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——访TOFWERK产品经理Martin Tanner博士
环境大气中的金属污染物大多以含金属、痕量元素的气溶胶形式存在，气溶胶颗粒粒径跨度大、来源多样且复杂。细与超细颗粒物不仅能够侵入人体肺泡，还可进入血液循环。因此，大气中金属与痕量元素的精准监测，一直是环境与公共健康领域的核心研究课题。TOFWERK（Bruker旗下公司）于2025年推出mipTOF 微波诱导等离子体飞行时间质谱仪，将传统仅局限于实验室的ICP‑MS多元素分析能力拓展至外场与车载移动监测场景，为大气气溶胶中金属组分的实时解析提供全新技术路径。
2026年9月在西安举办的第12届国际气溶胶大会（IAC 2026）上，分析测试百科网采访了TOFWERK产品经理Martin Tanner博士，他深入分享了这款仪器的技术内核、应用价值以及TOFWERK质谱技术布局。
TOFWERK产品经理 Martin Tanner博士
Martin Tanner博士毕业于苏黎世联邦理工学院，长期从事ICP‑MS、ICP‑TOFMS痕量元素分析研究。加入TOFWERK之后，他主导参与了第一代icpTOF的研发，该产品于2014年正式发布。作为产品经理，Martin表示，自己始终关注技术如何落地、如何解决真实科研痛点，2025年牵头完成mipTOF的产品化，就是希望推动高精度元素分析走出实验室，走向真实外场监测环境。
mipTOF内部结构与离子传输示意图
在实际的大气观测工作当中，传统气溶胶金属监测手段有着难以回避的时间分辨率短板。实验室ICP‑MS需要依靠滤膜长时间采集颗粒物，再将膜样品带回实验室完成酸消解后上机测试，最终得到的是小时尺度下的平均浓度；短时排放烟羽以及单颗粒组分信息会被完全丢失。便携式XRF设备虽然操作流程得到简化，但同样依赖颗粒物在滤膜上累积，时间分辨率往往达到几十分钟，不仅灵敏度有限，也不具备解析单颗粒的能力。
Martin谈到，在现实场景中，刹车磨损、机场航空燃油燃烧、轨道打磨、工业烟气以及无组织排放等会产生大量金属气溶胶，其中不少属于局地瞬时事件，污染烟羽往往仅持续数十秒，传统离线方法很难完整捕捉这类动态过程。
TOFWERK mipTOF是一台专为现场监测打造的飞行时间质谱设备，主要用于空气中痕量金属与类金属气溶胶的直接实时检测。它采用微波电感耦合常压等离子体（MICAP）技术，搭载MICAP微波维持常压氮气等离子体源，等离子体的温度、电子密度可以对标传统氩气ICP等离子体，同时突破氩气ICP系统对高纯氩气瓶的强依赖。Martin介绍：“我们可以直接引入空气作为样品进行检测，这是氩等离子体无法实现的。mipTOF 可以现场制气，依靠供电即可获得所需气体，不再需要更换气瓶。”
MICAP等离子体可将数微米粒径范围内的气溶胶颗粒充分汽化、原子化并完成电离，再结合TOFWERK自研正交加速飞行时间质谱，实现长时间不间断连续采样。无需滤膜富集、无需酸消解前处理，即可实现单颗粒阿克‑飞克量级的高灵敏度元素定量，把高等级元素分析能力搬到现场。
mipTOF整机外观图
Martin强调，mipTOF的核心竞争力来源于氮气MICAP等离子源与高精度飞行时间质谱两大技术的耦合，二者缺一不可。MICAP氮气等离子能够将数微米粒径范围内的气溶胶颗粒充分汽化电离，摆脱了传统设备对于氩气瓶的依赖，充分适配车载以及各类野外作业条件；而TOFWERK自研飞行时间质谱，则攻克了单颗粒瞬时信号的解析难题。
