了实时CI软电离技术和传统色谱-EI-TOF技术，在同一台仪器上，在快速捕捉样品变化的同时，提供了最高准确性的样品定性信息。
EC-TOF示意图：同时获取实时CI电离数据和经典的色谱-质谱联用数据
基于高达100 Hz的离子通道切换技术，色谱分离后的样品分流后，分别进入EI源和CI源，并利用同一台飞行时间质谱仪、只作一次试验即完成数据采集和记录。在利用色谱-EI-TOF实现标准化分析的同时，CI技术实时同步记录了样品中组分变化和浓度趋势。
“TOFWERK是非常幸运的。在相当长的一段时间里，由于中国对大气科研和监测的强烈驱动，TOFWERK在中国拥有了庞大的客户群。” 谈到中国和欧美市场的异同时Joel R. Kimmel说，“无论是研究和监测，中国市场都是我们接触最多、合作最多的。由于中国在移动监测的前瞻性，中国市场一直是我们新产品的早期采用者。在进入监管领域之前，中国的学术领域也已经引入了很多移动应用的想法，这是令人兴奋的，各地的空气质量监测需求类似，中国的应用将向世界传播。”
除此之外，中美两国的科研人员非常相似，都是试图解决新问题、寻找最新技术的人。我们看到很多团队都站在最前沿、考虑新技术、推动新应用，比如生物组织成像等。
因此，各国对先进科学的追求是相似的。当然，多年来的工作，我们看到中国的发展非常快，是一个非常重要的开展尖端科学的市场，比如前文提到的TOFWERK与赛默飞中国的直接合作。
对TOFWERK这家欧洲公司来说，在当地开展业务非常重要。拥有本地服务人员，发展本地应用，成为当地社区的一部分很重要，这样才可以获得客户的信赖。TOFWERK在2019年在南京设立了分公司——南京拓服工坊科技有限公司，正在努力为中国提供更多本地化的解决方案和更及时的售后服务。
Joel R. Kimmel介绍了TOFWERK的三个关键市场方向。
第一个方向对中国非常重要，就是空气质量监测。“我要再次赞扬中国在这方面的大量投资，并提出需要更先进的仪器来测量空气质量，不仅仅是传感器，还需要强大的质谱仪。” Joel R. Kimmel说道。
空气质量监测对TOFWERK来说是一个潜力很大的增长领域。TOFWERK在美国、欧洲和中国都有团队，均致力于继续发展该项技术。TOFWERK在中国的粉丝众多，比如与中科三清（TOFWERK在VOCs走航市场在中国的一个重要合作伙伴）的合作，提高园区和市区空气质量。TOFWERK并积极参与同监管部门合作，参与VOCs走航，恶臭监测以及走航溯源等标准的数据采集比对及文本编制，并着眼于未来，开发应对新出现的污染物如PFAS的监测方案，近期美国PFAS是一个非常热门的话题。
第二个方向是半导体制造。TOFWERK正在继续发展，保证半导体制造纯度的解决方案。
第三个很有潜力的方向是葡萄酒软木塞分析，涉及食品风味领域。真正的食品质量控制，涉及到食品供应链、质量、纯度和健康。
对于中国，最大的战略方向是空气质量，其次是中国的半导体行业。TOFWERK还正在努力建立亚太区域办事处，进一步做好本地化支持和服务。
Joel R. Kimmel接下来介绍了TOFWERK的几款代表产品。
Vocus CI-TOF是原Vocus PTR-TOF的升级产品。在ASMS上，TOFWERK在ASMS的展台上展示了Vocus样机，展示了其显著特点：无需样品制备，无需色谱，直接取样，软电离技术，实时测量并报告挥发性有机化合物的浓度，检测极限低至万亿分之一（pptV）。
Vocus最特色的电离技术是质子转移反应（PTR）电离，它是一种‘软’电离方式，可实现VOCs秒级响应和在线分析。PTR电离法一般以水合氢离子（H3O+）为母离子，待测物只需满足其质子亲和势大于水（691 kJ/mol）即可以被PTR电离。与其它技术相比较，PTR的优势为：大气环境中存在的绝大部分VOCs都可被电离，电离效率较为类似，响应值相对统一，这使得对于一些无法通过外标样定量分析的物质可以根据其反应常数和反应条件来‘估算’相应的响应值，进行 ‘半定量’浓度分析。例如，“半定量”分析法用于园区定点监测和走航PTR仪器，可在未知污染源现场‘估算’出一个误差可控的合理浓度数值，提高检出结果的准确度，这是其它电离技术无法做到的。
Vocus 麒麟CI-TOF实时在线化学电离质谱
作为一种实时分析质谱，Vocus具有几大特点和优势。首先，直接采样实时分析，无需色谱分离。其次，便携可移动，实现快速现场分析。第三，高灵敏度，对挥发性有机物（VOCs）和无机物（VICs）实现定性定量分析，具有亚ppt级的检出限。第四，分辨率最高可到15000，是当前走航质谱中最高的。
