En isotopförhållande masspektrometer (IRMS) är ett instrument som mäter förhållandet mellan olika isotoper av vissa grundämnen. Alla grundämnen har isotoper som skiljer sig från varandra endast i antalet neutroner i kärnan, vilket ger dem olika atomvikter. Principen bakom isotopkvotmasspektrometern är att differentiera isotoperna utifrån deras olika massor och bestämma förhållandena mellan isotoppar. Denna enhet kan ge viktig information om ålder och ursprung för ett materialprov. Isotopförhållandemasspektrometern har tillämpningar inom många områden, inklusive geologi, biologi och kriminalteknisk vetenskap.
Utformningen av isotopförhållande masspektrometrar kan variera, men i allmänhet följer de samma grundläggande principer. Det kommer att finnas ett inlopp där provet införs, vilket leder till en förbränningskammare där materialet omvandlas till en gas, eventuellt med något sätt att separera olika gaser som kan produceras. Detta steg omvandlar också komplexa biologiska material till de enkla föreningar som krävs för analys, såsom koldioxid (CO2), vatten (H2O) och kväve (N2). Den resulterande gasen matas in i en joniseringskammare där den joniseras av en elektronstråle. Den joniserade gasen fokuseras sedan som en stråle in i ett masssepareringsområde, där en elektromagnet används för att avleda jonerna, så att olika isotoper kommer att separeras enligt deras massor.
Efter att ha passerat genom masssepareringsområdet når jonerna kollektorer som genererar elektriska signaler proportionellt mot antalet detekterade joner. Joner av de lättare isotoperna kommer att ha avböjts mer av magnetfältet än de tyngre, så kollektorerna kommer att placeras därefter. Således kan de relativa proportionerna av olika isotoper beräknas.
Proverna måste förberedas innan de förs in i isotopförhållandemasspektrometern. När det gäller till exempel biologiska ämnen kan proverna vara i form av löv, jord eller annat icke-homogent material. Fast material kommer i allmänhet att torkas och malas till ett fint pulver. Flytande prover kommer antingen att torkas eller absorberas på poröst fast material. Innan en analys av isotopförhållandet utförs, utförs vanligtvis kalibrering med material med kända grundämnen och isotopförhållanden.
De övergripande förhållandena av stabila isotoper för ett givet element på jorden var fasta vid tidpunkten för planetens bildande. Även om olika isotoper av ett grundämne har samma kemiska egenskaper, påverkas andra faktorer som rörlighet och flyktighet av isotopernas massor. På grund av dessa skillnader kan olika geokemiska och biokemiska processer koncentrera eller utarma vissa isotoper i förhållande till deras bakgrundsvärden, ett fenomen som kallas isotopfraktionering. Till exempel resulterar fotosyntes i en liten men betydande utarmning av isotopen kol-13 i förhållande till atmosfären.
Skillnader i förhållandet mellan isotoper av element som kol, syre, kväve och andra kan ge viktig information om ursprunget och historien för ett prov. Det är möjligt att använda en isotopförhållande masspektrometer för att avgöra om ett material är av organiskt ursprung och till och med, i vissa fall, för att fastställa det geografiska området där det har sitt ursprung. Detta kan vara användbart inom kriminalteknik. Exempelvis kan prover av illegala droger spåras tillbaka till deras ursprung och jordprover som tagits från en misstänkt kan isotopiskt jämföras med de från en brottsplats.
Eftersom temperatur och nederbörd kan påverka isotopfraktionering kan isotopkvotmasspektrometri användas för att undersöka jordens klimat i tidigare tider. Hastigheterna för upptag och avsättning av kol- och syreisotoper av skalbildande marina organismer varierar beroende på klimatet. Isotopkvoter av fossiliserade rester av dessa organismer kan alltså användas för att få information om klimatförhållandena när de levde.
Inom geologi är radiometrisk datering en viktig applikation för masspektrometern för isotopförhållandet. Isotopförhållandena för vissa metalliska element kan användas för att bestämma åldern på ett stenprov. När sten bildas kommer den att innehålla några radioaktiva isotoper. Dessa sönderfaller till andra isotoper, antingen av samma element eller, vanligare, ett annat element, med en känd hastighet. Förhållandet mellan den ursprungliga – eller ”förälder” – isotopen och sönderfallsprodukten – eller ”dotter” – isotopen kan alltså användas för att bestämma bergets ålder.