Determinación de estroncio y sus isótopos en materiales geológicos y arqueológicos mediante espectrometría de masas de alta resolución con plasma acoplado inductivamente

FACULTAD DE CIENCIAS TRABAJO FIN DE MÁSTER Máster en Técnicas Avanzadas en Química Análisis y Control de Calidad Químicos DETERMINACIÓN DE ESTRONCIO Y SUS ISÓTOPOS EN MATERIALES GEOLÓGICOS Y ARQUEOLÓGICOS MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE MASAS DE ALTA RESOLUCIÓN CON PLASMA ACOPLADO INDUCTIVAMENTE Autora: Alicia García García Tutores: Dr. Fernando Jiménez Barredo Dpto. Química Analítica, Universidad de Valladolid Dr. Altuğ Hasözbek Laboratorio Series de Uranio, Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana Julio 2023 Abreviaturas ICP-MS: Espectrometría de masas con plasma generado por acoplamiento inductivo. ICP-OES: Espectrómetro de emisión atómica con fuente de ionización de plasma generado por acoplamiento inductivo. ICP-QMS: ICP-MS con analizador de cuadrupolo. HR-ICP-MS: Espectrómetro de masas de alta resolución con fuente de ionización de plasma generado por acoplamiento inductivo. LA-HR-ICP-MS: Espectrometría de masas HR-ICP-MS combinado con sistema de ablación por láser como método de introducción de muestras. LA-ICP-MS: Espectrometría de masas ICP-MS combinado con sistema de ablación por láser como método de introducción de muestras. MC ICP-MS: Espectrometría de masas de multicolector con fuente de ionización de plasma generado por acoplamiento inductivo. SF-ICP-MS: Espectrometría de masas con fuente de ionización de plasma generado por acoplamiento inductivo y analizador de sector magnético. TIMS: Espectrometría de masas de ionización térmica. Agradecimientos Este trabajo ha sido realizado en el Laboratorio de Series de Uranio del Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana con la inestimable colaboración de Prof. Silviu Constantin (Emil Racovitza Institute of Speleology, Bucarest, Rumanía), Prof. Ismail Isintek (Department of Geology, Dokuz Eylul University, Izmir, Turquía), Prof. Jose Antonio Riquelme (Departamento de Historia, Universidad de Córdoba, España) y Prof. Korhan Erturac (Earth and Marine Sciences Institute, Gebze Tecnical University, Estanbul- Turquía) quienes amablemente accedieron a proporcionar muestras y datos de sus actuales proyectos de investigación, alguno de ellos no incluidos en este trabajo por motivos de limitación de espacio. Me gustaría agradecer en primer lugar al Dr. Fernando Jiménez Barredo y al Dr. Altuğ Hasözbek por darme la oportunidad de formar parte del equipo de Series de Uranio del Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana. Desde el primer día me acogieron con los brazos abiertos, compartiendo sus conocimientos y brindándome su ayuda en cada paso del camino. También quiero agradecer al Dr. Luis Debán Miguel por ser un gran mentor. A mis padres por apoyarme y guiarme en cada paso que he dado, sin ellos esto no habría llegado tan lejos. Y, por último, pero no menos importante, agradezco a Iván y Adara por estar a mi lado durante todo el proceso del TFM. Vuestra compañía y respaldo han sido fundamentales. Resumen. Este trabajo se centra en los límites analíticos de la composición elemental e isotópica de diferentes matrices carbonáticas tales como conchas de moluscos, espeleotemas y otras rocas calizas, mediante el uso de diferentes técnicas de espectrometría atómica. La composición elemental de las diferentes muestras carbonáticas se obtuvo aplicando dos métodos distintos de separación del estroncio de la matriz, y mediante dos técnicas espectrométricas diferentes (espectrometría de emisión óptica y espectrometría de masas). Para el análisis de los isótopos y sus relaciones, el estroncio fue extraído y purificado de las muestras mediante unas resinas específicas (Sr-resin) y analizado mediante dos técnicas de espectrometría de masas: HR-ICP- MS y MC ICP-MS. Tras poner a punto y validar los procedimientos, se procedió a definir la concentración elemental de Sr en las matrices carbonáticas propuestas, resultando que mediante ICP-OES las concentraciones de Sr en las muestras de conchas analizadas se encontró en un rango entre 213 - 1956 mg.kg-1, en los espeleotemas 