质谱仪通常由六部分组成，包括真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器和计算机控制系统。单聚焦质谱仪的结构如图所示。
单聚焦质谱仪结构示意图
一. 真空系统
质谱仪的离子源、质量分析器及检测器都必须处于高真空状态。维持高真空度水平能有效避免离子散射、不必要的离子碰撞而引起的能量变化，降低本底效应和记忆效应。因此，高品质的真空泵是质谱仪正常工作的必要保证。一般质谱仪的高真空系统由旋转泵与扩散泵串联组合构成，而使用分子泵则可以获取更高的真空度。
二. 进样系统
进样系统的目的是高效重复地将样品引入离子源中，并且不能造成真空度的降低。常用的进样系统分为直接进样和色谱联用进样两大类。
三. 离子源
离子源是质谱仪的核心部件，其功能是提供合适的能量使样品离子化，并使离子具有一定的能量。常用的离子源有电子轰击源、化学电离源、快速原子轰击源、激光电离源、电喷雾离子源等。各种不同的离子源采用不同的离子化途径，适应于不同的样品离子化以满足质谱分析要求。电子轰击源和化学电离源是质谱仪常用的离子源。
1. 电子轰击源 用电子直接轰击样品分子而使其电离。常用70eV的电子能量，有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。具有分子结构信息特征的碎片离子及分子离子在推斥极的作用下，阳离子进入加速区，加速后进入质量分析器，阳离子及中性碎片则被真空抽出系统。电子轰击源主要用于挥发性样品的电离。
2. 化学电离源 通过试剂气体分子所产生的活性反应离子与样品分子发生离子-分子反应而使样品电离。这种方式比电子轰击源温和，有些用EI方式得不到分子离子的样品，利用CI方式可以得到准分子离子，因而可以求得相对分子质量。这种离子源结构信息少，没有标准质谱图，适用于易气化的有机样品分析。
四.质量分析器
质量分析器是将离子源中所形成的各种离子按质荷比（m/z）进行分离的装置。质量分析器是质谱仪的核心部件。质量分析器主要有磁分析器（包括单聚焦和双聚焦两种）、飞行时间分析器、四极杆质量分析器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等类型。不同类型的质谱仪最主要的区别通常在于离子源和质量分析器。
1. 单聚焦质量分析器 又称为单聚焦磁分析器，实际上是处于扇形磁场中的真空扇形容器。常见的单聚焦质量分析器采用180°、90°或60°的圆弧形离子束通道。
180°单聚焦质量分析器示意图
在单聚焦质量分析器中，从离子源射入的离子束在磁场作用下，由直线运动变成弧形运动。不同质荷比（m/z）的离子，由于运动曲线半径不同，被质量分析器分开。由于出射狭缝和离子检测器的位置固定，即离子弧形运动的曲线半径R是固定的，故一般采用连续改变加速电压或磁场强度，使不同质荷比的离子依次通过出射狭缝，以半径为R的弧形运动方式到达离子检测器。由一点出发的、具有相同质荷比的离子，以同一速度不同角度进入磁场偏转后，离子束可重新汇聚于一点，即静磁场具有方向聚焦作用，故称为单聚焦质量分析器。
在单聚焦质量分析器中，离子源产生的离子由于被加速初始能量（即射入质量分析器的速度）不同，即使质荷比相同的离子，最后也不能全部聚焦在检测器上，致使分辨率低。
2. 双聚焦质量分析器 为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常采用双聚焦质量分析器，它是将一个扇形静电场分析器置于离子源和扇形磁场分析器之间，如下图所示。扇形静电场是一个能量分析器，不起质量分离作用。一束能量（或速度）不同的离子束，经过扇形静电场将质量相同而速度不同的离子分离聚焦。然后，经过狭缝进入磁分析器，再进行m/z方向聚焦。由于同时实现速度和方向的双聚焦，因此称为双聚焦分析器。双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢。
双聚焦质量分析器示意图
3.四极杆质量分析器 由四根高度平行的金属电极杆组成，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔，在四极上加上直流电压和射频电压，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场作用，只有特定质荷比的离子在轴向稳定运动并达到检测器。改变直流电压和射频电压并保持其比值恒定，可以实现不同质荷比离子的检测。四极杆质量分析器是一种无磁分析器，体积小，操作方便，分辨率较高，扫描速度快，特别适合色谱-质谱联用仪器。
五.离子检测器
离子检测器的功能是将质量分析器按质荷比分离后的离子流信号依次收集、放大、显示，并将其输入计算机数据处理系统，最终得到所需的质谱图及相应分析结果。质谱仪常采用电子倍增器或微通道板检测器作为离子检测器。通过这些检测器将微弱的离子信号转化为较强的电信号，以满足显示、记录和数据处理的需要。
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