Z kolei na podstawie informacji o powinowactwie danej substancji do protonu i intensywności danego sygnału na widmie mas można oszacować jego stężenie. Układ PTR-TOF-MS cechuje wysoka czułość i rozdzielczość w porównaniu do częściej stosowanego połączenia spektrometrii mas z analizatorem kwadrupolowym.
Zasada działania thumb|450px|Zasada działania PTR-MS: Jony hydroniowe wytworzone z pary wodnej w jonizatorze reagują z analitami w komorze dryfu. Powstające nowe jony są rozdzielane w analizatorze na podstawie stosunku ich masy do ładunku, po czym są kierowane do detektora, gdzie następuje ich identyfikacja Zasada działania omawianego spektrometru, przedstawiona schematycznie na rysunku opiera się na wykorzystaniu reakcji jonów hydroniowych H3O+, z cząsteczkami oznaczanych substancji (analitów). Przebiegające w fazie gazowej reakcje jonów hydroniowych z cząsteczkami licznych związków chemicznych, które wykazują wyższe powinowactwo do protonu od jonu hydroniowego, toteż reakcja przeniesienia protonu zachodzi samorzutnie.
Jony hydroniowe, będące donorami protonów powstają wskutek procesów elektrodowych, jakim poddawana jest para wodna, co można zobrazować za pomocą następujących reakcji: