Masni spektrometer razmerja izotopov (IRMS) je instrument, ki meri razmerja različnih izotopov posameznih elementov. Vsi elementi imajo izotope, ki se med seboj razlikujejo le po številu nevtronov v jedru, kar jim daje različne atomske teže. Načelo masnega spektrometra z razmerjem izotopov je razlikovati izotope na podlagi njihovih različnih mas in določiti razmerja med pari izotopov. Ta naprava lahko zagotovi pomembne informacije o starosti in izvoru vzorca materiala. Masni spektrometer z razmerjem izotopov se uporablja na številnih področjih, vključno z geologijo, biologijo in forenziko.
Zasnova masnih spektrometrov z razmerjem izotopov se lahko razlikuje, vendar na splošno sledijo istim osnovnim načelom. Tam bo vhod, kamor se vnese vzorec, ki vodi v zgorevalno komoro, kjer se material pretvori v plin, po možnosti z nekaterimi sredstvi za ločevanje različnih plinov, ki bi lahko nastali. Ta stopnja tudi pretvori kompleksne biološke materiale v preproste spojine, potrebne za analizo, kot so ogljikov dioksid (CO2), voda (H2O) in dušik (N2). Nastali plin se dovaja v ionizacijsko komoro, kjer ga ionizira snop elektronov. Ionizirani plin se nato kot žarek usmeri v območje ločevanja mase, kjer se elektromagnet uporablja za odklon ionov, tako da se različni izotopi ločijo glede na njihovo maso.
Po prehodu skozi območje ločevanja mase ioni dosežejo zbiralnike, ki ustvarjajo električne signale, sorazmerne s številom zaznanih ionov. Ione lažjih izotopov bo magnetno polje odklonilo bolj kot težje, zato bodo kolektorji ustrezno nameščeni. Tako je mogoče izračunati relativne deleže različnih izotopov.
Vzorce je treba pripraviti, preden jih vnesemo v masni spektrometer razmerja izotopov. V primeru bioloških snovi so lahko na primer vzorci v obliki listov, zemlje ali drugega nehomogenega materiala. Trden material se običajno posuši in zmelje v fin prah. Tekoči vzorci se bodisi posušijo bodisi absorbirajo na porozni trdni material. Pred izvedbo analize razmerja izotopov se običajno izvede kalibracija z uporabo materialov z znanimi razmerji elementov in izotopov.
Skupna razmerja stabilnih izotopov katerega koli elementa na Zemlji so bila določena v času nastanka planeta. Čeprav imajo različni izotopi elementa enake kemijske lastnosti, pa na druge dejavnike, kot sta mobilnost in hlapnost, vplivajo mase izotopov. Zaradi teh razlik lahko različni geokemični in biokemični procesi koncentrirajo ali izčrpajo določene izotope glede na njihove osnovne vrednosti, pojav, znan kot izotopsko frakcioniranje. Na primer, fotosinteza povzroči majhno, a pomembno izčrpavanje izotopa ogljika-13 glede na ozračje.
Razlike v razmerjih izotopov elementov, kot so ogljik, kisik, dušik in drugi, lahko zagotovijo pomembne informacije o izvoru in zgodovini vzorca. Z masnim spektrometrom razmerja izotopov je mogoče ugotoviti, ali je material organskega izvora, in celo, v nekaterih primerih, natančno določiti geografsko območje, od koder izvira. To je lahko uporabno v forenziki. Na primer, vzorce prepovedanih drog je mogoče izslediti do njihovega izvora in vzorce zemlje, odvzete osumljencu, izotopsko primerjati s tistimi s kraja zločina.
Ker lahko temperatura in padavine vplivajo na izotopsko frakcioniranje, se lahko z masno spektrometrijo razmerja izotopov uporabi za raziskovanje zemeljskega podnebja v preteklih časih. Stopnje privzema in odlaganja izotopov ogljika in kisika s strani morskih organizmov, ki tvorijo školjke, se razlikujejo glede na podnebje. Razmerja izotopov fosiliziranih ostankov teh organizmov se tako lahko uporabijo za pridobivanje informacij o podnebnih razmerah, ko so bili živi.
V geologiji je radiometrično datiranje pomembna aplikacija za masni spektrometer razmerja izotopov. Razmerja izotopov nekaterih kovinskih elementov se lahko uporabijo za določitev starosti vzorca kamnine. Ko nastane kamnina, bo vsebovala nekaj radioaktivnih izotopov. Ti razpadejo na druge izotope, bodisi istega elementa ali pogosteje drugega elementa, z znano hitrostjo. Razmerje med prvotnim – ali “matičnim” – izotopom in produktom razpada – ali “hčerinskim” – izotopom se tako lahko uporabi za določitev starosti kamnine.