Karbon foreligger som 3 isotoper 12C, 13C og 14C, hvorav de to første er stabile og den tredje radioaktiv. Karbon isotopene reagerer kjemisk på samme måte, men på grunn av forskjellig atomvekt og størrelse reagerer de med forskjellig hastighet. Forskjellige kjemiske og metabolske prosesser endrer forholdet mellom dem. Når CO2 med kjent isotopsammensetning tilføres fototrofe organismer blir det cellulære karbon anriket med 12C. Atmosfærisk CO2 inneholder 1.1% 13C og 98.9% 12C. Forholdet R mellom 13CO2/12CO2 bestemmes i et massespektrometer og sammenlignes med en standard. Organisk materiale overføres til CO2 før det analyseres. I organiske stoffer er forholdet R tilnærmet lik 0.0112, og det er bare det siste sifferet som varierer. For å få en mer praktisk måleenhet for isotopsammensetning brukes δ 13C
\(\delta ^{13}C=\left(\frac{R_{prøve}}{R_{standard}}-1\right)\cdot 1000\)
En mer negativ verdi for δ-13C betyr mer 12C enn 13C. C3-planter har en mer negativ δ-13C-verdi enn C4-planter.
Standarden som tidligere ble brukt var fossilt blekksprutskall (Belemnitella) fra PeeDee-formasjonen i South Carolina. National Bureau of standards har laget en ny standard i forhold til denne PDB-standarden som har δ 13C lik 0. Enheten for δ 13C er promille ‰. En mer negativ verdi av δ 13C betyr mer 12C, en mer positiv verdi betyr mer 13C. De fleste organiske stoffer har negativ δ 13C-verdi fordi de inneholder mindre 13C enn standarden. Metan med biologisk opprinnelse kan ha ekstrem lav δ 13C, noe som tyder på ekstrem diskriminering av 13C. Marint bikarbonat (HCO3-) er den andre ytterligheten på skalaen. C3-planter får mer negative δ 13C-verdier enn C4-plantene siden hos C3-plantene er både karboksylering og diffusjon begrensende faktorer, mens hos C4-planter er diffusjonen begrensende med karboksyleringen skjer raskt. Fosfoenolpyruvat karboksylase har mindre isotopdiskriminering enn rubisko.
I uforurenset luft er δ 13C for CO2 -7 ‰, i forurenset -8 ‰. Verdien blir stadig mer negativ pga forbrenning av fossilt brensel. δ 13C i fossilt brensel er ca. -30 ‰. Hvis prøven av CO2 i luft har et 13C/12C-forhold som er 5 ‰ mindre enn standarden blir δ 13C lik -5 ‰.
De fleste planter dvs. C3-plantene har en δ 13C-verdi mellom -25 - -35 ‰ med et snitt på -28 ‰. C4-plantene har et snitt på -14 ‰. CAM planter som absorberer CO2 om natten har δ 13C ca. -11 ‰, CAM planter med CO2-opptak på dagtid har -28 ‰. CAM-planter ligger vanligvis mellom -10 - -20 ‰. Plantene inneholder mindre 13C enn omgivelsene fordi 13C er tyngre enn 12C og gir noe sterkere kjemisk binding. Diffusjonen av 13CO2 er seinere enn for 12CO2.
I en regnskog vil δ 13C i CO2 være lavest ved bakken (-15.5 ‰) pga respirasjon av organisk materiale.
Ved overføring av stoffet A til forbindelsen B defineres isotopfraksjonering som:
\(\Delta \delta=\frac{\delta ^{13}C\left(A\right)-\delta ^{13}C\left(B\right)}{1+\frac{\delta ^{13}C\left(A\right)}{1000}}\)
Δ 13C har også enheten ‰. Fraksjoneringen er positiv når 13C overføres seinere enn 12C.
CO2 transporteres over grenselag inn i substomatale rom, løses i cellesaften og diffunderer inn til kloroplasten. Både løsing av CO2 i væske og diffusjon gir liten isotopfraksjonering, men karboksyleringen gir stor effekt (29 ‰). Hvis derfor stomataresistansen blir stor blir diskrimineringen av 13C liten.
I C4-planter hvor δ 13C er ca. -14 ‰ betyr dette at karboksyleringskapasiteten er i overskudd, mens diffusjonen er hastighetsbegrensende. C4-planter benytter også karbon anhydrase
13C-innholdet i plantene øker med høyden over havet. Det vil si at det blir en minsket diskriminering av 13C ved større høyder. F.eks. over 2500 moh kan δ 13C være -26.15 ‰ og i lavlandet -24 ‰.
Isotopforhold har vært brukt innen arkeologi for å studere om mennesker vesentlig brukte C3-planter (ris, hvete, bønner osv) eller C4-planter (mais, hirse osv) til mat. Isotopforholdet 15N/14N har også vært brukt i denne forbindelse.
Økende innhold av NaCl (halofytter) gir en mer positiv δ13C. δ13C for oppløst karbondioksid i vann er variabel og er derfor lite brukt for vannplanter.
δ15N
Delta-15N (δ15N) er et mål på forholdet R mellom de to isotopene av nitrogen 15N og 14N, hvor dinitorgen (N2) atmosfæren inneholder 99.6337% 14N and 0.3663% 15N.
\(\delta ^{15}N=\left(\frac{R_{prøve}}{R_{standard}}-1\right)\cdot 1000\)
På samme måte som delta-13C blir delta-15N, og delta-34S anvendt innen biogeokjemi, oseanograf og arkeologi.
δ 34S
Svovel inneholder mest av den stabile isotopen 32S, men også noe som 34S. Isotopratio delta 34-S er gitt ved
\(\delta ^{34}S=\left(\frac{R_{prøve}}{R_{standard}}-1\right)\cdot 1000\)
Hvor R er forholdet mellom 34S/32S. Standarden er jernsulfid fra Canyan Diabolo meteoritten. Sulfid og svovel med biogen opprinnelse anrikes med 32S og 34S diskrimineres.
