Το φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων (IRMS) είναι ένα όργανο που μετρά τις αναλογίες διαφορετικών ισοτόπων συγκεκριμένων στοιχείων. Όλα τα στοιχεία έχουν ισότοπα που διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα, δίνοντάς τους διαφορετικά ατομικά βάρη. Η αρχή πίσω από το φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων είναι η διαφοροποίηση των ισοτόπων με βάση τις διαφορετικές μάζες τους και ο προσδιορισμός των αναλογιών μεταξύ των ζευγών ισοτόπων. Αυτή η συσκευή μπορεί να παρέχει ζωτικής σημασίας πληροφορίες σχετικά με την ηλικία και την προέλευση ενός δείγματος υλικού. Το φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων έχει εφαρμογές σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της γεωλογίας, της βιολογίας και της εγκληματολογικής επιστήμης.
Ο σχεδιασμός των φασματόμετρων μάζας αναλογίας ισοτόπων μπορεί να ποικίλλει, αλλά γενικά, ακολουθούν τις ίδιες βασικές αρχές. Θα υπάρχει μια είσοδος όπου εισάγεται το δείγμα, που οδηγεί σε έναν θάλαμο καύσης όπου το υλικό μετατρέπεται σε αέριο, πιθανώς με κάποιο μέσο διαχωρισμού διαφορετικών αερίων που μπορεί να παραχθούν. Αυτό το στάδιο μετατρέπει επίσης πολύπλοκα βιολογικά υλικά στις απλές ενώσεις που απαιτούνται για ανάλυση, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το νερό (H2O) και το άζωτο (N2). Το αέριο που προκύπτει τροφοδοτείται σε ένα θάλαμο ιονισμού όπου ιονίζεται από μια δέσμη ηλεκτρονίων. Το ιονισμένο αέριο στη συνέχεια εστιάζεται ως δέσμη σε μια περιοχή διαχωρισμού μάζας, όπου ένας ηλεκτρομαγνήτης χρησιμοποιείται για να εκτρέψει τα ιόντα, έτσι ώστε διαφορετικά ισότοπα θα διαχωριστούν ανάλογα με τις μάζες τους.
Αφού περάσουν από την περιοχή διαχωρισμού μάζας, τα ιόντα φτάνουν σε συλλέκτες που παράγουν ηλεκτρικά σήματα ανάλογα με τον αριθμό των ιόντων που ανιχνεύονται. Τα ιόντα των ελαφρύτερων ισοτόπων θα έχουν εκτραπεί περισσότερο από το μαγνητικό πεδίο από τα βαρύτερα, επομένως οι συλλέκτες θα τοποθετηθούν ανάλογα. Έτσι, μπορούν να υπολογιστούν οι σχετικές αναλογίες διαφορετικών ισοτόπων.
Τα δείγματα πρέπει να προετοιμαστούν πριν εισαχθούν στο φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων. Στην περίπτωση βιολογικών ουσιών, για παράδειγμα, τα δείγματα μπορεί να έχουν τη μορφή φύλλων, εδάφους ή άλλου μη ομοιογενούς υλικού. Το στερεό υλικό γενικά θα στεγνώσει και θα αλέθεται σε λεπτή σκόνη. Τα υγρά δείγματα είτε θα στεγνώσουν είτε θα απορροφηθούν σε πορώδες στερεό υλικό. Πριν από τη διεξαγωγή μιας ανάλυσης αναλογίας ισοτόπων, συνήθως πραγματοποιείται βαθμονόμηση χρησιμοποιώντας υλικά γνωστών αναλογιών στοιχείων και ισοτόπων.
Οι συνολικές αναλογίες σταθερών ισοτόπων οποιουδήποτε δεδομένου στοιχείου στη Γη καθορίστηκαν τη στιγμή του σχηματισμού του πλανήτη. Αν και διαφορετικά ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, άλλοι παράγοντες όπως η κινητικότητα και η πτητότητα επηρεάζονται από τις μάζες των ισοτόπων. Λόγω αυτών των διαφορών, διάφορες γεωχημικές και βιοχημικές διεργασίες μπορούν να συγκεντρώσουν ή να εξαντλήσουν συγκεκριμένα ισότοπα σε σχέση με τις τιμές υποβάθρου τους, ένα φαινόμενο γνωστό ως ισοτοπική κλασμάτωση. Για παράδειγμα, η φωτοσύνθεση έχει ως αποτέλεσμα μια μικρή αλλά σημαντική εξάντληση του ισοτόπου άνθρακα-13 σε σχέση με την ατμόσφαιρα.
Οι διαφορές στις αναλογίες των ισοτόπων στοιχείων όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο, το άζωτο και άλλα μπορούν να παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την προέλευση και την ιστορία ενός δείγματος. Είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένα φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων για να προσδιοριστεί εάν ένα υλικό είναι οργανικής προέλευσης και ακόμη, σε ορισμένες περιπτώσεις, να προσδιοριστεί με ακρίβεια η γεωγραφική περιοχή από την οποία προήλθε. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο στην εγκληματολογική επιστήμη. Για παράδειγμα, τα δείγματα παράνομων ναρκωτικών μπορούν να εντοπιστούν στην προέλευσή τους και τα δείγματα εδάφους που λαμβάνονται από έναν ύποπτο μπορούν να συγκριθούν ισοτοπικά με εκείνα από έναν τόπο εγκλήματος.
Καθώς η θερμοκρασία και η κατακρήμνιση μπορούν να επηρεάσουν την ισοτοπική κλασμάτωση, η φασματομετρία μάζας αναλογίας ισοτόπων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση του κλίματος της γης σε προηγούμενες εποχές. Οι ρυθμοί πρόσληψης και εναπόθεσης ισοτόπων άνθρακα και οξυγόνου από θαλάσσιους οργανισμούς που σχηματίζουν κέλυφος ποικίλλουν ανάλογα με το κλίμα. Οι αναλογίες ισοτόπων των απολιθωμένων υπολειμμάτων αυτών των οργανισμών μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη πληροφοριών σχετικά με τις κλιματικές συνθήκες όταν ζούσαν.
Στη γεωλογία, η ραδιομετρική χρονολόγηση είναι μια σημαντική εφαρμογή για το φασματόμετρο μάζας αναλογίας ισοτόπων. Οι αναλογίες ισοτόπων ορισμένων μεταλλικών στοιχείων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της ηλικίας ενός δείγματος πετρώματος. Όταν σχηματιστεί βράχος, θα περιέχει μερικά ραδιενεργά ισότοπα. Αυτά διασπώνται σε άλλα ισότοπα, είτε του ίδιου στοιχείου είτε, συνηθέστερα, διαφορετικού στοιχείου, με γνωστό ρυθμό. Η αναλογία του αρχικού — ή «γονικού» — ισοτόπου προς το προϊόν διάσπασης — ή «κόρη» — ισοτόπου μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ηλικίας του βράχου.