質量分析器(或稱作濾質器)的主要功能是將離子按照其質荷比(m/z)分離，並通過測量其相應質量上同位素相對豐度的大小(即質譜)來實現離子的定性定量分析。質量分析器置於離子聚焦系統和檢測器之間，用渦流分子泵保持真空度為133.3×10-6Pa。四極桿ICP-MS應用最早，已經是壹種非常成熟的常規痕量分析儀器。目前，絕大多數ICP-MS都使用四極桿質量分析器。
四極桿質量分析器是由四根嚴格平行並與中心軸等間隔的圓柱形或雙曲面柱狀金屬電極構成的正負兩組電極(圖9.7)。這些金屬電極壹般由不銹鋼或鉬制成，有時鍍有壹層抗腐蝕的陶瓷膜。長度壹般為15～20cm，直徑大約1cm，工作頻率為2～3MHz。電極上施加直流和射頻電壓，產生壹動態二維四級電場。精確控制四級電壓變化，使壹定質荷比的離子通過正負電極形成的動態電場到達檢測器，對應於電壓變化的每壹個瞬間，只有壹種質荷比的離子能通過。
圖9.7 離子運動軌跡和四極桿電壓示意圖
被分析的離子沿軸向被引進四級桿裝置的壹端，其速度由它們的能量和質量決定。施加的射頻電壓使所有離子偏轉進入壹個振蕩路徑而通過極棒。若適當地選擇射頻和直流電壓，則只有給定的m/z離子才能獲得穩定的路徑而通過極棒，從其另壹端出射，其他離子將被過分偏轉，與極棒碰撞，並在極棒上被中和而丟失。
在正極棒平面中，較輕的離子有被過分偏轉並與極棒相撞的傾向，而感興趣的離子和較重的離子則有穩定的路徑，四級桿的作用相當於壹個高質量過濾器。在負極棒平面中，較重的離子有優先被丟失的傾向，而感興趣的離子和較輕的離子則有較穩定的路徑，四級桿的作用又相當於壹個低質量過濾器。當然，正、負極棒平面在物理上是疊合的。因此，在同壹離子束中，這兩種過濾作用同時發生。這種高低質量過濾作用的交叉重疊並列產生了這樣壹個結構，即只允許具有某特定m/z的感興趣的離子被傳輸。(圖9.8)
圖9.8 四極桿的兩組極棒間離子分離的平面側視圖
a—正極棒平面；b—負極棒平面