二次离子质谱仪又称为离子探针。其工作原理是使用高能离子轰击样品表面，激发出不同能量和类型的二次离子；这些二次离子在经过一定电势差的电场加速后，通过静电分析仪和磁场过滤掉杂质离子并将不同质荷比的目标离子分离，引入质量分析器，按照质量与电荷之比进行质谱分析，从而获得目标元素的同位素含量和比值。离子探针具有高空间分辨率、高精度、高灵敏度和原位“无损”分析等优点。在地球和行星科学、矿产资源、材料科学、生物学以及环境科学等领域有广泛应用。其中在地球和行星科学领域，主要通过测量微量元素、稳定同位素和放射性同位素组成，研究元素的起源、行星和小行星的形成和演化、地球早期大陆演化、古环境和古气候变化、岩石圈演化和板块构造过程和金属矿床的形成机制等一系列重大科学问题。可共享学科包括：地质学，材料科学与工程，环境科学与工程，农学，生物学，化学等。

基本结构：离子源，能够产生加速和聚焦一次离子束，如常见的 O-、O2+、Cs+ 等离子源；样品室和二次离子引出装置，放置样品，并将溅射产生的二次离子引出；质量分析器，能把二次离子按质荷比分离；二次离子检测和显示系统及计算机数据处理系统：用于检测、显示和处理二次离子信号。

技术优势：高空间分辨率（NanoSIMS可达50 nm）；高灵敏度（ppm-ppb级检测限）； 高质量分辨率（高达40000）；微区原位分析（无需化学前处理）。