Die Bioelemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel bestehen aus Gemischen stabiler Isotope. Die jeweils schwereren Isotope haben im Verhältnis zu den leichten einen nur sehr geringen Anteil.
Variationen dieser Verhältnisse können durch Verdunstung oder Kondensation der Ausgangsstoffe (z. B. Wasser) in der Umwelt oder durch biochemische Prozesse in Organismen ( z.B. Stickstoff aus Dünger) erfolgen.
Auf der Basis dieser Zusammenhänge ist es möglich, Isotopenverhältnismuster von Lebensmittel-Inhaltsstoffen zur Bestimmung der geographischen Herkunft oder der Produktionsart als Schlüsselparameter der Authentizität zu verwenden.
Zur Analyse werden organische Proben durch elementaranalytische Verfahren in entsprechende Messgase (z.B. CO₂, N₂O, SO₂, O₂, N₂, H₂) überführt, welche in einem Massenspektrometer (Isotope Ratio MS, IRMS) auf ihre jeweiligen Isotopenverhältnisse (z.B. ¹²C¹⁶O₂ / ¹³C¹⁶O₂ , d.h. Signalintensität bei Masse 44 / Signalintensität bei Masse 45 für das ¹²C / ¹³C - Verhältnis) untersucht werden. Zur Kalibration werden Referenzsubstanzen mit exakt bekannten Isotopenverhältnissen verwendet.

Anwendung auf Lebensmittel

Validierte Methoden der IRMS werden in zunehmendem Maße im Rahmen des Verbraucherschutzes vor allem auf pflanzliche Lebensmittel (Wein, Spirituosen, Fruchtsäfte, Gemüse, Honig und Aromen) angewendet. Dabei werden häufig Isotopenverhältnisse in Kombination gemessen, um eindeutige Ergebnisse zu erzielen.

Wein, Traubenmost

Über die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Wasserstoff und Kohlenstoff kann festgestellt werden, ob Fremdzucker verwendet wurde.
In Kombination mit dem Sauerstoffisotopenverhältnis, welches u.a. von der Höhe über dem Meeresspiegel abhängt, sind auf der vorhandenen Basis von Referenzproben Aussagen über die Anbaugebiete möglich.

Spirituosen

Hierbei lassen sich die Rohstoffart bei Destillaten aus Obststoffen, Anteile von Alkoholen aus Getreide oder Kartoffeln sowie von Synthesealkohol zur Prüfung auf Verfälschung ermitteln, indem die Korrelation von Wasserstoff- und Kohlenstoffisotopenverhältnisse betrachtet wird.

Fruchtsäfte

Neben der Untersuchung, ob Zucker und Säure aus demselben Rohstoff stammen (Prüfung auf Fremdzucker) lässt sich Fremdwasser als indirekter Nachweis von Konzentratverwendung durch das Sauerstoffisotopenverhältnis identifizieren.

Gemüse

Mit zunehmender Breite entsprechender Referenzdaten wird es möglich, durch Kombination von Stickstoff- und Sauerstoffstabilisotopenmessungen Aussagen über die geographische Herkunft selbst nahe beieinanderliegender Anbaugebiete zu gewinnen. Durch die Anreicherung von ¹⁵N um etwa 3 ^o/_oo spiegelt das Stickstoffisotopenverhältnis von Gemüsepflanzen zudem die Art des verwendeten Düngers (mineralisch/natürlich) wider.

Honig

Durch Messung des Kohlenstoffisotopenverhältnisses kann der Zusatz von C₄ -Zuckern (z.B. Mais- oder Rohrzucker) nachgewiesen werden. Hierbei wird der ¹³C-Anteil des davon nicht betroffenen Proteins auf elegante Weise als innerer Vergleichsstandard verwendet.

Technische Ausstattung:

Kernstück zur Messung von Stabilisotopenverhältnissen ist ein Massenspektrometer, welches die simultane Erfassung von mehreren gasförmigen Verbindungen ermöglicht. Es besteht aus einer Ionenquelle, einem Ablenkmagneten zur Trennung der Verbindungen aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse sowie einem Multidetektorsystem zu deren Quantifizierung. Alle Bauelemente müssen sich durch eine extrem hohe Stabilität ihrer Funktion auszeichnen.
Ebenso hoch sind die Anforderungen an die Probenaufarbeitungs- und Probenzuführungssysteme, welche je nach Probenart und Untersuchungsziel dem Massenspektrometer vorgeschaltet werden. Sie dienen der Überführung der unterschiedlichen Matrizes (flüssig/fest) in die entsprechenden Messgase und sind für die Bestimmung der jeweiligen Isotopenverhältnisse der Bioelemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel optimiert.