气溶胶单颗粒在等离子体内的停留时间仅有约1毫秒，传统四极杆质谱本质属于离子筛选器件，同一时刻只能够放行一个设定好的质荷比，面对转瞬即逝的单颗粒信号，它通常只能捕获一到两种元素，颗粒内部绝大多数共存组分信息都会遗失。“如果一个颗粒由铁、铱和铂组成，在四极杆ICP‑MS中，一毫秒内你只能看到一个质量；而在飞行时间质谱中，你能看到完整的质谱。”Martin举例说明。mipTOF的TOF模块每30微秒即可采集一整套完整质谱，在毫秒级的单颗粒事件窗口内完成多次谱图采集，能够一次性获取从锂到铀的全部元素信息，同时完成同位素比值解析。
摆脱滤膜采样和化学消解这类繁琐的前处理流程之后，mipTOF能够做到秒级乃至毫秒级的实时观测。它既可以持续跟踪环境空气中各类金属组分随时间的起伏变化，捕捉稍纵即逝的污染波动；同时还能够解析每一颗气溶胶颗粒本身，获知颗粒内部的元素构成与同位素特征，为污染源溯源分析提供坚实依据。仪器可以覆盖PM0.1‑PM10粒径区间的气溶胶，整机工作功耗5.5 kW，能够搭载在移动实验室之上，配合锂电池组开展野外巡测以及定点连续观测。
在实际应用中，大气交通源金属污染一直是监测难点。大规模工业烟气排放、道路行驶带来的制动磨损、轮胎摩擦、路面扬尘再悬浮，以及机场航空燃油燃烧等场景，都会持续释放金属颗粒物。这类污染多为局地瞬时排放，浓度变化快、随机性高，传统监测设备因时间分辨率不足，往往难以捕捉完整的污染变化过程。mipTOF通过连续采样和实时分析，能够为这类局地瞬时排放的监测提供可行方案。
mipTOF采用轻量化设计，支持车载部署，能够灵活开展野外移动监测。它输出的高分辨率多元素浓度数据，可用于后续源解析分析。例如，结合风速等气象条件，科研人员可以判断污染发生的时段，分析污染物的扩散规律，从而提升大气污染源解析的准确性和效率。
mipTOF环境空气实时监测示例，展示全元素检测能力
Martin向我们介绍了多组已经公开的外场实测成果。在美国纳舒厄地区机场开展的车载观测实验里，仪器清晰捕捉到活塞式飞机起降所带来的铅排放烟羽，烟羽持续时长30‑90秒，瞬时铅浓度最高可达背景的100倍，结合同位素特征就可以溯源确认污染来源于航空汽油燃烧。在瑞士伯尔尼MOSQUITA移动实验室项目中，研究人员面向EURO7非尾气排放管控开展实地测试，隧道与城市交叉口位置可以观测到刹车磨损对应的特征金属同步爆发，铁的浓度峰值最高能够达到背景的1000倍，借此可以区分刹车磨损、轮胎磨损、道路地壳扬尘的不同贡献，量化行人与驾乘人员面临的急性金属暴露水平。在瑞士图恩实验室为期四天的城市定点连续环境观测中，设备成功识别出夜间铁轨打磨作业产生的铁‑锰‑铬颗粒事件，采集到的单颗粒指纹数据，能够结合 PMF等算法实现具备时间分辨能力的污染源解析。
本次西安IAC 2026会议上，已有科研工作者就 mipTOF 在不同场景中的应用作了报告。例如，瑞士 PSI 研究所的 Mohd Faisal 博士带来了题为 “High time-resolution measurements of PM10 and PM2.5 metals at an urban site using a microwave-induced plasma time-of-flight mass spectrometer (mipTOF)” 的口头报告；另外，英国帝国理工学院的 David Green 教授也带来了题为 “Aerosol source contributions during major motorsport events” 的口头报告。
Martin坦言，现阶段mipTOF主要面向科研应用，半导体等工业方向的应用仍在进一步探索拓展。
