ecTOF重塑GCMS分析新范式讓非靶向分析信心倍增

——專訪ecTOF產品經理Sonja Klee

GC-MS從誕生之日起，利用EI源產生的碎片離子和NIST譜庫的匹配，就可以鑒定分子，但事實上，由于缺乏分子離子峰，同系物的區分非常困難。雖然可以換上CI化學電離源，但需要做第二次實驗，EI譜和CI譜保留時間很難對齊，給鑒定工作帶來極大困難。因此，傳統上GC-MS大都只用EI源，通過監測幾個高豐度的離子來做靶向定量分析。2024年TofWerk和布魯克聯合推出了ecTOF高分辨氣質聯用儀，并在2025年ASMS正式發布，讓GC-MS爆發出驚人的非靶向分析能力，為GC-MS的應用開啟一扇新的大門。分析測試百科網在ASMS上采訪了TofWerk公司ecTOF產品經理Sonja Klee女士，她將為我們詳解ecTOF的技術奧秘和應用前景，希望對所有熱愛質譜的網友有新的啟示。

在ecTOF前合影，TofWerk產品經理Sonja Klee女士（左），布魯克美國市場經理Nora女士（右），分析測試百科網總經理卞利萍（中）

TofWerk概覽

2023年，本網曾采訪TofWerk。Sonja表示：“從那以后，我們更多地關注特定的市場，半導體、空氣質量監測、食品/風味/香味是我們關注的三個關鍵市場。TofWerk在實時化學電離質譜儀方面有很強的產品線，這也是大氣科學的重要組成部分。“

TofWerk最初從OEM供應商開始，將技術擴展到終端用戶。TofWerk也提供解決方案，例如在線的軟木塞分析質譜儀，篩選產線上的每一個軟木塞，分析制作葡萄酒可能產生的異味。通過將 FIB-SIMS 功能集成到 FIB-SEM 顯微鏡中，TofWerk的fibTOF 可提供納米級的精確三維化學成像。TofWerk的ICP-TOF也極有特點，并剛推出移動版?Tofwerk mip-Tof，非常適合車載運行，因為它不使用氬氣、完全用氮氣運行測定元素。

ecTOF的創新

“當然，我本人最關注ecTOF，這是我們去年與布魯克一起推出的儀器，是成熟技術和新技術的獨特結合。”Sonja說道。接下來她詳細介紹了ecTOF的幾大特點。

?雙電離裝置?：ecTOF最大的亮點在于其獨特的雙電離裝置，能夠在一次GC運行中同時獲取分析物的分子量和結構信息，極大地提高了分析效率。Sonja表示：“這一設計使得用戶能夠同時獲得EI和CI兩種電離模式下的數據，為化合物鑒定提供了更為全面和準確的信息。”

高效分子離子生成?：ecTOF采用了全新設計的離子源，能夠高效生成分子離子，特別適用于低濃度樣品的檢測。Sonja強調：“我們的離子源設計充分考慮了靈敏度和穩定性的平衡，確保了在各種復雜樣品中的優異表現。”

零維護設計?：創新的氫氣等離子體自我清潔機制使得ecTOF的離子源幾乎無需維護，大大降低了用戶的使用成本和時間成本。Sonja自豪地說：“這是我們在設計過程中特別注重的一點，旨在為用戶提供更為便捷和高效的使用體驗。”

ecTOF原理詳解

Sonja回顧了ecTOF的誕生歷程。8年前，TofWerk已經推出GC-EI-TOF，主要為大氣科學領域的研究者提供鑒定手段，同時，TofWerk在化學電離方面積累了很多技術，非常擅長為特定目的開發化學電離源。

當時用戶反饋：GC-MS使用 EI 碎片圖譜進行 NIST 搜庫時，經常會遇到碎片特異性低、分子離子信號缺失或化合物未被譜庫收錄等原因，導致未知物的鑒定結果存疑，用戶希望用CI提供分子離子信息。但實驗時需手動更換 CI 離子源后，進行再一次的 GCMS 分析。這樣不僅增加儀器硬件的故障風險，在數據處理時，還需進行復雜的數據對齊，而且兩次 GC-MS 進樣，也使分析時間加倍。

