利用高能離子束轟擊試樣表面，使之濺射出二次離子並引入質譜計進行元素分析及測定元素同位素比值的儀器。離子探針由離子源，離子光學系統，品質分析器，光學顯微鏡，置樣室，質譜計和檢測系統等部分組成（見圖）。
其工作原理是：由離子源發射的一次離子（常用的是
O
-和
Ar
+），被加速到一定能量後轟擊試樣表面，使試樣濺射出粒子，其中大多數以原子、分子狀態濺射，而少部分以離子濺射（即二次離子）。這些二次離子經引出場加速後送入質譜計進行質／荷分離，最後經檢測系統進行元素定性、定量分析和同位素比值測定。離子探針的絕對檢出限達
10
-15～
10
-19克，是任何化學分析儀器所不及的。由於濺射過程可以控制和微區化，所以可進行固體物質的表面分析，也可以用離子束對試樣逐次剝蝕，進行深度分析。橫向空間分辨率達1微米級、深度分辨率達5～10納米，能測定周期表中所有元素和某些元素的同位素比值，是微區、微量元素分析的重要儀器。但由於二次離子濺射機理較為復雜，定量分析還有待研究改進。地質學中用於微細礦物中痕量元素和同位素比值的測定。