12.3 - 25.5 mg.kg-1 y en las rocas calizas, entre 137.2 - 199.4 mg.kg-1. Comparando las incertidumbres instrumentales, la técnica HR-ICP-MS alcanzó hasta un 0.1% RSD frente al 1% RSD por ICP-OES. Por otro lado, las relaciones isotópicas 86Sr/87Sr los resultados se encontraron entre los rangos 0.70590 - 0.71021 usando HR-ICP-MS. El MC ICP-MS proporcionó resultados entre 0.707390 - 0.709273 en conchas y 0.705327-0.707963 en lo demás. Los análisis isotópicos de estroncio alcanzaron una precisión de 0.00007% RSD por MC ICP-MS frente a 0.0001% RSD por HR-ICP-MS. Los resultados elementales e isotópicos obtenidos muestran las limitaciones y variaciones de incertidumbre de cada una de las técnicas aplicadas en este estudio. Con ello, se han detallado los aspectos metrológicos más relevantes y se proporcionó una discusión general en términos de aplicaciones de diferentes disciplinas (química analítica, geología y arqueología). Palabras clave. Concentración de estroncio, 87Sr/86Sr ratio, HR-ICP-MS, MC ICP-MS, ICP-OES, matrices de carbonato. Abstract. This study focusses on the analytical limits of the elemental and isotopic compositions of different carbonate matrices such as shells, speleothems, and limestones by using different mass spectrometry techniques. Elemental compositions of these different carbonate matrices were obtained by two different dissolving techniques and two different mass spectrometers (ICPOES, HR-ICP-MS). For the Sr-isotope analysis, samples were purified with Sr-resin based chromatography and were analysed by two mass spectrometers (HR-ICP-MS and MC ICPMS). In terms of defining the elemental concentrations of the different carbonate matrices, ICPOES results yield between 213 - 1956 mg.kg-1 in shells, 12.3 - 25.5 mg.kg-1 in speleothems, and 137.2 - 199.4 mg.kg-1 in limestone samples. The results obtained from the HR-ICP-MS are between 11-1388 mg.kg-1 for the given samples above. In comparison to the instrumental uncertainties, HR-ICP-MS give rise to 0.1% RSD and 1% RSD in ICP OES. The Sr-isotopic ratios of 87/86 range between 0.70887 - 0.71021 in shells 0.70590 - 0.70804 in limestones by using the HR-ICP-MS. The MC ICP-MS results vary between 0.707390 - 0.709273 in shells and 0.705327-0.707963. The Sr isotopic analysis result in 0.00007% RSD in MC ICP-MS and 0.0001% RSD in HR-ICP-MS. The elemental and isotopic results obtained from the ICP-OES, HR-ICP-MS and MC ICP-MS indicate the limitations and uncertainty variations of the analytical techniques applied in this study. Therefore, further addressed technical details of the metrological approaches were concluded and discussed in terms of different discipline applications (analytical chemistry, archaeology, geology) in detail. Keywords. Sr concentration, 87Sr/87Sr ratios, HR-ICP-MS, MC ICP-MS, ICP-OES, Carbonate matrices. Índice. Abreviaturas ............................................................................................................................... 2 Agradecimientos ......................................................................................................................... 3 Resumen ..................................................................................................................................... 4 Abstract ...................................................................................................................................... 5 1. Introducción ........................................................................................................................ 7 1.1. Los isótopos de estroncio en geoquímica y en antropología ........................................... 8 1.2. Técnicas de detección para el estroncio. ......................................................................... 9 2. Objetivos. .......................................................................................................................... 11 3. Experimental. .................................................................................................................... 12 3.1. Instrumentación. ............................................................................................................ 