Spektrometer massa rasio isotop (IRMS) adalah instrumen yang mengukur rasio isotop yang berbeda dari unsur-unsur tertentu. Semua elemen memiliki isotop yang berbeda satu sama lain hanya dalam jumlah neutron dalam inti, memberikan mereka berat atom yang berbeda. Prinsip di balik spektrometer massa rasio isotop adalah untuk membedakan isotop berdasarkan massa yang berbeda dan menentukan rasio antara pasangan isotop. Perangkat ini dapat memberikan informasi penting tentang usia dan asal sampel bahan. Spektrometer massa rasio isotop memiliki aplikasi di banyak bidang, termasuk geologi, biologi dan ilmu forensik.
Desain spektrometer massa rasio isotop dapat bervariasi, tetapi umumnya mengikuti prinsip dasar yang sama. Akan ada saluran masuk tempat sampel dimasukkan, yang mengarah ke ruang pembakaran tempat bahan diubah menjadi gas, mungkin dengan beberapa cara untuk memisahkan berbagai gas yang mungkin dihasilkan. Tahap ini juga mengubah bahan biologis kompleks menjadi senyawa sederhana yang diperlukan untuk analisis, seperti karbon dioksida (CO2), air (H2O) dan nitrogen (N2). Gas yang dihasilkan dimasukkan ke dalam ruang ionisasi di mana ia terionisasi oleh berkas elektron. Gas terionisasi kemudian difokuskan sebagai berkas ke area pemisahan massa, di mana elektromagnet digunakan untuk membelokkan ion, sehingga isotop yang berbeda akan dipisahkan menurut massanya.
Setelah melewati area pemisahan massa, ion mencapai kolektor yang menghasilkan sinyal listrik sebanding dengan jumlah ion yang terdeteksi. Ion dari isotop yang lebih ringan akan lebih banyak dibelokkan oleh medan magnet daripada yang lebih berat, sehingga pengumpul akan diposisikan sesuai. Dengan demikian, proporsi relatif dari berbagai isotop dapat dihitung.
Sampel harus disiapkan sebelum dimasukkan ke dalam spektrometer massa rasio isotop. Dalam hal zat biologis, misalnya, sampel dapat berupa daun, tanah, atau bahan non-homogen lainnya. Bahan padat umumnya akan dikeringkan dan digiling menjadi bubuk halus. Sampel cair akan dikeringkan atau diserap ke bahan padat berpori. Sebelum melakukan analisis rasio isotop, biasanya akan dilakukan kalibrasi menggunakan bahan dengan unsur yang diketahui dan rasio isotop.
Rasio keseluruhan isotop stabil dari setiap elemen tertentu di Bumi ditetapkan pada saat pembentukan planet. Meskipun isotop yang berbeda dari suatu unsur memiliki sifat kimia yang sama, faktor lain seperti mobilitas dan volatilitas dipengaruhi oleh massa isotop. Karena perbedaan ini, berbagai proses geokimia dan biokimia dapat memusatkan atau menghabiskan isotop tertentu relatif terhadap nilai latar belakangnya, sebuah fenomena yang dikenal sebagai fraksinasi isotop. Misalnya, fotosintesis menghasilkan penipisan isotop karbon-13 relatif kecil namun signifikan terhadap atmosfer.
Perbedaan rasio isotop unsur-unsur seperti karbon, oksigen, nitrogen dan lain-lain dapat memberikan informasi penting tentang asal usul dan sejarah suatu sampel. Dimungkinkan menggunakan spektrometer massa rasio isotop untuk menentukan apakah suatu bahan berasal dari organik dan bahkan, dalam beberapa kasus, untuk menunjukkan dengan tepat wilayah geografis tempat asalnya. Ini dapat berguna dalam ilmu forensik. Misalnya, sampel obat-obatan terlarang dapat ditelusuri kembali ke asalnya dan sampel tanah yang diambil dari tersangka dapat dibandingkan secara isotop dengan sampel dari TKP.
Karena suhu dan curah hujan dapat mempengaruhi fraksinasi isotop, spektrometri massa rasio isotop dapat digunakan untuk menyelidiki iklim bumi di masa lalu. Tingkat penyerapan dan pengendapan isotop karbon dan oksigen oleh organisme laut pembentuk cangkang bervariasi sesuai dengan iklim. Rasio isotop sisa-sisa fosil organisme ini dengan demikian dapat digunakan untuk memperoleh informasi tentang kondisi iklim ketika mereka masih hidup.
Dalam geologi, penanggalan radiometrik merupakan aplikasi penting untuk spektrometer massa rasio isotop. Rasio isotop unsur logam tertentu dapat digunakan untuk menentukan usia sampel batuan. Ketika batu terbentuk, itu akan mengandung beberapa isotop radioaktif. Ini meluruh menjadi isotop lain, baik dari unsur yang sama atau, lebih umum, unsur yang berbeda, pada tingkat yang diketahui. Rasio isotop asli — atau “induk” — dengan produk peluruhan — atau “anak” — isotop dengan demikian dapat digunakan untuk menentukan usia batuan.