ecTOF重塑GC-MS分析新范式 让非靶向分析信心倍增
——专访ecTOF产品经理Sonja Klee
GC-MS从诞生之日起，利用EI源产生的碎片离子和NIST谱库的匹配，就可以鉴定分子，但事实上，由于缺乏分子离子峰，同系物的区分非常困难。虽然可以换上CI化学电离源，但需要做第二次实验，EI谱和CI谱保留时间很难对齐，给鉴定工作带来极大困难。因此，传统上GC-MS大都只用EI源，通过监测几个高丰度的离子来做靶向定量分析。2024年TofWerk和布鲁克联合推出了ecTOF高分辨气质联用仪，并在2025年ASMS正式发布，让GC-MS爆发出惊人的非靶向分析能力，为GC-MS的应用开启一扇新的大门。环球ug登录在ASMS上采访了TofWerk公司ecTOF产品经理Sonja Klee女士，她将为我们详解ecTOF的技术奥秘和应用前景，希望对所有热爱质谱的网友有新的启示。
在ecTOF前合影，TofWerk产品经理Sonja Klee女士（左），布鲁克美国市场经理Nora女士（右），环球ug登录总经理卞利萍（中）
TofWerk概览
2023年，本网曾采访TofWerk。Sonja表示：“从那以后，我们更多地关注特定的市场，半导体、空气质量监测、食品/风味/香味是我们关注的三个关键市场。TofWerk在实时化学电离质谱仪方面有很强的产品线，这也是大气科学的重要组成部分。“
TofWerk最初从OEM供应商开始，将技术扩展到终端用户。TofWerk也提供解决方案，例如在线的软木塞分析质谱仪，筛选产线上的每一个软木塞，分析制作葡萄酒可能产生的异味。通过将 FIB-SIMS 功能集成到 FIB-SEM 显微镜中，TofWerk的fibTOF 可提供纳米级的精确三维化学成像。TofWerk的ICP-TOF也极有特点，并刚推出移动版?Tofwerk mip-Tof，非常适合车载运行，因为它不使用氩气、完全用氮气运行测定元素。
ecTOF的创新
“当然，我本人最关注ecTOF，这是我们去年与布鲁克一起推出的仪器，是成熟技术和新技术的独特结合。”Sonja说道。接下来她详细介绍了ecTOF的几大特点。
?双电离装置?：ecTOF最大的亮点在于其独特的双电离装置，能够在一次GC运行中同时获取分析物的分子量和结构信息，极大地提高了分析效率。Sonja表示：“这一设计使得用户能够同时获得EI和CI两种电离模式下的数据，为化合物鉴定提供了更为全面和准确的信息。”
高效分子离子生成?：ecTOF采用了全新设计的离子源，能够高效生成分子离子，特别适用于低浓度样品的检测。Sonja强调：“我们的离子源设计充分考虑了灵敏度和稳定性的平衡，确保了在各种复杂样品中的优异表现。”
零维护设计?：创新的氢气等离子体自我清洁机制使得ecTOF的离子源几乎无需维护，大大降低了用户的使用成本和时间成本。Sonja自豪地说：“这是我们在设计过程中特别注重的一点，旨在为用户提供更为便捷和高效的使用体验。”
ecTOF原理详解
Sonja回顾了ecTOF的诞生历程。8年前，TofWerk已经推出GC-EI-TOF，主要为大气科学领域的研究者提供鉴定手段，同时，TofWerk在化学电离方面积累了很多技术，非常擅长为特定目的开发化学电离源。
当时用户反馈：GC-MS使用 EI 碎片图谱进行?NIST 搜库时，经常会遇到碎片特异性低、分子离子信号缺失或化合物未被谱库收录等原因，导致未知物的鉴定结果存疑，用户希望用CI提供分子离子信息。但实验时需手动更换 CI 离子源后，进行再一次的 GCMS 分析。这样不仅增加仪器硬件的故障风险，在数据处理时，还需进行复杂的数据对齐，而且两次 GC-MS 进样，也使分析时间加倍。