“如果一臺儀器在一次運行中，同時獲得EI和CI電離的所有信息，并使兩者完美對齊，再提供高分辨的準確質量，會受到用戶喜愛。”Sonja說道，“TofWerk因此推出了ecTOF。”

ecTOF 是全球首款能夠在單次 GC 運行中同時采集 EI ( 電子轟擊電離) 和 CI ( 化學電離 ) 精確質譜數據的氣質高分辨質譜系統，TOF的分辨率可達到4000（型號R）或10000（型號2R）。在單次 GC 分析中采集EI圖譜的同時，可以獲得精確的分子質量和元素組成信息。兩者結合顯著提高了鑒定未知化合物的效率和準確性。

ecTOF原理示意圖

Sonja表示：EI和CI源在離子光學器件中放置在不同位置。EI電離源有一個特定的泵浦環境，在另一位置放置中壓 螺旋諧振等離子體（HRP）產生的 CI 電離源。GC-MS運行時，GC分離后的樣品分流后分別進入EI和CI源，同時產生兩種離子，通過離子光學器件內部的開關裝置完成EI/CI切換，切換速率最高可達200Hz，可以為每次GC-MS運行自動生成完全對齊的EI和CI數據。

和傳統CI源不同，ecTOF 的 CI 源創新地采用HRP  技術，對分析物的電離過程進行優化，具有靈敏度高和維護需求少的優點。針對不同類型的化合物，共有4種不同的CI反應氣可供選擇，且反應氣切換時無需任何硬件操作。

GC-CI&El-TOFMS的氣流圖

ecTOF采用具有三級設計的化學電離(CI)源，離子源由三個階段組成。離子產生（第一階段）、試劑離子形成（第二階段）和分析物電離（第三階段）在離子源的氣流中在空間上是分開的。在第一階段，一個低功率螺旋諧振器在約13毫巴的壓力下驅動氫氣等離子體并產生 [H₃ ]⁺ 離子。隨后加入試劑氣體會導致使用 H₃⁺ 通過質子化形成試劑離子。這使得在第二階段改變最終氣相酸度和質子化物種的選擇性成為可能。在第三階段，引入氣相色譜流出物，帶電試劑最終使分析物電離。

“在傳統CI中，從反應氣電離、反應離子形成到分析物帶電的整個化學過程都發生在一個空間受限的體積內，這使得對反應離子分布的控制相當困難。ecTOF提供的是一個完全受控的CI源，這樣就知道從不同的化合物類別中可以得到什么，從而提供廣泛的覆蓋范圍。內置四種通過滲透管工作的 CI 反應氣 ( N₂H⁺, H₃O⁺, H(H₂O)_n⁺, NH₄⁺ ) ，并支持通過軟件自動切換，確保找到需要覆蓋的分子。其中一種試劑可以覆蓋高達80-98%的分析，它更有活性，也往往會更加碎片化；其它幾種試劑活性低一些，但會有其它選擇性。”Sonja說到，“比如，可先為初級等離子體和氮氣提供氫氣；然后可以向氮氣氣流中加入特定量的水或氨水。直接使用氮來產生非常酸性的H⁺離子，可以覆蓋非常廣泛的化合物范圍，然后可像PTR那樣使用H₃O⁺，或者像APCI那樣使用質子結合的邊界簇，或者使用眾所周知的氨水，用戶可在GC-MS方法設置中決定，在GC的冷卻過程中，切換試劑并準備進行下一次運行。”

ecTOF采用的CI源和經典CI源不同。經典CI源燈絲暴露在反應氣中，所以燈絲很容易損壞。使用螺旋諧振等離子體 ( HRP ) 技術，反應氣置于玻璃管中，周圍纏繞線圈，等離子體在玻璃管內產生，沒有任何高能等離子體物質與燈絲或電極等接觸；而且氫氣等離子體可以自清潔內部的整個表面。即使是最“臟”的樣品，如直接注入的熱解油等，等離子體的行為也非常穩定。“有一位應用科學家，她在實驗室的ecTOF上工作了近600天，從來沒有清理過CI源。所以，ecTOF的CI源是零維護的。”Sonja解釋說，“而且它和Vocus（PTR-TOF型號）的CI源也不相同，因為它為GC-MS專門設計，可以耐受高溫。”

       獲得EI和CI的譜圖后，可以使用混合檢索（Hybrid search）：EI碎片譜進行NIST庫檢索；高分辨TOF指標產生的CI分子離子和同位素模式匹配；色譜保留指數信息。通過三重全面的分析物信息進行匹配，判斷得分的高低，可以進行非常高置信度的鑒定。“我們測試鑒定的所有物質的匹配系數都在所需的800以上，并且概率很高。”Sonja說到。

