SIMS 使用一束经电磁场聚焦的初级离子（如 Bi3+、C60+）以栅格方式轰击样品表面，高能撞击使表层原子与分子被「溅射」出样品，其中部分以带电的二次离子形式逸出，由质量分析器按 m/z 采集。由于离子束可在样品上以亚微米步距逐点扫描，每一扫描点即对应一个图像像素，由此构建分子与元素的空间分布图。
其纳米级分辨率主要来自三个因素：初级离子的束斑可聚焦至亚微米甚至数十纳米；样品处于高真空，束流不受空气散射；扫描步距可设得极细。TOF-SIMS 在每个像素同时记录全质量谱，因此能在不预设靶标的情况下做非靶向成像，是单细胞与亚细胞元素/小分子定位的有力手段。
SIMS 擅长元素与同位素成像（如金属离子、硅、磷在组织中的分布）、小分子碎片与高分子成像，在半导体、材料与生物组织超微分析中应用成熟。由于电离能量高、属硬电离，生物大分子常被打碎，分子离子峰较少，对完整蛋白、脂质等大分子量物质的直接成像并不友好。
另一局限是定量与分子注释难度：二次离子产额随基质、电荷状态、表面形貌显著变化，同一 m/z 的碎片可能来自多种母体，建立可靠的定标曲线需要标准品或已知参考。加之溅射会逐层消耗样品，连续成像深度有限，因此 SIMS 更适合表面与薄层、超微结构问题，而非大范围代谢组学普查。
将 SIMS 与常见成像源放在同一维度比较，可更清楚其定位。核心差异在分辨率、基质需求与擅长分子类型，选型应按科学问题而非单一指标。
选型上：要纳米级元素与超微结构，SIMS 是首选；要常压免基质、低背景的小分子与单细胞尺度成像，新策源 LDPI（2–3 μm、m/z≥70 低背景）提供互补路线；要成熟广覆盖且可接受基质，MALDI 更合适。
| 离子源 | 典型分辨率 | 基质需求 | 擅长 | 主要局限 |
|---|---|---|---|---|
| SIMS/TOF-SIMS | 纳米级 | 不需要 | 元素、同位素、小分子碎片 | 硬电离、定量难、样品消耗 |
| MALDI | 数十 μm | 需要 | 蛋白、脂质、肽段 | 低质量区基质干扰 |
| DESI | 数十–数百 μm | 不需要 | 代谢物、脂质（常压） | 分辨率与极性覆盖有限 |
| LDPI（新策源） | 2–3 μm | 不需要 | 小分子、药物（免基质常压） | 侧重小分子低背景 |
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