“如果一台仪器在一次运行中，同时获得EI和CI电离的所有信息，并使两者完美对齐，再提供高分辨的准确质量，会受到用户喜爱。”Sonja说道，“TofWerk因此推出了ecTOF。”
ecTOF 是全球首款能够在单次 GC 运行中同时采集?EI ( 电子轰击电离)?和?CI ( 化学电离 )?精确质谱数据的气质高分辨质谱系统，TOF的分辨率可达到4000（型号R）或10000（型号2R）。在单次 GC 分析中采集EI图谱的同时，可以获得精确的分子质量和元素组成信息。两者结合显著提高了鉴定未知化合物的效率和准确性。
ecTOF原理示意图
Sonja表示：EI和CI源在离子光学器件中放置在不同位置。EI电离源有一个特定的泵浦环境，在另一位置放置中压?螺旋谐振等离子体（HRP）产生的 CI 电离源。GC-MS运行时，GC分离后的样品分流后分别进入EI和CI源，同时产生两种离子，通过离子光学器件内部的开关装置完成EI/CI切换，切换速率最高可达200Hz，可以为每次GC-MS运行自动生成完全对齐的EI和CI数据。
和传统CI源不同，ecTOF 的 CI 源创新地采用HRP ?技术，对分析物的电离过程进行优化，具有灵敏度高和维护需求少的优点。针对不同类型的化合物，共有4种不同的CI反应气可供选择，且反应气切换时无需任何硬件操作。
GC-CI&El-TOFMS的气流图
ecTOF采用具有三级设计的化学电离(CI)源，离子源由三个阶段组成。离子产生（第一阶段）、试剂离子形成（第二阶段）和分析物电离（第三阶段）在离子源的气流中在空间上是分开的。在第一阶段，一个低功率螺旋谐振器在约13毫巴的压力下驱动氢气等离子体并产生 [H3 ]+ 离子。随后加入试剂气体会导致使用 H3+ 通过质子化形成试剂离子。这使得在第二阶段改变最终气相酸度和质子化物种的选择性成为可能。在第三阶段，引入气相色谱流出物，带电试剂最终使分析物电离。
“在传统CI中，从反应气电离、反应离子形成到分析物带电的整个化学过程都发生在一个空间受限的体积内，这使得对反应离子分布的控制相当困难。ecTOF提供的是一个完全受控的CI源，这样就知道从不同的化合物类别中可以得到什么，从而提供广泛的覆盖范围。内置四种通过渗透管工作的?CI 反应气?( N2H+, H3O+, H(H2O)n+, NH4+?) ，并支持通过软件自动切换，确保找到需要覆盖的分子。其中一种试剂可以覆盖高达80-98%的分析，它更有活性，也往往会更加碎片化；其它几种试剂活性低一些，但会有其它选择性。”Sonja说到，“比如，可先为初级等离子体和氮气提供氢气；然后可以向氮气气流中加入特定量的水或氨水。直接使用氮来产生非常酸性的H+离子，可以覆盖非常广泛的化合物范围，然后可像PTR那样使用H3O+，或者像APCI那样使用质子结合的边界簇，或者使用众所周知的氨水，用户可在GC-MS方法设置中决定，在GC的冷却过程中，切换试剂并准备进行下一次运行。”
ecTOF采用的CI源和经典CI源不同。经典CI源灯丝暴露在反应气中，所以灯丝很容易损坏。使用螺旋谐振等离子体 ( HRP ) 技术，反应气置于玻璃管中，周围缠绕线圈，等离子体在玻璃管内产生，没有任何高能等离子体物质与灯丝或电极等接触；而且氢气等离子体可以自清洁内部的整个表面。即使是最“脏”的样品，如直接注入的热解油等，等离子体的行为也非常稳定。“有一位应用科学家，她在实验室的ecTOF上工作了近600天，从来没有清理过CI源。所以，ecTOF的CI源是零维护的。”Sonja解释说，“而且它和Vocus（PTR-TOF型号）的CI源也不相同，因为它为GC-MS专门设计，可以耐受高温。”
