气相离子能够被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比的大小进行分离。广义地说，能够将气态离子进行分离分辨的器件就是质量分析器。在质谱仪器中，也使用或研究过多种多样的质量分析器，此处只介绍在商品仪器中广泛使用的质量分析器，即扇形磁场、飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器、四极杆离子阱和离子回旋共振质量分析器。
1扇形磁场
扇形磁场是历史上最早出现的质量分析器，除了在质谱学发展史上具有重要意义外，还具有很多优点，如重现性好、分辨率与质量大小无关、能够较快地进行扫描（每秒 10 个质荷比单位）。但在目前出现的小型化质量分析器中，扇形磁场所占的比重不大，因为如果把磁场体积和重量降低将极大地影响磁场的强度，从而大大削弱其分析性能。但是，随着新材料和新技术的不断出现，这种局面可望在将来得到改观。
2飞行时间质量分析器
与其他质量分析器相比，飞行时间质量分析器（即 TOF）具有结构简单、灵敏度高和质量范围宽等优点（因为大分子离子的速度慢，更易于测量），尤其是与 MALDI 技术联用时更是如此。历史上对质荷比大于10的4次方的分子的质谱分析就是用TOF 来实现的，现时，这种质量分析器能够测量的质荷比已接近10的6次方。但相对其它质量分析器（如 ICR）而言，TOF 的分辨率和动态线性范围不够理想，比如对于分子量超过 5000 的有机物，同位素的峰就分辨的不好。但是，对大分子的质量测量精度则可达到0.01%，比传统生物化学方法（如离心、电泳、尺寸筛析色谱等）的精度好的多。
在TOF中，不同质荷比的离子必须在同一时间点以相同的初动能进入漂移管，这样才能保证漂移时间与质量的平方根成反比。为保证不同质荷比的离子在同一时间点以相同初动能进入漂移管，常采用脉冲式离子源（如采用脉冲激光辐射的 MALDI 离子源），这样基本上可保证时间的一致性；但采用这种方法产生的离子初速度仍具有很大差异，为减少这种差异，往往需对离子进行冷却，冷却时间一般为几十毫秒，经冷却的离子再引入电场进行加速，就能够基本消除速度上的差异。但在精确测量时，离子被加速后还需对其时间和空间分布进行校正，即通常所说的时间聚焦和空间聚焦。这种校正增加了TOF 测量的精确度，但同时也增加了仪器的复杂性。
3四极杆质量分析器
四极杆质量分析器的结构就是在相互垂直的两个平面上平行放置四根金属圆柱。如果把水平方向定义为 x方向，垂直方向为 y 方向，与金属圆柱平行的方向为 z 方向，在 x与 y 两支电极上分别施加±（UV cosωt）的高频电压（V 为电压幅值，U 为直流分量，ω为圆频率，t 为时间），则在四个金属圆柱之间的空间形成一个形如马鞍的交变电场。四极杆质量分析器能够通过电场的调节进行质量扫描或质量选择，质量分析器的尺寸能够做到很小，扫描速度快，无论是操作还是机械构造，均相对简单。但这种仪器的分辨率不高；杆体易被污染；维护和装调难度较大。
4离子阱
离子阱和四极杆质量分析器有很多相似之处，如果将四极杆质量分析器的两端加上适当的电场将其封上，则四极杆内的离子将受x，y，z 三个方向电场力的共同作用，使得离子能够在这三个力的共同作用下比较长时间地呆在稳定区域内，就象一个电场势阱，因此这样的器件被称为离子阱。所以，在很多时候都认为四极杆质量分析器与离子阱的区别就是前者是二维的，而后者是三维的。
离子阱内部的离子总是在做复杂的运动，在这种复杂运动中，包含了与质量相关的特征信息。以这种特征信息为基础，发展了许多离子阱操作的新模式，大大拓宽了离子阱质量分析器的质量范围，改善了质量分辨率。
虽然离子阱内离子的运动是复杂的，但就离子阱质量分析器本身而言，它具有许多独特的优点，主要是能够方便地进行级联质谱测量，能够承受较高压力（如 0.1 Pa），此外，这种质量分析器价格相对低廉，体积较小，被广泛用做色谱检测器。在质谱仪器的小型化中，离子阱的小型化取得了十分注目的成果。普度（Purdue）大学 Cooks 教授研究组的工作显得尤为突出，发展出来的圆柱型离子阱和矩形离子阱等不但克服了离子阱难以加工的缺点，而且进一步降低了成本、简化了操作，显著减轻了重量，缩小了体积，甚至可做成质量传感器（mass sens），有望在现场环境监测、国防、刑侦、安检、工业过程控制等领域发挥作用。
5离子回旋共振质量分析器
在某种程度上，离子回旋共振（ICR）质量分析器与NMR有些相似。ICR具有非常高的质量分辨率，能够检测大质量离子、进行离子的无损分析和多次测量，具有很高的灵敏度和级联质谱的能力，是一种在现代质谱学领域中具有重要用途的质量分析器。
为进一步提高质量分析器的质量分辨率，常见的措施是将扇形磁场和电场联用，形成双聚焦质量分析器，而 FT-ICR 的分辨率则可高达10的6次方以上。
