以聚焦很細(1～2微米)的高能（10～20千電子伏）一次離子束作為激發源照射樣品表面，使其濺射出二次離子並引入品質分析器，按照品質與電荷之比進行質譜分析的高靈敏度微區成分分析儀器，簡稱離子探針。
簡史 應用離子照射樣品產生二次離子的基礎研究工作最初是R.H.斯隆（1938）和R.F.K.赫佐格(1949)等人進行的。1962年R.卡斯塔因和G.斯洛贊在質譜法和離子顯微技術基礎上研研制成瞭直接成像式離子質量分析器。1967年H.利佈爾在電子探針概念的基礎上，用離子束代替電子束，以質譜儀（見質譜法）代替X射線分光計研制成掃描式離子探針質量顯微分析儀。
儀器 主要包括四部分：①能夠產生加速和聚焦一次離子束的離子源；②樣品室和二次離子引出裝置；③能把二次離子按質荷比分離的質量分析器；④二次離子檢測和顯示系統及計算機數據處理系統等（見圖）。
應用 元素檢測 能檢測包括氫在內的、元素周期表上的全部元素，對不同的元素，檢測靈敏度是不同的。它的絕對靈敏度為10-15～10-19克，能檢測相對含量為10-6～10-9原子濃度的痕量雜質。因此，離子探針可以作金屬的高純分析、半導體痕量雜質測量和巖石礦物痕量成分鑒定等。
表面和薄膜分析 離子探針作靜態分析時，離子濺射是發生在樣品表面少數原子層或吸附層上(5～20埃)的，它是研究樣品氧化，腐蝕、擴散和催化等表面物理化學過程，檢測沉積薄膜、表面污染元素分佈和晶體界面結構缺陷的理想工具。
深度分析 作動態分析時，在一次離子束剝蝕作用下，樣品成分及其濃度將隨剝蝕時間而變化，因而得到瞭樣品深度－濃度分佈曲線。離子探針在半導體材料中對控制雜質元素註入量和註入深度及濃度分佈上起著重要作用。還以其橫向分辨率為1～2微米、深度分辨率為50～100埃的本領，可提供包括輕元素在內的三維空間分析圖象。
同位素分析 同位素比值測定精度為0.1％～1％，不僅應用於生物、醫藥、有機化學和近代核物理，而且在地球和空間科學領域裡，在測定月巖、隕石和地球樣品微量元素同位素組成及地質年代學研究上，都能發揮微區痕量分析的特長。
絕緣體樣品分析 事先在樣品表面鍍一層碳膜（或金屬膜），或者采用低能電子噴射樣品表面；也可用負離子轟擊樣品的方法，以避免絕緣體樣品分析測試中在其表面積累電荷以及由此產生的電位變化現象。
展望 離子探針作為一個具有分析微量元素的高靈敏度的微區分析方法正在迅速發展。但是，由於二次離子濺射機理較為復雜，定量分析仍存在許多問題。今後發展和改進的主要方向是：提高質譜分辨率，以減少和排除二次離子質譜幹擾；實現多種質譜粒子探測，以獲得樣品和多種粒子的信息和資料；定量分析和離子濺射機理的研究；新型液態金屬離子源的應用；離子探針與多種儀器（如X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、俄歇電子能譜）聯用等。