飛行時間質譜，Time of Flight Mass Spectrometer (TOF)，是一種很常用的質譜儀。這種質譜儀的質量分析器是一個離子漂移管（ion drift tube）。由離子源產生的離子首先被收集。在收集器中所有離子速度變為0。使用一個脈沖電場加速后進入無場漂移管，并以恒定速度飛向離子接收器。離子質量越大，到達接收器所用時間越長；離子質量越小，到達接收器所用時間越短，根據這一原理，可以把不同質量的離子按m/z值大小進行分離。飛行時間質譜儀可檢測的分子量范圍大，掃描速度快，儀器結構簡單。一部分飛行時間質譜儀的主要缺點是分辨率低，因為離子在離開在離子源時初始能量不同，使得具有相同質荷比的離子達到檢測器的時間有一定分布，造成分辨能力下降。改進的方法之一是在線性檢測器前面的加上一組靜電場反射鏡，將自由飛行中的離子反推回去，初始能量大的離子由于初始速度快，進入靜電場反射鏡的距離長，返回時的路程也就長，初始能量小的離子返回時的路程短，這樣就會在返回路程的一定位置聚焦，從而改善了儀器的分辨能力。這種帶有靜電場反射鏡的飛行時間質譜儀被稱為反射式飛行時間質譜儀/Reflectron time-of-flight mass spectrometer。 飛行時間質譜有兩種飛行模式，平行飛行模式和垂直飛行模式。在現代質譜產品中，大都已經采用垂直飛行模式。尤其在大氣化學領域，美國的科研團隊以質譜儀為主，歐洲則以測量粒徑的儀器為主。其中，Aerodyne INC., Ionicon GmbH, THS INC.在近幾年成為行業領軍企業。
如圖一所示，質譜儀需要在真空情況下運轉，用以保護檢測器，同時提高測量精度。在實際使用中，一個微孔（pinhole）需要被使用。 在如圖所示的儀器中，氣體樣本首先通過微孔取樣，然后到達離子源，有脈沖電場送入飛行時間模塊。然后使用垂直于送入方向的脈沖電場對離子進行加速。這樣做的主要目的是確定所有離子在水平方向沒有初速度。在U型飛行之后，達到傳感器。 不同離子到達傳感器的時間不同，借此來選擇m/z。通常的假設認為離子只能帶一個電荷，如此，得到的信號，直接對應檢測到離子的相對原子質量，所以在多數質譜圖表中，x軸單位均為原子質量單位(Atomic Mass Unit, AMU)。 四級桿質譜(Quadru Pole Mass Analyzer Mass Spectrometer, QMA-MS)在采樣過程中，每次只允許一個特定的m/z通過，因此如果要獲得一個完整的質譜圖，需要對不同的m/z進行掃描。在大氣化學領域生產四級桿質譜的主要生產商為Aerodyne的ACSM產品和THS。 而ToF-MS在每次進樣時，可以采集樣本中所有的m/z。
四級桿質譜進行24小時檢測所獲得的數據量通常為2MB左右，而ToF-MS在一天所采集的數據可以達到10GB。