Bir izotop oranı kütle spektrometresi (IRMS), belirli elementlerin farklı izotoplarının oranlarını ölçen bir araçtır. Tüm elemanlar, sadece çekirdekteki nötron sayısında birbirlerinden farklı izotoplara sahiptir ve onlara farklı atom ağırlıkları verir. İzotop oranı kütle spektrometresinin arkasındaki prensip, izotopları farklı kütlelere göre ayırt etmek ve izotop çiftleri arasındaki oranları belirlemektir. Bu cihaz, bir malzeme numunesinin yaşı ve kökeni hakkında hayati bilgiler sağlayabilir. İzotop oranı kütle spektrometresi, jeoloji, biyoloji ve adli bilimler dahil olmak üzere birçok alanda uygulamalara sahiptir.
İzotop oranı kütle spektrometrelerinin tasarımı değişebilir, ancak genellikle aynı temel prensipleri izlerler. Numunenin verildiği, malzemenin bir gaza dönüştürüldüğü bir yanma odasına, muhtemelen üretilebilecek farklı gazları ayırmak için bazı yollara yol açan bir giriş olacaktır. Bu aşama aynı zamanda karmaşık biyolojik malzemeleri, karbondioksit (CO2), su (H20) ve azot (N2) gibi analiz için gereken basit bileşiklere dönüştürür. Elde edilen gaz, bir elektron ışını ile iyonize edildiği bir iyonizasyon odasına beslenir. İyonize gaz daha sonra iyonları saptırmak için bir elektromıknatısın kullanıldığı, böylece kütlelerine göre farklı izotopların ayrılacağı bir kütle ayırma alanına ışın olarak odaklanır.
Kütle ayırma alanından geçtikten sonra, iyonlar tespit edilen iyon sayısına orantılı elektrik sinyalleri üreten kollektörlere ulaşır. Çakmak izotoplarının iyonları manyetik alan tarafından daha ağır olanlardan daha fazla sapmış olacak, böylece toplayıcılar buna göre konumlandırılacaktır. Böylece, farklı izotopların nispi oranları hesaplanabilir.
Numuneler, izotop oranı kütle spektrometresine dahil edilmeden önce hazırlanmalıdır. Biyolojik maddeler söz konusu olduğunda, örneğin, numuneler yapraklar, toprak veya homojen olmayan diğer materyaller şeklinde olabilir. Katı malzeme genellikle kurutulur ve ince bir toz halinde öğütülür. Sıvı numuneler ya kurutulacak ya da gözenekli katı madde üzerine emilecektir. Bir izotop oranı analizi yapılmadan önce, bilinen elemanların ve izotop oranlarının materyalleri kullanılarak kalibrasyon genellikle yapılır.
Dünyadaki herhangi bir elementin kararlı izotoplarının genel oranları gezegenin oluşumu sırasında belirlendi. Bir elementin farklı izotopları aynı kimyasal özelliklere sahip olsa da, mobilite ve uçuculuk gibi diğer faktörler izotopların kütlelerinden etkilenir. Bu farklılıklar nedeniyle, çeşitli jeokimyasal ve biyokimyasal işlemler, izotopik fraksiyonasyon olarak bilinen bir fenomen olan, arka plan değerlerine göre belirli izotopları konsantre edebilir veya tüketebilir. Örneğin, fotosentez, atmosfere göre izotop karbon-13'ün küçük ama anlamlı bir şekilde tükenmesine yol açar.
Karbon, oksijen, azot ve diğerleri gibi elementlerin izotoplarının oranlarındaki farklılıklar, bir numunenin kökeni ve tarihi hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bir malzemenin organik kökenli olup olmadığını belirlemek ve hatta bazı durumlarda, oluştuğu coğrafi bölgeyi tespit etmek için izotop oranlı bir kütle spektrometresi kullanmak mümkündür. Bu, adli bilimlerde kullanılabilir. Örneğin, yasadışı uyuşturucu örnekleri kökenlerine kadar izlenebilir ve bir şüpheliden alınan toprak örnekleri, olay yerindekilerle izotopik olarak karşılaştırılabilir.
Sıcaklık ve yağış, izotopik parçalanmayı etkileyebildiği için, izotop oranındaki kütle spektrometrisi geçmiş zamanlardaki dünyanın iklimini araştırmak için kullanılabilir. Kabuk oluşturan deniz organizmaları tarafından karbon ve oksijen izotoplarının alım ve biriktirme oranları iklime göre değişmektedir. Bu organizmaların fosilleşmiş kalıntılarına ait izotop oranları, yaşadıkları zaman iklim koşulları hakkında bilgi edinmek için kullanılabilir.
Jeolojide, radyometrik tarihleme izotop oranı kütle spektrometresi için önemli bir uygulamadır. Bazı metal elementlerin izotop oranları, bir kaya numunesinin yaşını belirlemek için kullanılabilir. Kaya oluştuğunda, bazı radyoaktif izotoplar içerecektir. Bunlar, aynı elementten veya daha yaygın olarak bilinen bir oranda farklı bir elementten başka izotoplara bozunmaktadır. Orijinalin - veya “ebeveyn” - izotopun çürüme ürününe oranı - veya “kız” - izotop bu şekilde kaya yaşını belirlemek için kullanılabilir.