泰國香米的風味分析a）EI和CI的總離子流圖（局部放大）; b) 保留時間7.2min處的EI和CI質譜圖; c) EI圖譜進行NIST譜庫檢索得到的結果

中國團隊應用ecTOF開發了泰國香米的風味分析方法。如圖所示，由于2-AP含量很低，在總離子流圖（TIC）中難以直接檢測。然而，在CI模式下，保留時間7.2min處，可明確檢測到2-AP的準分子離子峰（[M+H]⁺）。ecTOF憑借極高的質量準確度（誤差僅0.2ppm），可準確確定2-AP的分子式。 通過整合EI模式下的譜庫檢索結果與CI模式提供的精確分子式信息，顯著提升化合物鑒定的準確性，確保2-AP等關鍵風味物質的檢測更加可靠。

除了顯而易見的定性/非靶向分析的好處，ecTOF還可以進行定量/靶向分析。Sonja表示，ASMS 2025上自己的海報闡明了這一點，對代謝組學生物樣本中的短鏈脂肪進行了定量。“我們看到CI定量的巨大潛力，而不僅僅是EI。CI甚至提高了靈敏度，也增加了動態范圍。”

ecTOF的應用

Sonja表示，GC-MS的主要市場如食品風味、香料市場，非常需要化合物鑒定。環境監測中，人們也常常需要識別廢水、土壤等環境中的未知化合物。代謝組學、暴露組學、新污染物等領域都非常需要非靶向的化合物鑒定。這些都是ecTOF的應用領域。

自發布以來，ecTOF便在全球范圍內引起了熱烈反響。Sonja透露：“在美國市場，許多科研工作者對ecTOF的雙電離技術和高效分子離子生成能力表示了高度認可。他們認為ecTOF的出現解決了他們在非靶向分析中的諸多難題，為科研工作帶來了極大的便利。”而在中國市場，ecTOF同樣受到了廣泛關注，許多中國科學家對ecTOF在環境、食品風味等領域的應用表示出了濃厚興趣。

“以前的非靶向分析，大都來自于LC-MS的發展；隨著ecTOF的出現，我們會看到更多GC-MS的應用。因為，兩種技術是如此互補，人們想要更全面地覆蓋化合物。ecTOF將改變傳統GC-MS多用于靶向分析的歷史，將GC-MS用來發現更多的未知化合物。“Sonja興奮地說道。

Tofwerk與布魯克的緊密合作也為ecTOF的成功推廣奠定了堅實基礎。Sonja表示：“雙方不僅在技術研發方面進行了深入合作，還在市場推廣和客戶服務等方面形成了合力。這使得ecTOF能夠在短時間內迅速占領市場，并贏得了廣大用戶的信賴和好評。在中國，ecTOF的推廣營銷工作也主要由布魯克質譜來進行。“

【結語】在GC-MS這個價格卷來卷去、似乎已無法創新的市場上，TofWerk和Bruker居然推出了創新的ecTOF，讓GC-MS再次昂首挺胸地回到未知物鑒定，或者更時髦的說法是“非靶向分析“的熱門賽道上，而且在TOF掃描靈敏度高、具備NIST庫檢索、提供分子離子精確質量的條件下，我們預計ecTOF的表現將是飛速增長的。同時小編也陷入深思，CI源的最早提出是1961年，由于不怎么好用就一直被擱置，為何TofWerk能在ecTOF上能再次產生CI電離的創新？小編粗淺看來，首先是對反應試劑、化學電離、TOF質譜的深刻認知；其次是追求創新的動力驅使。歡迎大家也一同討論。

參考文獻：

1.     Hydrogen Plasma-Based Medium Pressure Chemical Ionization Source for GC-TOFMS. Steffen Br?kling*Kai KrollSonja KleeThorsten BenterHendrik Kersten. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2022, 33, 3, 499–509.

2.     Gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry using parallel electron and chemical ionization with permeation tube facilitated reagent ion control for material emission analysis. Steffen Br?kling, Sonja Klee et al. Rapid Commun Mass Spectrom. 2023 Apr 15;37(7):e9461.

3.     風味揭秘 | ecTOF解鎖香米的美味密碼，布魯克質譜微信公眾號，2025年4月15日