?????? 获得EI和CI的谱图后，可以使用混合检索（Hybrid search）：EI碎片谱进行NIST库检索；高分辨TOF指标产生的CI分子离子和同位素模式匹配；色谱保留指数信息。通过三重全面的分析物信息进行匹配，判断得分的高低，可以进行非常高置信度的鉴定。“我们测试鉴定的所有物质的匹配系数都在所需的800以上，并且概率很高。”Sonja说到。
泰国香米的风味分析a）EI和CI的总离子流图（局部放大）; b) 保留时间7.2min处的EI和CI质谱图; c) EI图谱进行NIST谱库检索得到的结果
中国团队应用ecTOF开发了泰国香米的风味分析方法。如图所示，由于2-AP含量很低，在总离子流图（TIC）中难以直接检测。然而，在CI模式下，保留时间7.2min处，可明确检测到2-AP的准分子离子峰（[M+H]+）。ecTOF凭借极高的质量准确度（误差仅0.2ppm），可准确确定2-AP的分子式。?通过整合EI模式下的谱库检索结果与CI模式提供的精确分子式信息，显著提升化合物鉴定的准确性，确保2-AP等关键风味物质的检测更加可靠。
除了显而易见的定性/非靶向分析的好处，ecTOF还可以进行定量/靶向分析。Sonja表示，ASMS 2025上自己的海报阐明了这一点，对代谢组学生物样本中的短链脂肪进行了定量。“我们看到CI定量的巨大潜力，而不仅仅是EI。CI甚至提高了灵敏度，也增加了动态范围。”
ecTOF的应用
Sonja表示，GC-MS的主要市场如食品风味、香料市场，非常需要化合物鉴定。环境监测中，人们也常常需要识别废水、土壤等环境中的未知化合物。代谢组学、暴露组学、新污染物等领域都非常需要非靶向的化合物鉴定。这些都是ecTOF的应用领域。
自发布以来，ecTOF便在全球范围内引起了热烈反响。Sonja透露：“在美国市场，许多科研工作者对ecTOF的双电离技术和高效分子离子生成能力表示了高度认可。他们认为ecTOF的出现解决了他们在非靶向分析中的诸多难题，为科研工作带来了极大的便利。”而在中国市场，ecTOF同样受到了广泛关注，许多中国科学家对ecTOF在环境、食品风味等领域的应用表示出了浓厚兴趣。
“以前的非靶向分析，大都来自于LC-MS的发展；随着ecTOF的出现，我们会看到更多GC-MS的应用。因为，两种技术是如此互补，人们想要更全面地覆盖化合物。ecTOF将改变传统GC-MS多用于靶向分析的历史，将GC-MS用来发现更多的未知化合物。“Sonja兴奋地说道。
Tofwerk与布鲁克的紧密合作也为ecTOF的成功推广奠定了坚实基础。Sonja表示：“双方不仅在技术研发方面进行了深入合作，还在市场推广和客户服务等方面形成了合力。这使得ecTOF能够在短时间内迅速占领市场，并赢得了广大用户的信赖和好评。在中国，ecTOF的推广营销工作也主要由布鲁克质谱来进行。“
【结语】在GC-MS这个价格卷来卷去、似乎已无法创新的市场上，TofWerk和Bruker居然推出了创新的ecTOF，让GC-MS再次昂首挺胸地回到未知物鉴定，或者更时髦的说法是“非靶向分析“的热门赛道上，而且在TOF扫描灵敏度高、具备NIST库检索、提供分子离子精确质量的条件下，我们预计ecTOF的表现将是飞速增长的。同时小编也陷入深思，CI源的最早提出是1961年，由于不怎么好用就一直被搁置，为何TofWerk能在ecTOF上能再次产生CI电离的创新？小编粗浅看来，首先是对反应试剂、化学电离、TOF质谱的深刻认知；其次是追求创新的动力驱使。欢迎大家也一同讨论。
参考文献：
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.???? 风味揭秘 | ecTOF解锁香米的美味密码，布鲁克质谱微信公众号，2025年4月15日
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