二次離子質譜儀可以用于分析的樣品可以固體，也可以是粉末、纖維、塊狀、片狀、甚至液體(微流控裝置)。如果從導電性考慮，這些樣品可以是導電性好的材料，也可以是絕緣體或者半導體。從化學組成上來分，可以是有機樣品，如高分子材料、生物分子，也可以是無機樣品，如鋼鐵、玻璃、礦石等。
 

　　二次離子質譜儀的常見的操作模式：
 

　　SIMS大致可以分為"動態(tài)二次離子質譜"(D-SIMS)"和"靜態(tài)二次離子質譜"(S-SIMS)兩大類。雖然工作原理上它們并無本質差別，但是兩種模式的應用特點卻有所不同。一次離子束流密度大小是劃分兩種模式的主要標準。一般在S-SIMS模式下，一次離子束流被控制在10離子/cm，常用飛行時間質量分析器，動態(tài)二次離子質譜就是一次離子束流高于10離子/cm，常用雙聚焦質量分析器。
 

　　SIMS操作模式可以分為質譜表面譜、成像模式、深度剖析等。 其中質譜模式質量分辨率較高，常用于鑒別各種材料中所含有的元素、材料中的摻雜、污染物中的成分等。二次離子質譜成像是指二次離子在二維平面上的強度分布，可以直觀的顯示成分的分布，獲得元素離子、分子碎片或分子離子的形貌。深度剖析是指交替式地對分析樣品表面濺射剝離和對濺射區(qū)域采集圖譜，從深度剖析結果中可以得到不同成分沿深度方向的分布，可以得到樣品深層或內部化學成分的三維圖像，可以進行對材料或者生物組織微區(qū)成分分析。