Maseni spektrometar omjera izotopa (IRMS) je instrument koji mjeri omjere različitih izotopa pojedinih elemenata. Svi elementi imaju izotope koji se međusobno razlikuju samo po broju neutrona u jezgri, što im daje različite atomske težine. Princip iza masenog spektrometra omjera izotopa je razlikovati izotope na temelju njihovih različitih masa i odrediti omjere između parova izotopa. Ovaj uređaj može pružiti vitalne informacije o starosti i podrijetlu uzorka materijala. Maseni spektrometar omjera izotopa ima primjenu u mnogim područjima, uključujući geologiju, biologiju i forenzičku znanost.
Dizajn masenih spektrometara omjera izotopa može varirati, ali općenito slijede ista osnovna načela. Postojat će ulaz u koji se uvodi uzorak, što vodi do komore za izgaranje u kojoj se materijal pretvara u plin, moguće s nekim sredstvima za odvajanje različitih plinova koji se mogu proizvesti. Ova faza također pretvara složene biološke materijale u jednostavne spojeve potrebne za analizu, kao što su ugljični dioksid (CO2), voda (H2O) i dušik (N2). Dobiveni plin se dovodi u ionizacijske komore gdje se ionizira snopom elektrona. Ionizirani plin se zatim fokusira kao snop u područje odvajanja mase, gdje se elektromagnet koristi za odbijanje iona, tako da će se različiti izotopi razdvojiti prema njihovoj masi.
Nakon prolaska kroz područje odvajanja mase, ioni dolaze do kolektora koji generiraju električne signale proporcionalne broju otkrivenih iona. Ioni lakših izotopa bit će odmaknuti više od magnetskog polja od težih, pa će kolektori biti postavljeni u skladu s tim. Tako se mogu izračunati relativni udjeli različitih izotopa.
Uzorci se moraju pripremiti prije uvođenja u maseni spektrometar omjera izotopa. U slučaju bioloških tvari, na primjer, uzorci mogu biti u obliku lišća, zemlje ili drugog nehomogenog materijala. Čvrsti materijal će se općenito osušiti i samljeti u fini prah. Tekući uzorci će se ili osušiti ili apsorbirati na porozni čvrsti materijal. Prije provođenja analize omjera izotopa obično se provodi kalibracija korištenjem materijala poznatih omjera elemenata i izotopa.
Ukupni omjeri stabilnih izotopa bilo kojeg elementa na Zemlji bili su fiksirani u vrijeme nastanka planeta. Iako različiti izotopi elementa imaju ista kemijska svojstva, na druge čimbenike kao što su mobilnost i hlapljivost utječu mase izotopa. Zbog ovih razlika, različiti geokemijski i biokemijski procesi mogu koncentrirati ili iscrpiti određene izotope u odnosu na njihove pozadinske vrijednosti, što je fenomen poznat kao izotopsko frakcioniranje. Na primjer, fotosinteza rezultira malim, ali značajnim osiromašenjem izotopa ugljika-13 u odnosu na atmosferu.
Razlike u omjerima izotopa elemenata kao što su ugljik, kisik, dušik i drugi mogu pružiti važne informacije o podrijetlu i povijesti uzorka. Moguće je korištenjem masenog spektrometra omjera izotopa utvrditi je li materijal organskog podrijetla, pa čak i, u nekim slučajevima, odrediti geografsko područje odakle potječe. Ovo može biti od koristi u forenzičkoj znanosti. Na primjer, uzorci ilegalnih droga mogu se pratiti do njihova podrijetla, a uzorci tla uzeti od osumnjičenika mogu se izotopski usporediti s onima s mjesta zločina.
Kako temperatura i oborine mogu utjecati na izotopsko frakcioniranje, masena spektrometrija omjera izotopa može se koristiti za istraživanje Zemljine klime u prošlim vremenima. Brzine preuzimanja i taloženja izotopa ugljika i kisika od strane morskih organizama koji tvore školjke razlikuju se ovisno o klimi. Omjeri izotopa fosiliziranih ostataka ovih organizama mogu se stoga koristiti za dobivanje informacija o klimatskim uvjetima dok su bili živi.
U geologiji, radiometrijsko datiranje je važna primjena masenog spektrometra omjera izotopa. Omjeri izotopa određenih metalnih elemenata mogu se koristiti za određivanje starosti uzorka stijene. Kada se formira stijena, sadržavat će neke radioaktivne izotope. Oni se raspadaju u druge izotope, bilo istog elementa ili, češće, drugog elementa, poznatom brzinom. Omjer izvornog – ili “roditeljskog” – izotopa prema produktu raspada – ili “kćeri” – izotopa se stoga može koristiti za određivanje starosti stijene.