同位素是具有不同质量元素的原子，大部分元素是两个或以上同位素的结合，一些同位素是放射性的，如碳14，他们会稳定地衰变，转化成其它的元素，而另一些是稳定的，也就是它们不会衰变也不会随着时间发生数量上的改变。过去的研究已经证明，对于人骨遗存的稳定同位素分析可以有效地研究古人食谱、人群移动以及古代人群中的个体。

碳和氧的稳定同位素在不同食物中的含量是不同的，这种不同会传递给人体细胞（包括骨骼细胞），这意味着它们可以用来指示古代食谱。

锶的同位素比率在不同的自然环境中是不同的，氧同位素在不同环境的雨水中的含量也是不同的，这意味着锶和氧的同位素含量在不同的区域中有差异，它们通过水和食物传递到人体的骨骼和牙齿细胞中，就可以用来研究人在不同的生命阶段居住的地理区域。

碳氮同位素指示的古人食谱

碳有两个同位素，碳12和碳13，它们的比重分别是98.9%和1.1%，氮同样有两个同位素，氮14和氮15，含量分别为99.6%和0.4%。

大部分对碳氮同位素的研究集中在骨胶原上，骨胶原被从骨头中提取出来并提纯，然后加热燃烧，用质谱仪分析其产生的烟，它会得到不同同位素的相对含量，所需不到1克样本。

因为在自然环境的不同部分和不同的食物中，中碳氮同位素的含量差异是很小的，它们的比率并非简单地说一个不同于另一个，而是增量单位，增量单位测量出稳定同位素在标准值下的偏差，用千分之多少来表示，以及运用下面这个公式算出：

δ碳13=【样本碳13/样本碳12    /     标准碳13/标准碳12  —1】X1000

δ氮15=【样本氮15/样本氮14  /    标准氮15/标准氮14  —1】X1000

标准碳是一种被称为钯钡矿（PD Belemnite）的矿物，标准氮是空气，生物体中所含的碳比标准PDB中的含量要少，所以绝大部分δ13C的值要小于零，大部分生物体中15N的含量要大于空气中的，所以δ15N的值要大于零。

环境中的碳稳定同位素

植物中的碳稳定同位素比值是根据植物从大气二氧化氮中光合作用制造淡水化合物而产生的，两种光合作用的途径被称为C3和C4机制。

大部分温带植物使用C3途径，这么说是因为将三碳合成物的制作作为第一个阶段，这意味着碳3植物中δ13C的值分布在-27‰到-28‰之间（O’Leary 1988）。

热带和亚热带的植物适应了高温和高密度光照的自然条件，在光合作用中将四碳化合物的制作作为第一步，C4植物包括非常重要的驯化物种如玉米、粟、蜀黍和蔗糖，C4植物中δ13C的值分布在-12‰到-13‰之间（O’Leary 1988）。

虽然δ13C的值主要是光合作用中所使用的途径所决定的，但是具体的值还会受到其它因素的影响，如水、营养、光照强度和海拔（O’Leary 1981 Tieszen 1991）。除此之外，在密集的树下林层中生长的植被可能会产生异常少的增量值，因为它们从腐烂的植被中吸收了过多的二氧化碳（Vogel 1978）。

消费者的素食和肉食中的δ13C的差异是很小的，大概是千分之一或者更少（Tieszen 1983），这说明在同样的环境中，动物和植物体内的δ13C的含量是相似的。

工业革命以后，随着化石能源的燃烧，大气中二氧化碳的增值含量少了千分之1.5（Friedli 1986），是因为碳在陆地食物链中主要来源于大气中的二氧化碳，所以估算古代陆地事物的δ13C值需要在现代数值上增加千分之1.5.

海洋中的碳主要来自溶解碳酸氢物（Smith and Epstein 1971）,海洋中的植物和浮游生物（主要为C3）因此比陆地的C3植物拥有更少的δ13C负值（Chisholm 1982, Tan 1989）。海洋哺乳动物和鱼体内拥有的增值含量在-17‰到-18‰之间（Chisholm 1982）。

环境中的氮同位素

大部分植物没法直接从大气中获得他们制造蛋白质和其它成分的氮，所以它们会从土壤中吸收氮，除了豆科植物，比如豌豆和黄豆，它们既可以从大气中也可以从土壤中获得氮。豆科植物中的δ15N值一般在0到4‰之间，其它则在5‰左右（DeNiro and Hastorf 1985）。和二氧化碳不一样，大气中氮的增值含量在百万年中是保持不变的（以千分之来定义）（DeNiro 1987），然而，土壤中的δ15N的含量可能会因为现代化学农药的使用而减少（DeNiro and Hastorf 1985）。

影响植物中δ15N的含量的因有温度、海拔、降水、土壤盐分（Ambrose 1991）以及自然肥料的使用（Bogaard 2007）。在哺乳动物中，氮平衡可能会影响δ15N的值，蛋白质摄入不足可能会引起δ15N值的增加（Fuller 2005）,水的摄入不足也会在这样（Ambrose 1991），后者意味着适应干旱环境的，居住在沙漠中的动物会拥有异常高的比值（Schoeninger and DeNiro 1984），同样的情况也会出现在干旱地区的人骨遗存上（Ambrose 1993 Dupras 2001）。某种程度上是因为这些环境中植物拥有较高的值，以及这些会通过食物链传播，但动物面对的水资源压力也对δ15N的增加起到了作用。

肉食的δ15N值比素食要高，所以在食物链的传递中δ15N的值是不断上升的，营养水平的影响值在3‰到5‰之间（Bocherens and Drucker 2003），理论上来说可以用氮稳定同位素来研究人们食谱中肉食和蔬菜的比值，然而，我们对于早期人群所利用的其它资源中δ15N的差异所知甚少，这意味着对结果进行阐释很难付诸实践（Hedges and Reynard 2007）。然而，营养水平影响的某个领域已被证明是没有疑问的了，即对于哺乳期婴儿的研究，由于以来母乳生存，所以拥有较高的营养水平，这回反映在集体组织的δ15N水平上。

海水中的溶解性磷酸盐为海生食物链踢狗了主要的氮资源，它比大气中和土壤中的氮含量都要高所以海生植物中的δ15N比值比陆生的要高，同样，海生动物体内的δ15N比同等生态位的陆生动物要高（Schoeninger and DeNiro 1984）。Schoeninger and DeNiro（1984）发现海生鱼类的值为11‰到16‰，海生哺乳动物的值为11‰到23‰，贝壳类动物的比值或许稍低，Sealy（1987）认为在7‰~8‰。

主要食物体内的碳氮同位素的值在温带C3和C4环境中以及海洋生态系统中的含义如图所示，这张图估算了古代的可能比值，也就是说它考虑到了大气污染和化学费良使用的影响，图1是不同食物种类中可能种类的一般指南，但是大部分研究古代食谱的工作者都不会仅仅研究人骨遗存，也会研究考古遗址附近的动物遗存来提供当地食物的更精确的基本数值，以帮助解释人体稳定同位素的数据。