真空环境中，不同质荷比的离子在相同电场的作用下运动，质荷比大的离子速度慢，质荷比小的离子速度快。离子在恒定的电场和恒定的距离运动，按到达检测器所需时间不同：

式中为飞行时间；为动能；为加速电压；为离子所带电荷；为无场飞行区长度；为加速后离子获得的速度；为离子的质量。

由上式可知，离子的飞行时间与质荷比的算术平方根成正比。离子在电场中加速后，相同电荷数条件下，离子获得相同的动能，质量越小的离子速度越快；相同质量条件下，电荷数越多的离子速度越高。通过测量离子到达已知距离的检测器的时间，实现对离子的质荷比的测量，从而得到质谱图。

飞行时间质谱仪通常由离子源、飞行时间质量分析器、检测器、真空系统、电源系统、数据处理系统构成。常见的有直线式和反射式两种类型（见图）：直线式飞行时间质谱仪主要由加速区、无场飞行区、检测器组成；反射式飞行时间质谱仪主要由加速区、无场飞行区、反射区、检测器组成。

直线式和反射式飞行时间质谱仪结构示意图

飞行时间质谱仪具有高分辨、高精度、无质量检测上限，以及微秒级的检测速度等优点。广泛应用于环保、化工、能源、医药、材料科学、生命科学等领域，尤其在生命科学前沿领域研究中，是主要的分析手段之一。