Die Messgenauigkeit zur Bestimmung stabiler Isotopen ist außerordentlich hoch.

Aus praktischen und messtechnischen Gründen drückt man den Isotopengehalt einer Substanz in Form eines δ-Wertes aus, welcher ein bestimmtes Verhältnis ihres Isotopengehalts RS (z. B. 13C/12C) zum Isotopengehalt Rstd (z. B. 13C/12C) einer standardisierten Referenzsubstanz angibt. Dieser δ13C-Wert wird in Promille (‰) berechnet mit der Formel

δ13C = (Rs/Rstd -1) x 1000

Die Referenzsubstanz für 13C (Vienna PeeDee Belemnit, Abk. VPDB) besitzt per definitionem ein δ13C von 0‰, einen prozentualen Isotopenanteil von 1,11% und damit einen Isotopengehalt Rstd von 0,01122. Die meisten natürlichen Substanzen haben ein δ13C zwischen -50‰ und +10‰. Ein δ-Promille entspricht etwa einem prozentualen Isotopenanteil von 0,001% (10 ppm).

Um die stabilen Isotope in einer Substanz zu messen, wird diese durch extrem hohe Temperaturen ionisiert. Die Isotopenionen schießt man dann in ein starkes Magnetfeld, in dem sie aufgrund ihres schwereren Gewichts spezifisch abgelenkt werden, um sie anschließend mit lokalen Detektoren zu quantifizieren.

Bei Substanzgemischen wird vor der Ionisierung eine komponentenspezifische, chromatographische Auftrennung durchgeführt, die auf Gasbasis und bei neuesten Geräten auch auf Flüssigbasis erfolgen kann. Entsprechend dieser Messprinzipien heißen die eingesetzten Geräte GC-C-IRMS (gas chromatographic combustion isotope ratio mass spectrometer) oder HPLC-C-IRMS (high performance liquid chromatograhy).

Der standardisierte Messfehler bei der Bestimmung von 13C ist <0.5‰, d. h. eine Isotopenanreicherung von mehr als 0,0005% im verbleibenden Schadstoff ist eine signifikante Veränderung. Da Wasserstoff schlechter ionisierbar ist, beträgt die Messgenauigkeit für den Deuteriumanteil von Molekülen lediglich 2-5‰. Diese Ungenauigkeit wird jedoch häufig durch eine wesentlich stärkere Isotopenfraktionierung beim biologischen Schadstoffabbau ausgeglichen.

Die Empfindlichkeit der konventionellen IRMS-Geräte für die Bestimmung des 13C-Gehalts einer Substanz beträgt etwa 1 nmol C (Meßvolumen 1 µL). Für niedrigmolekulare Schadstoffe wie BTEX oder PCE ergibt sich dadurch eine Nachweisgrenze von etwa 100 µg ml-1. Stark kontaminierte Grundwasserproben können deshalb unmittelbar untersucht werden, während bei geringeren Schadstoffkonzentrationen Extraktionsverfahren zur Anwendung kommen. Je nach Schadstoff werden hier Festphasensorption/-desorption, hydrophobe Elution oder Gasausblasung ("purge and trap"-Verfahren) eingesetzt. Lediglich Letzteres führt zu einer artifiziellen Isotopenanreicherung, die korrigiert werden muss. Mit diesen Verfahren kann auch die Sensitivität zur Messung der Isotopenfraktionierung größerer Moleküle erhöht werden.