一次离子束（常用 Ga⁺、Bi⁺ 或惰性团簇离子如 C₆₀⁺）以keV 级能量轰击样品，将表面原子与分子以二次离子形式溅射。二次离子进入飞行管，在无场区中以速度差异实现 m/z 分离——轻离子快、重离子慢，到达探测器的时间对应其质荷比。
由于每个激光/离子脉冲可采集完整 m/z 谱，TOF-SIMS 具备高质量分辨与高通量特性；团簇离子源（如 C₆₀⁺）的引入显著降低单次轰击造成的样品损伤，使多次扫描下的分子信息更稳定。
TOF-SIMS 的空间分辨率由一次离子束的聚焦能力决定，现代仪器可达成亚微米乃至数百纳米的像素尺寸，在细胞器、组织微区等尺度上定位分子分布，是少数能达到纳米级分辨的质谱成像手段之一。
高分辨率代价是单像素采样量极小、信号稀疏，且二次离子产额随轰击累积而下降（尤其是有机分子），因此需在分辨率、采样损伤与统计信噪比之间权衡。
TOF-SIMS 可同时获取元素、同位素与小分子碎片信息，对脂质、药物、添加剂及无机分布敏感；但对完整大分子（如蛋白）的直接检测能力弱，常依赖特征碎片推断。基质效应与电荷态也使谱图解释复杂。
它与 MALDI、DESI 互补：MALDI/DESI 擅长大分子与整体分子成像，TOF-SIMS 擅长高分辨表面与元素/小分子成像。多模态联用可在同一组织上兼顾分辨率与分子种类覆盖。
TOF-SIMS 广泛用于材料表面污染、药物组织分布、细胞器脂质定位及半导体界面分析。其通常与专用真空腔和团簇离子源配套，样品制备强调表面洁净与导电处理（如导电载玻片、金属蒸镀）。
对要求常压、免基质或原位活体采样的场景，TOF-SIMS 并不适配；此类需求可对比新策源 LDPI、DPI 等常压免基质成像源，按样品状态与分辨率要求分工。
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