飛行時間質量分析器（time-of--flight，TOF）技術始于20世紀40年代，但由于當時電子技術和儀器設計的落后，儀器分辨率很低，很難推廣使用。到80年代末，高速發展的新技術使得TOF質譜儀器的分辨率大幅度提高，成為生命科學領域中重要的分析工具，在多肽、蛋白質、糖、核苷酸、高聚物的分析中得到廣泛應用。
TOF質量分析器是一種無磁動態質量分析器根據不同質荷比的離子在無場分離區中的速度不同，引起漂移時間的差異來實現分離。TOF飛行模式分線性及反射飛行模式兩類。
1、線性模式（圖3）
離子在加速電壓U作用下獲得的電勢能（zU）轉化為動能:
mu2/2＝zU
以速度v進入到長度為L的離子漂移管（drift tube，或稱飛行管），飛行時間為t，
t= L/u
兩式合并后有:
t=L（m/2zU）1/2
即U、L恒定時，離子飛行時間與其質荷比的平方根成正比。質荷比最小的離子最先到達檢測器，最大的則最后到達，產生質譜。適當增加漂移管的長度可以增加分辨率。但是，由于進入漂移管之前離子產生的時間先后、空間前后和初始動能大小存在差異，因此質量相同的離子到達檢測器的時間也不相同，因而線性模式的分辨率較低。
圖3 線性模式
2、反射飛行模式
反射飛行模式是在線性模式的基礎上發展起來的，飛行時間質譜改進的一個重要問題是如何使離子在被注入漂移區后既無空間發散又無能量發散。如果相同質量的離子在不同時間離開離子源或存在能量發散，分辨率都將大為下降。解決辦法之一是采用離子反射技術，利用離子反射使不同動能的離子得到聚焦，如圖4所示。在經過漂移管后，離子進入減速反射區；動能較大的離子在該區中進入較深（存在運動慣性），反射過來所需的時間也較長，這使動能較小的離子可以趕上。因此，經過反射，質量相同而動量不同的離子可以同時到達檢測器。這樣就很大程度地提高了TOF質量分析器的分辨率。
飛行時間質譜儀分辨率的定義:
R＝△M/M
式中，M是擬確定的質量；△M是半峰高時的峰寬
圖4 反射飛行模式示意圖