Un spectrometru de masă cu raportul izotopilor (IRMS) este un instrument care măsoară rapoartele diferiților izotopi ai anumitor elemente. Toate elementele au izotopi care diferă unul de altul doar prin numărul de neutroni din nucleu, dându-le greutăți atomice diferite. Principiul din spatele spectrometrului de masă cu raportul izotopilor este de a diferenția izotopii pe baza diferitelor lor mase și de a determina rapoartele dintre perechile de izotopi. Acest dispozitiv poate oferi informații vitale despre vârsta și originea unui eșantion de material. Spectrometrul de masă cu raportul izotopului are aplicații în multe domenii, inclusiv geologie, biologie și criminalistică.
Proiectarea spectrometrelor de masă cu raportul izotopilor poate varia, dar, în general, urmează aceleași principii de bază. Va exista un orificiu de admisie în care este introdusă proba, care duce la o cameră de ardere în care materialul este transformat într-un gaz, eventual cu unele mijloace de separare a diferitelor gaze care pot fi produse. Această etapă transformă, de asemenea, materialele biologice complexe în compuși simpli necesari analizei, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2), apa (H2O) și azotul (N2). Gazul rezultat este introdus într-o cameră de ionizare unde este ionizat de un fascicul de electroni. Gazul ionizat este apoi concentrat ca un fascicul într-o zonă de separare a masei, unde un electromagnet este folosit pentru a devia ionii, astfel încât diferiți izotopi să fie separați în funcție de masele lor.
După trecerea prin zona de separare a maselor, ionii ajung la colectoare care generează semnale electrice proporționale cu numărul de ioni detectați. Ionii izotopilor mai ușori vor fi fost deviați mai mult de câmpul magnetic decât cei mai grei, astfel încât colectorii vor fi poziționați corespunzător. Astfel, proporțiile relative ale diferiților izotopi pot fi calculate.
Probele trebuie pregătite înainte de a fi introduse în spectrometrul de masă cu raportul izotop. În cazul substanțelor biologice, de exemplu, probele pot fi sub formă de frunze, sol sau alt material neomogen. Materialul solid va fi în general uscat și măcinat într-o pulbere fină. Probele lichide vor fi fie uscate, fie absorbite pe material solid poros. Înainte de a efectua o analiză a raportului izotop, se va efectua de obicei calibrarea folosind materiale cu elemente cunoscute și rapoarte izotopice.
Raporturile generale ale izotopilor stabili ai oricărui element dat de pe Pământ au fost fixate în momentul formării planetei. Deși diferiți izotopi ai unui element au aceleași proprietăți chimice, alți factori precum mobilitatea și volatilitatea sunt influențați de masele izotopilor. Datorită acestor diferențe, diferite procese geochimice și biochimice pot concentra sau epuiza anumiți izotopi în raport cu valorile lor de fond, un fenomen cunoscut sub numele de fracționare izotopică. De exemplu, fotosinteza are ca rezultat o epuizare mică, dar semnificativă, a izotopului carbon-13 în raport cu atmosferă.
Diferențele în raporturile izotopilor elementelor precum carbonul, oxigenul, azotul și altele pot oferi informații importante despre originea și istoria unei probe. Este posibilă utilizarea unui spectrometru de masă cu raportul izotopului pentru a determina dacă un material este de origine organică și chiar, în unele cazuri, pentru a identifica zona geografică de unde a provenit. Acest lucru poate fi de folos în criminalistică. De exemplu, mostrele de droguri ilegale pot fi urmărite până la originile lor, iar probele de sol prelevate de la un suspect pot fi comparate izotopic cu cele de la locul crimei.
Deoarece temperatura și precipitațiile pot influența fracționarea izotopică, spectrometria de masă a raportului izotop poate fi utilizată pentru a investiga clima pământului din vremuri trecute. Ratele de absorbție și depunere a izotopilor de carbon și oxigen de către organismele marine care formează cochilii variază în funcție de climă. Raporturile izotopice ale rămășițelor fosilizate ale acestor organisme pot fi astfel utilizate pentru a obține informații despre condițiile climatice atunci când erau în viață.
În geologie, datarea radiometrică este o aplicație importantă pentru spectrometrul de masă cu raportul izotopului. Raporturile izotopice ale anumitor elemente metalice pot fi utilizate pentru a determina vârsta unei probe de rocă. Când se formează roca, va conține niște izotopi radioactivi. Acestea se descompun în alți izotopi, fie ai aceluiași element, fie, mai frecvent, într-un element diferit, la o viteză cunoscută. Raportul dintre izotopul original – sau „părinte” – și produsul de degradare – sau „fiică” – izotop poate fi astfel utilizat pentru a determina vârsta rocii.