Vocus采用多种化学电离CI反应腔，如Aim反应腔、PTR反应腔。可在同一反应腔中快速切换不同试剂离子，试剂离子切换时间可以快至50-100毫秒（Aim反应腔）或小于10秒（PTR反应腔）。
谈到应用，Joel R. Kimmel表示，在中国的环境监测中，Vocus坚固、模块化、高度集成的整机设计，确保测量不会受限于观测点位以及操作环境变化，可以放在走航车或其他交通工具上进行移动监测，可迅速判断污染的来源并研究下风向烟羽内的后续化学过程。这说明中国站在了移动空气质量分析的最前沿，超过了欧洲和美国。TOFWERK在中国销售Vocus取得了很大的成功。这其中，众多的中国大气科学团队从2008年北京奥运会保障开始就在使用TOFWERK仪器开展大气研究，而Vocus CI-TOF是当中的关键成员之一。因为Vocus灵敏度很高，可以现场测量数千种挥发性有机化合物，比如一次排放污染物以及二次光化学中间产物等。所以，Vocus可满足研究和监测两大领域的需求。
食品风味上，葡萄酒可能会被软木塞上一种叫做TCA的化合物破坏，使得风味大变，因此软木塞的纯度非常重要。但世界上有成千上万的软木塞，如何在线快速地检测每一个软木塞？将快速、灵敏的Vocus质谱仪与工业规模的自动进样器和分拣机联用，TOFWERK推出了Vocus软木塞分析仪，可检测每一个软木塞的TCA及其他异味物质的存在，并根据检测到的浓度自动对软木塞进行分拣。
Vocus软木塞分析仪
Vocus软木塞分析仪是一种高通量工业解决方案。 工业型自动进样器和分拣器，每天可自动处理>15000个软木塞。数秒内实现痕量检测，小于5秒内定量检测每个天然软木塞中低于嗅阈值的TCA含量。根据可调嗅阈值对软木塞进行分拣。 分析后的软木塞被分拣到精确的TCA浓度类别。
此外，Covid-19流行期间，Vocus还用于呼出气体的分析，检测呼气中的复杂化学成分变化，帮助疾病诊断。
半导体制造上，随着芯片越来越小，制造过程中对纯度的要求也越来越高。为了保证芯片功能大小的准确性，就要求测量出从未见过的所有化合物，并需要极高的灵敏度。在半导体制造过程中，需要严格监测污染物，保证质量控制，避免设备污染造成的产品损坏、成本增高和产量降低。
pgaTOF质谱仪，实现半导体制程中气体组分的高灵敏度实时分析
TOFWERK推出了pgaTOF过程气体分析质谱仪，通过目标气体分析，致力于关键半导体应用运行条件监控和调整优化。pgaTOF适用于多种半导体应用场景反应器健康状态（RHS）监控，反应终点监测、等离子体诊断和过程优化。它采用快速灵敏的飞行时间（TOF）质谱分析仪，以‘亚’秒级采集效率进行全物种全谱检测；具有宽动态响应范围，可瞬时全谱检测制程反应过程中所有前体物，中间和最终产物以及其他杂质。同时具有高可靠性、高移动性和长期稳定性。
在ASMS上TOFWERK推出了结合离子淌度装置的Vocus CI-IMS-TOF，用于空气质量、食品、和香料的快速分析，其特色是可检测同分异构体的种类和数量。
TOFWERK Vocus-IMS-TOF仪器的示意图。蓝色和橙色离子路径分别表示TOF单独测量和IMS-TOF测量
Vocus CI-IMS-TOF中，首先由Vocus化学离子源产生母离子，同待测物分子碰撞后产生产物离子，随后产物离子被引入IMS分离室。分离室中充满惰性缓冲气体（如氮气、氦气等），在3毫巴压强条件下，产物离子沿着9米长的蛇形路径单向移动。离子的移动由弱电场调控。碰撞截面积小的离子以较小的摩擦力穿过缓冲气体，相对于碰撞截面积较大的离子更早到达漂移区末端。离子在IMS漂移区中移动的总时间被称为IMS迁移时间，其与分子的碰撞截面积（CCS）负相关。Vocus CI-IMS-TOF使用的是由太平洋西北国家实验室（PNNL）开发的无损离子操作（SLIM）专利技术，SLIM构造在芯片上，在紧凑的体积内实现数米的淌度分离。（MOBILion是SLIM专利技术商业用途的独家拥有者。TOFWERK已经获得授权在TOFWERK相关质谱仪产品中集成SLIM硬件和技术。）
Vocus CI-IMS-TOF能进行毫秒级的同分异构体监测，更能为原位进样添加多一维度视角，为复杂基体中痕量目标物的实时在线且精准精确定性定量分析提供了坚实的硬件支撑和数据支持。
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