采访中，Martin谈到了mipTOF与ICP-MS的关系。他表示，ICP-MS目前仍是金属和痕量元素分析的参考标准，数据被行业广泛认可，新方法也常以它作为对照。因此，做气溶胶测量时，新方法的结果能否与ICP-MS可比，往往是研究者首先关心的问题。
mipTOF在功能上与ICP-MS有不少相似之处，可以分析相同的样品，其现场数据也能与ICP-MS相互印证。“我们并不是要用mipTOF去替代实验室中的ICP-MS，而是想把ICP-MS的分析能力带到现场。”Martin说。不同之处在于，传统ICP-MS以液体进样为主，空气颗粒物需要先采集到滤膜上，再经消解等前处理转为液体样品后分析，难以做到大气环境的实时监测；mipTOF则可以直接分析空气样品，支持现场和移动监测，并增加了单颗粒测量的能力。
两者的关系更多是互补。实验室ICP-MS在高精度、多样品常规分析上已经非常成熟，mipTOF则补上了现场、实时、单颗粒的监测能力。至于固体样品，mipTOF也能用于激光剥蚀等实验，但这类应用ICP-MS本身已相当成熟，并非mipTOF的重点方向。
Martin表示，TOFWERK全系列产品均以飞行时间质谱平台为基础，依靠更换不同离子源，去适配不一样的分析场景。
Vocus CI-TOF是行业内已经得到广泛使用的VOCs检测设备，采用质子转移反应等软电离技术，保留分子层面信息，多用于低挥发性有机分子、挥发性有机物检测；mipTOF 则依靠高温等离子体将颗粒物完全解离成为原子离子，专注无机元素以及同位素分析。
Martin表示：“气溶胶里面既有有机成分，也有金属。这两方面的信息对于理解健康影响都很重要。CI‑TOF和mipTOF两种仪器是互补的，但它们解决的是同一个问题——颗粒物从哪里来、如何形成、我们如何暴露于颗粒物。”
将两台仪器部署在同一套移动监测平台就可以并行采样，一次外场实验便能够同时获取气溶胶有机分子与无机金属单颗粒两套信息，帮助科研人员完整还原颗粒物特征，支撑颗粒物形成机理以及健康暴露风险相关研究。
除mipTOF与Vocus CI‑TOF之外，TOFWERK已搭建起完整的TOF质谱产品线，icpTOF属于实验室氩气 ICP‑TOF‑MS，服务液体样品以及激光剥蚀样品测试；EI‑TOF 电子轰击源质谱可与气相色谱联用，用于生命科学、半导体工艺气体、硅气体分析等场景；FIB-TOF则面向材料科学，可搭配场发射电镜、聚焦离子束系统，获得纳米级材料表面形貌与化学组分信息，适用于纳米材料及高端功能材料研究。整套产品矩阵覆盖有机分析、无机元素分析、材料表面表征多个研究领域。
长久以来，高精度的金属痕量元素分析大多局限于实验室环境，很难还原真实大气环境之下颗粒物的动态变化过程。mipTOF填补了这一技术缺口，把ICP‑MS等级的多元素、同位素分析能力带到野外现场和移动平台，直接对环境空气气溶胶开展测量，兼顾整体污染动态变化与单颗粒个体特征，可以捕捉传统手段完全遗失的瞬时局地金属气溶胶事件。
Martin总结，作为TOFWERK飞行时间质谱产品矩阵的重要一环，mipTOF与实验室ICP‑MS数据可相互印证，和Vocus CI‑TOF形成有机‑无机协同检测方案，为大气金属气溶胶研究、污染源溯源、环境健康风险评估提供新的技术工具。
在气溶胶研究越来越关注真实世界动态排放的当下，可现场部署、高时间分辨、具备单颗粒解析能力的mipTOF，正展现出巨大的应用潜力。
如想进一步了解mipTOF的更多信息，欢迎点击观看下方视频，或点击链接https://c.antpedia.com/meeting/playback-3127.html。
