应用离子照射样品产生二次离子的基础研究工作最初是R.H.斯隆（1938）和R.F.K.赫佐格（1949）等人进行的。1962 年R.卡斯塔因和G.斯洛赞在质谱法和离子显微技术基础上研制成了直接成像式离子质量分析器。1967 年H.利布尔在电子探针概念的基础上，用离子束代替电子束，以质谱仪（见质谱法）代替X 射线分光计研制成扫描式离子探针质量显微分析仪。

主要包括四部分：①能够产生加速和聚焦一次离子束的离子源；②样品室和二次离子引出装置；③能把二次离子按质荷比分离的质量分析器；④二次离子检测和显示系统及计算机数据处理系统等（见图）。应用 元素检测 能检测包括氢在内的、元素周期表上的全部元素，对不同的元素，检测灵敏度是不同的。它的绝对灵敏度为10-15～10-19 克，能检测相对含量为10-6～10-9 原子浓度的痕量杂质。因此，离子探针可以作金属的高纯分析、半导体痕量杂质测量和岩石矿物痕量成分鉴定等。表面和薄膜分析 离子探针作静态分析时，离子溅射是发生在样品表面少数原子层或吸附层上（5～20 埃）的，它是研究样品氧化，腐蚀、扩散和催化等表面物理化学过程，检测沉积薄膜、表面污染元素分布和晶体界面结构缺陷的理想工具。

作动态分析时，在一次离子束剥蚀作用下，样品成分及其浓度将随剥蚀时间而变化，因而得到了样品深度-浓度分布曲线。离子探针在半导体材料中对控制杂质元素注入量和注入深度及浓度分布上起着重要作用。还以其横向分辨率为1～2 微米、深度分辨率为50～100 埃的本领，可提供包括轻元素在内的三维空间分析图象。

同位素比值测定精度为0.1～1%，不仅应用于生物、医药、有机化学和近代核物理，而且在地球和空间科学领域里，在测定月岩、陨石和地球样品微量元素同位素组成及地质年代学研究上，都能发挥微区痕量分析的特长。

事先在样品表面镀一层碳膜（或金属膜），或者采用低能电子喷射样品表面；也可用负离子轰击样品的方法，以避免绝缘体样品分析测试中在其表面积累电荷以及由此产生的电位变化现象。