工作原理:使用H3O+作為離子源的質子轉移過程可以描述如下，其中R指的是待測的痕量組分：
H3O++R→RH++H2O
上述反應受到質子間親和力的限制，僅可以在R的質子親和力比H2O 大的情況下進行，即R的質子親和力需要大于691 KJ/mol。空氣中的主要成分例如氮氣N2，氧氣O2，氬氣Ar和二氧化碳CO2等的質子親和力都要小于691 KJ/mol，因此可以認為H3O+只和其中的揮發性有機物進行反應，而空氣本身則起到緩沖氣體的作用。此外，由于待測物中的痕量組分含量很低，通常可以近似認為反應過程中的H3O+總數是維持不變的。由此，我們也就可以得到如下反應方程式：
其中，[RH+] 指的是反應物離子濃度，[H3O+]0指的是在默認緩沖氣體不參加反應的情況下的離子源離子濃度，k指的是化學反應速率常數，t指的是離子通過反應區域需要的平均時間。PTR-MS質譜儀可以對反應物離子濃度和離子源離子濃度進行測量，多數化合物的反應速率常數都可以在相關文獻中獲得，而反應時間通常可以從儀器參數中獲得。因此，痕量組分的絕對濃度[R]就可以很容易的通過計算獲得，而不需要進行任何校準或使用標準氣體。同樣這也說明了PTR-MS質譜儀的總靈敏度主要由離子源的離子產率決定。