質譜成像技術能將基質輔助激光解吸電離質譜的離子掃描與圖像重建技術結合，直接分析生物組織切片，產生任意質荷比(m/z)化合物的二維或三維分布圖。其中三維成像圖是由獲得的質譜數據，通過質譜數據分析處理軟件自動標峰，并生成該切片的全部峰值列表文件，然后成像軟件讀取峰值列表文件，給出每個質荷比在全部質譜圖中的命中次數，再根據峰值列表文件對應的點陣坐標繪出該峰的分布圖。
但是一般的質譜成像技術不能對一些攜帶大分子碎片的化學成分進行成像，來自賓夕法尼亞州州立大學的Nicholas Winograd教授改進了一種稱為二次離子質譜（SIMS，secondary ion mass spectrometry）的方法，可以對樣品進行完整掃描，三維成像。
這種技術具有幾個優點：速度快（－10,000 spectra per second），亞細胞構造分辨率（－100 nm），以及不需要基質。但是另外一方面，不同于MALDI方法，SIMS方面不是一種“軟”技術，這種方法只能對小分子成像，因此常常需要進行粉碎。
Winograd教授改進了這一方法，他利用了一種新型SIMS光束（carbon-60 磁性球），這種新光束比傳統的SIMS光束對物體的化學損傷更小。C60同時撞擊樣品表面，類似于“一陣爆炸”，這樣重復的轟擊使得研究人員能深入樣品，進行三維分子成像，Winograd教授稱這個過程是“分子深度成像”（molecular depth profiling）。
C60的能量與其它的離子束相當，卻不到達樣品表面以下，這樣樣品可以連續地被逐層剝離，研究人員就可以得到縱面圖形，最終獲得三維的分子影像。Winograd教授等人用含有肽的糖溶液將硅的薄片包裹起來并進行SIMS實驗，隨著薄膜逐漸被C60剝蝕，可以獲得糖和肽的穩態信號。最終，薄膜完全剝離后就可以獲得硅的信號。如果用其它的射線或原子離子代替C60 ，粒子束會快速穿過肽膜而無法提供有關生物分子的信息。因此這種方法具有良好的空間分辨率，能夠獲得巨噬細胞和星型細胞的細胞特征和分析物的分布情況。
這里還要說到一點，SIMS和上一技術（APIR MALDI/LAESI技術）都可以對三維成像，但兩者也有差別，SIMS方法中，采用高能離子轟擊樣品，逐出分析物離子（二級離子），離子再進入質量分析器。MALDI方法則用激光輻射樣品使之離子化，另外SIMS探針可以探測到100nm的深度，能提供納米級的分辨率，而MALDI可以探測更深，但空間分辨率較低。
