Isotooppisuhteiden massaspektrometri (IRMS) on laite, joka mittaa tiettyjen elementtien eri isotooppien suhteet. Kaikilla elementeillä on isotooppeja, jotka eroavat toisistaan vain ytimen neutronien lukumäärässä, jolloin niillä on erilaiset atomipainot. Isotooppisuhteiden massaspektrometrin periaate on erottaa isotoopit niiden erilaisten massojen perusteella ja määrittää isotooppiparien väliset suhteet. Tämä laite voi antaa tärkeitä tietoja materiaalinäytteen iästä ja alkuperästä. Isotooppisuhteiden massaspektrometriä käytetään monilla aloilla, mukaan lukien geologia, biologia ja oikeuslääketiede.
Isotooppisuhteiden massaspektrometrien rakenne voi vaihdella, mutta yleensä ne noudattavat samoja perusperiaatteita. Näytteeseen viedään tuloaukko, joka johtaa polttokammioon, jossa materiaali muutetaan kaasuksi, mahdollisesti jollakin tapaa erottaa erilaiset mahdollisesti syntyvät kaasut. Tässä vaiheessa myös monimutkaiset biologiset materiaalit muutetaan analyysiin tarvittaviksi yksinkertaisiksi yhdisteiksi, kuten hiilidioksidiksi (CO2), vedeksi (H2O) ja typpeksi (N2). Tuloksena oleva kaasu syötetään ionisaatiokammioon, jossa elektronisuihku ionisoi sen. Ionisoitu kaasu kohdistetaan sitten säteenä massanerotusalueelle, jossa käytetään sähkömagneettia ionien ohjaamiseksi siten, että eri isotoopit erotetaan niiden massan mukaan.
Kun massanerotusalue on kulkenut, ionit saavuttavat keräimet, jotka tuottavat sähköisiä signaaleja, jotka ovat verrannollisia havaittujen ionien määrään. Magneettikenttä on ohjannut kevyempien isotooppien ionit enemmän kuin raskaammat, joten keräimet sijoitetaan vastaavasti. Siten voidaan laskea eri isotooppien suhteelliset osuudet.
Näytteet on valmisteltava ennen niiden lisäämistä isotooppisuhteen massaspektrometriin. Esimerkiksi biologisten aineiden osalta näytteet voivat olla lehtien, maaperän tai muun epähomogeenisen materiaalin muodossa. Kiinteä materiaali yleensä kuivataan ja jauhetaan hienoksi jauheeksi. Nestemäiset näytteet joko kuivataan tai imeytyvät huokoiseen kiinteään materiaaliin. Ennen isotooppisuhdeanalyysin suorittamista suoritetaan yleensä kalibrointi käyttäen tunnetun alkuaineen materiaaleja ja isotooppisuhteita.
Minkä tahansa maapallon alkuaineen stabiilien isotooppien yleiset suhteet vahvistettiin planeetan muodostumishetkellä. Vaikka alkuaineen eri isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet, isotooppien massat vaikuttavat muihin tekijöihin, kuten liikkuvuuteen ja haihtuvuuteen. Näiden erojen vuoksi erilaiset geokemialliset ja biokemialliset prosessit voivat keskittyä tai heikentää tiettyjä isotooppeja suhteessa niiden tausta -arvoihin, mikä tunnetaan nimellä isotooppifraktiointi. Esimerkiksi fotosynteesi johtaa pieneen mutta merkittävään hiili-13-isotoopin ehtymiseen suhteessa ilmakehään.
Ero alkuaineiden, kuten hiilen, hapen, typen ja muiden, isotooppien suhteissa voi antaa tärkeää tietoa näytteen alkuperästä ja historiasta. On mahdollista käyttää isotooppisuhteen massaspektrometriä sen määrittämiseksi, onko materiaali orgaanista alkuperää, ja jopa joissakin tapauksissa määrittää maantieteellinen alue, josta se on peräisin. Tästä voi olla hyötyä oikeuslääketieteessä. Esimerkiksi laittomien huumeiden näytteet voidaan jäljittää niiden alkuperästä ja epäillyltä otettuja maaperänäytteitä voidaan verrata isotooppisesti rikospaikalta otettuihin näytteisiin.
Koska lämpötila ja sademäärä voivat vaikuttaa isotooppifraktiointiin, isotooppisuhteiden massaspektrometriaa voidaan käyttää maapallon ilmaston tutkimiseen menneinä aikoina. Kuoren muodostavien meren eliöiden hiili- ja happi-isotooppien imeytymis- ja laskeutumisnopeudet vaihtelevat ilmaston mukaan. Näiden organismien fossiilisten jäännösten isotooppisuhteita voidaan siten käyttää tiedon saamiseen ilmasto -olosuhteista niiden ollessa elossa.
Geologiassa radiometrinen dating on tärkeä sovellus isotooppisuhteen massaspektrometrille. Tiettyjen metallielementtien isotooppisuhteita voidaan käyttää määrittämään kivinäytteen ikä. Kun kallio muodostuu, se sisältää joitakin radioaktiivisia isotooppeja. Nämä hajoavat muiksi isotoopeiksi, joko samasta alkuaineesta tai, yleisemmin, eri alkuaineesta, tunnetulla nopeudella. Alkuperäisen – tai “isä” – isotoopin suhdetta hajoamistuotteeseen – tai “tytär” – isotooppiin voidaan siten käyttää määrittämään kiven ikä.