Ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) ist ein Instrument, das die Verhältnisse verschiedener Isotope bestimmter Elemente misst. Alle Elemente haben Isotope, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden, was ihnen unterschiedliche Atomgewichte verleiht. Das Prinzip des Isotopenverhältnis-Massenspektrometers besteht darin, die Isotope anhand ihrer unterschiedlichen Massen zu unterscheiden und die Verhältnisse zwischen Isotopenpaaren zu bestimmen. Dieses Gerät kann wichtige Informationen über Alter und Herkunft einer Materialprobe liefern. Das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer findet in vielen Bereichen Anwendung, darunter Geologie, Biologie und Forensik.
Das Design von Isotopenverhältnis-Massenspektrometern kann variieren, aber im Allgemeinen folgen sie den gleichen Grundprinzipien. Es wird einen Einlass geben, in den die Probe eingeführt wird, der zu einer Brennkammer führt, in der das Material in ein Gas umgewandelt wird, möglicherweise mit Mitteln zur Trennung verschiedener Gase, die möglicherweise erzeugt werden. In dieser Stufe werden auch komplexe biologische Materialien in die für die Analyse notwendigen einfachen Verbindungen wie Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt. Das resultierende Gas wird in eine Ionisationskammer geleitet, wo es durch einen Elektronenstrahl ionisiert wird. Das ionisierte Gas wird dann als Strahl in einen Massentrennbereich fokussiert, wo ein Elektromagnet verwendet wird, um die Ionen so abzulenken, dass verschiedene Isotope entsprechend ihrer Massen getrennt werden.
Nachdem sie den Massentrennbereich passiert haben, erreichen die Ionen Kollektoren, die elektrische Signale proportional zur Anzahl der detektierten Ionen erzeugen. Ionen der leichteren Isotope werden durch das Magnetfeld stärker abgelenkt als die schwereren, daher werden die Kollektoren entsprechend positioniert. Somit können die relativen Anteile verschiedener Isotope berechnet werden.
Die Proben müssen vor dem Einbringen in das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer vorbereitet werden. Bei biologischen Substanzen können die Proben beispielsweise in Form von Blättern, Erde oder anderem inhomogenen Material vorliegen. Festes Material wird im Allgemeinen getrocknet und zu einem feinen Pulver gemahlen. Flüssige Proben werden entweder getrocknet oder auf porösem Feststoffmaterial absorbiert. Vor der Durchführung einer Isotopenverhältnisanalyse wird in der Regel eine Kalibrierung mit Materialien bekannter Element- und Isotopenverhältnisse durchgeführt.
Die Gesamtverhältnisse der stabilen Isotope eines beliebigen Elements auf der Erde wurden zum Zeitpunkt der Entstehung des Planeten festgelegt. Obwohl verschiedene Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften haben, werden andere Faktoren wie Mobilität und Flüchtigkeit durch die Massen der Isotope beeinflusst. Aufgrund dieser Unterschiede können verschiedene geochemische und biochemische Prozesse bestimmte Isotope relativ zu ihren Hintergrundwerten konzentrieren oder abbauen, ein Phänomen, das als Isotopenfraktionierung bekannt ist. Zum Beispiel führt die Photosynthese zu einer kleinen, aber signifikanten Verarmung des Isotops Kohlenstoff-13 gegenüber der Atmosphäre.
Unterschiede in den Isotopenverhältnissen von Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen können wichtige Informationen über die Herkunft und Geschichte einer Probe liefern. Mit einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer kann festgestellt werden, ob ein Material organischen Ursprungs ist, und in einigen Fällen sogar das geografische Herkunftsgebiet bestimmen. Dies kann in der Forensik von Nutzen sein. So können beispielsweise Proben illegaler Drogen bis zu ihrer Herkunft zurückverfolgt und Bodenproben eines Tatverdächtigen isotopisch mit denen eines Tatorts verglichen werden.
Da Temperatur und Niederschlag die Isotopenfraktionierung beeinflussen können, kann die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie verwendet werden, um das Erdklima in vergangenen Zeiten zu untersuchen. Die Aufnahme- und Ablagerungsraten von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen durch schalenbildende Meeresorganismen variieren je nach Klima. Aus den Isotopenverhältnissen versteinerter Überreste dieser Organismen können somit Informationen über die klimatischen Bedingungen zu Lebzeiten gewonnen werden.
In der Geologie ist die radiometrische Datierung eine wichtige Anwendung für das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer. Anhand der Isotopenverhältnisse bestimmter metallischer Elemente lässt sich das Alter einer Gesteinsprobe bestimmen. Wenn Gestein gebildet wird, enthält es einige radioaktive Isotope. Diese zerfallen mit bekannter Geschwindigkeit in andere Isotope, entweder des gleichen Elements oder häufiger eines anderen Elements. Das Verhältnis des ursprünglichen – oder „Mutter“-Isotops zum Zerfallsprodukt – oder „Tochter“ – Isotop kann somit verwendet werden, um das Alter des Gesteins zu bestimmen.