Die Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel setzen sich je Element jeweils aus verschiedenen stabilen Isotopen zusammen. Die jeweils schwereren Isotope haben im Verhältnis zu den leichten Isotopen einen nur sehr geringen Anteil. Durch Verdunstung oder Kondensation der Ausgangsstoffe (z. B. Wasser) in der Umwelt oder durch biochemische Prozesse in Organismen (z.B. Stickstoff aus Dünger) können sich diese Verhältnisse ändern.

Es ist analytisch möglich, Isotopenverhältnismuster von Lebensmittel-Inhaltsstoffen zur Bestimmung der botanischen oder geographischen Herkunft als auch der Produktionsart als eindeutigen Hinweis auf Authentizität zu verwenden.

Zur Analyse werden organische Proben durch elementaranalytische Verfahren in Gase (z.B. CO₂, SO₂, CO, N₂, H₂) überführt, welche in einem Massenspektrometer (Isotope-Ratio Mass Spectrometry, 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.

Anwendung auf Lebensmittel

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

Wein, Traubenmost

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

Spirituosen

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

Fruchtsäfte

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

Honig

Durch Messung des Kohlenstoffisotopenverhältnisses kann der verfälschende 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 interner Vergleichsstandard verwendet.

Vanille

Über die Bestimmung des Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses wird es möglich zu prüfen, ob vanillehaltige Lebensmittel tatsächlich natürliches Vanillin enthalten oder ob bei der Produktion doch synthetisch hergestelltes Vanillin eingesetzt wurde.

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 Gase und sind für die Bestimmung der jeweiligen Isotopenverhältnisse der Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel optimiert.