12 3.2. Materiales y Reactivos. ................................................................................................. 15 3.3. Muestras. ....................................................................................................................... 16 3.4. Preparación de Muestras. .............................................................................................. 19 4. Resultados y discusión. ..................................................................................................... 26 4.1. Relaciones isotópicas de Sr ........................................................................................... 26 4.2. Análisis elemental de Sr ................................................................................................ 27 4.3. Aplicación sobre muestras reales .................................................................................. 28 5. Conclusiones. .................................................................................................................... 39 6. Referencias. ....................................................................................................................... 40 7. Listado de tablas y figuras. ............................................................................................... 52 7.1. Listado Tablas. .............................................................................................................. 52 7.2. Listado Figuras. ............................................................................................................. 52 7 1. Introducción. La variabilidad de las proporciones en los isótopos estables y radiogénicos en los materiales naturales han sido objeto de interés, aumentado sustancialmente en las últimas décadas debido al desarrollo tecnológico que permite la identificación y cuantificación de los mismos, de tal manera que hoy en día se puede afirmar que se revelan como los marcadores más distintivos en todo tipo de disciplinas que requieren de información relacionada con contenidos elementales e isotópicos, como ciencias de la tierra, calidad de aguas, ciencias del clima, ciencias forenses, biología, medicina, ingeniería, petroquímica, arqueología, prehistoria y conservación del patrimonio...1,2,3,4 En cuanto a las ciencias de la tierra, la composición isotópica del estroncio encuentra aplicaciones relacionadas con la Geocronología, Petrología, o Geoquímica.5,6 El sistema isotópico del estroncio presenta gran atractivo en sistemas biológicos, actuales y registros fósiles, ya que está por sus propiedades químicas, el estroncio presenta compatibilidades biológicas y mineralógicas con el calcio, de tal manera que se encuentra parcialmente integrado en los dientes y huesos de humanos y animales.7 Esto y su abundancia en la corteza terrestre, tanto en todo tipo de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, así como en el agua de los ríos, aguas subterráneas, plantas, el suelo y los animales8 ha dado lugar a la inclusión del análisis de sus isótopos radiogénicos (87Sr/86Sr) en la investigación arqueológica y paleontológica, aportando nuevas visiones con los que evaluar modelos de migración, cambio cultural, colonización y comercio.8 El estroncio (Z=38) es un elemento químico perteneciente al grupo 2 (alcalinotérreos), de peso químico estándar9 de 82,62 ± 0.01 g.mol-1. Sus características se recogen en la Tabla 1. En la naturaleza, el estroncio presenta cuatro isótopos estables: 84Sr (0,56%), 86Sr (9,86%), 87Sr (7,00%) y 88Sr (82,58%).10 De los cuatro, únicamente el 87Sr es de origen radiogénico, debido a que se forma a partir de la desintegración del rubidio (87Rb, vida media ~ 4,7 × 1010 años).11,12 Según la IUPAC (2022)9 “se conocen materiales geológicos y biológicos en los que el elemento tiene una composición isotópica fuera de los límites de lo normal. La diferencia entre el peso atómico del elemento en dichos materiales y el indicado en la tabla puede superar la incertidumbre establecida. La variedad de la composición isotópica de los materiales terrestres normales impide dar un peso atómico estándar más preciso; el valor tabulado y la incertidumbre deben aplicarse a los materiales terrestres normales”. 