تُستخدم مطيافية الكتلة لتحديد الجزيئات بناءً على كتلتها. تُبخر العينة، ثم تُؤين، وتُسرّع عبر مجال مغناطيسي أو كهربائي. تنفصل الأيونات بناءً على نسبة كتلتها إلى شحنتها. يسجل كاشف وفرة كل أيون. والنتيجة هي طيف الكتلة، وهو رسم بياني يوضح العلاقة بين شدة الإشارة ونسبة الكتلة إلى الشحنة. تُعد هذه التقنية من أكثر التقنيات التحليلية حساسيةً وتنوعًا.

يتكون الجهاز من عدة مكونات. يقوم مصدر الأيونات بتحويل الجزيئات إلى أيونات، غالبًا عن طريق التأين بالصدم الإلكتروني أو التأين بالرذاذ الإلكتروني. يفصل محلل الكتلة الأيونات باستخدام تقنيات زمن الطيران، أو رباعي الأقطاب، أو مصيدة الأيونات. يقوم الكاشف بعدّ الأيونات. يقوم الحاسوب بمعالجة البيانات. يقوم مطياف الكتلة الترادفي (MS/MS) بتفتيت الأيونات وتحليل الشظايا، مما يوفر معلومات هيكلية.

يُستخدم مطياف الكتلة في الكيمياء، وعلم الأحياء، والطب، وعلوم البيئة. فهو يُحدد المركبات المجهولة، ويُقيس كميات الأدوية ومستقلباتها في الدم، ويكشف الملوثات في الماء، ويُحلل تسلسل البروتينات. كما يُستخدم في مكافحة المنشطات، وعلم الأدلة الجنائية، وسلامة الأغذية. ويستطيع الكشف عن كميات ضئيلة للغاية من المادة، تصل إلى بضع مئات الآلاف من الجزيئات.

تتطلب هذه التقنية تحضيرًا دقيقًا للعينات ومعايرةً دقيقةً للأجهزة، وهي ليست رخيصة الثمن. ولكن من حيث الحساسية والنوعية، يصعب منافستها، فهي تُعدّ الأداة الأساسية في الكيمياء التحليلية.