8 Tabla 1. Características químicas del estroncio. Sr Radio atómico 2.15 Å Radio iónico Sr2+ 1.18 Å Energía de ionización I1 5.68 eV Energía de ionización I2 11.0 eV Electronegatividad 0.95 Estados de Oxidación 0, +2 Potencial de Reducción (Eº (20ºC)) -2.89 V El estroncio no se encuentra libre en la naturaleza, ya que se oxida fácilmente formando óxidos, haluros, sulfuros, carbonatos o sulfatos13. Los principales minerales de estroncio14 son la celestina (SrSO4) y estroncianita (SrCO3). Entre las sales minerales de estroncio, el cloruro, el bromuro, yoduro y nitrato son fácilmente solubles en agua, mientras que el oxalato, sulfato, fluoruro, carbonato y fosfato son sales poco solubles con unos Kps (25oC) de 5x10-8, 3.2x10-7, 2.5x10-9, 1.1x10-10, 1x10-31 respectivamente.10 1.1. Los isótopos de estroncio en geoquímica y en antropología. La geoquímica isotópica es la parte de la geoquímica que trata del fraccionamiento isotópico y químico en contextos geológicos.15 En cuanto al estroncio, su potencial como sistema de datación es conocido desde 1949 16 y ya desde esos tiempos se comenzó a identificar las variaciones en sus abundancias isotópicas en minerales y rocas.17 Desde entonces el fraccionamiento isotópico del estroncio en la naturaleza ha sido objeto de permanente interés. Así, algunas aplicaciones de análisis de isótopos de estroncio se enfocan, por ejemplo, en cuantificar las tasas de meteorización de minerales y rocas18,19,20, o en investigar las fuentes y destinos del estroncio en los sistemas acuáticos21,22,23,24 De esta manera, el estroncio ha permitido avanzar en la comprensión de numerosos procesos geoquímicos, sus ciclos biogeoquímicos y a definir el origen de las rocas y minerales, así como la manera en la que han evolucionado.25 En cuanto al interés en el ámbito de la paleoantropología y evolución humana, ya en 1985, Jonathon Ericson introdujo la idea de utilizar las proporciones de isótopos de estroncio, específicamente 87Sr/86Sr, en el tejido óseo humano para investigar la movilidad geográfica y los orígenes de individuos en el ámbito arqueológico. 26,27,28 A partir de ese momento, se 9 comenzó a explorar el potencial de los isótopos de estroncio en el estudio de la movilidad, trashumancia y migración, especialmente en regiones de África, América del Norte y Europa.27 Desde entonces, los estudios con isótopos de estroncio se han aplicado ampliamente y se han aprovechado los avances científicos en el área de la geoquímica elemental e isotópica para ser aplicados en el campo de la paleoantropología,29 con un especial interés en tratar de averiguar pautas de alimentación de animales y homininos,30 establecer rutas de migración, a través de fósiles mamíferos,31 reconstruir condiciones paleoclimáticas mediante el estudio de espeleotemas,32,33 proporcionar un marco temporal combinando la datación de sedimentos marinos, moluscos bivalvos34 con sus huellas isotópicas de estroncio y determinar curvas geológicas utilizando rocas calizas.35 1.2. Técnicas de detección para el estroncio. El avance en el campo de la geoquímica de isótopos de estroncio ha estado estrechamente ligado a los progresos en las técnicas de espectrometría de masas. En particular, la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) se estableció inicialmente como el método de referencia para la determinación precisa de las relaciones isotópicas del estroncio.36 Sin embargo, a finales de la década de 1990, los espectrómetros de masas de plasma acoplado inductivamente (MC ICP-MS) surgieron como una alternativa al TIMS en el análisis de isótopos de estroncio, convirtiéndose en la técnica dominante en los estudios geoquímicos actuales.36 Aunque el TIMS ofrece una excelente exactitud y precisión en la medición de las relaciones isotópicas del estroncio, su aplicación se ve limitada por su complejidad operativa. Requiere una preparación química minuciosa para la separación del estroncio, así como el uso de filamentos que demandan tiempo y un proceso de desgasificación antes del análisis.37 En contraste, el MC ICP-MS permite la introducción directa de disoluciones purificadas de estroncio en el plasma, previa optimización de las muestras y condiciones del equipo.37. Adicionalmente, se ha explorado la combinación de sistemas de ablación láser (LA-MC ICPMS) como una alternativa a considerar. Aunque su precisión no alcanza los niveles del ICPMS por vía húmeda, esta técnica ofrece la ventaja de ser menos destructiva y de poder realizar microanálisis. Por ende, resulta especialmente adecuada para el análisis de muestras valiosas o de tamaño reducido, así como para la elaboración de mapas de distribución elemental o isotópica.38 16 Las soluciones de calibrado se prepararon a partir de patrones de estroncio con concentración nominal de 9.93 ug.g-1 ± 0.1 ug.g-1 y 997 ug.g-1 ± 0.1 ug.g-1 en una matriz del 2% de HNO3 (VHG Labs, LGC Standards). La resina para extracción en fase sólida del estroncio consiste en un soporte polimérico inerte conteniendo un éter corona (4,4′(5′)-di-t-butylcyclohexano 18-crown-6) diluida en octanol, con tamaño de partícula entre 50-100 micras (Sr-resin® Eichrom Technologies US). El material de referencia certificado que se empleó fue el NIST SRM 987, que consiste en un carbonato de estroncio de alta pureza (99.98 % ± 0.02 %). Este material se encuentra certificado tanto para ensayos de análisis elemental como estándar isotópico. Los valores certificados aparecen en la tabla 5. Aunque estos valores permanecen como los de referencia, con el avance de las técnicas de medida, y especialmente en el campo de la detección por TIMS y MC ICPMS, la comunidad científica ha ido tratando de ajustar estos valores, incorporándolos en base de datos como la del proyecto GeoReM.43 Tabla 5. Valores de relaciones isotópicas certificados y preferidos del NIST SRM 987. Abundancias absolutas Certificado NIST (2000) Valor esperado GeoReM MC-ICPMS 88Sr/86Sr 8.37861 ± 0.00325 8.37848 ± 0.00127 (3 valores) 87Sr/86Sr 0.71034 ± 0.00026 0.710264 ± 0.000071 (493 valores) 84Sr/86Sr 0.05655 ± 0.00014 0.05639 ± 0.00010 (14 valores) La disolución stock se preparó disolviendo directamente el SrCO3 en HNO3 diluido y ajustado su concentración a 74 µg.g-1 en 0.45 M HNO3. 3.3. Muestras. Las muestras estudiadas en este trabajo consistieron en una estalagmita, varios ejemplares de roca caliza, varios ejemplares de moluscos fosilizados y un ejemplar de fósil de mamífero. La estalagmita (Fig. 4) consiste en una formación de calcita de gran pureza, de 40 cm de altura y 10 cm de diámetro. Esta muestra proviene de una cueva de Serbia y fue proporcionada por cortesía del Prof. Silviu Constantin (Emil Racovitza Institute of Speleology, Bucarest, Rumanía). Se estima que la muestra se formó en un intervalo entre 10.000–3.000 años. 17 Las rocas calizas (Fig.5) cedidas por Dr.Ismail Isintek (Department of Geology, Dokuz Eylul University, Izmir, Turquía) fueron tomadas en la zona oeste de Turquía (Karaburn-Izmir), como parte de una investigación paralela. El fósil de mamífero (Fig.6) fue cedido por el Prof. Jose Antonio Riquelme (Departamento de Historia, Universidad de Córdoba, España), consiste en un fragmento de hueso largo de un gran mamífero carnívoro que habitaba en el sur de la península ibérica hace unos 150.000 años. Los fósiles de moluscos (Fig.7) concedidas por el Dr. Korhan Erturac (Earth and Marine Sciences Institute, Gebze Tecnical University, Estanbul- Turquía). Cuyo origen es la costa del Mar Negro al norte de Turquía. Figura 4. Estalagmita. 18 Muestra YAL 01 Figura 7. Fósiles moluscos bivalvos. Figura 5. Rocas calizas. Figura 6. Fósil mamífero. 19 3.4. Preparación de Muestras. La toma de muestras se efectuó mediante microtaladrado manual, permitiendo realizar una extracción de entre 20-50 mg de muestra de cada espécimen, lo que permite seleccionar, en el caso de la estalagmita, una sola lámina de crecimiento y, en el caso del material fósil, buscando minimizar el impacto del muestreo sobre los ejemplares. Una vez extraídas las muestras de cada ejemplar, éstas fueron procesadas en la Sala Blanca del Laboratorio de Series de Uranio (CENIEH) donde se pesaron con exactitud unos 20 mg con precisión ± 0.01 mg. Tanto las muestras como el material de referencia entonces fueron tratadas con HNO3 concentrado, homogeneizadas con un vórtex a 450 rpm durante 3 minutos y digeridas en vaso cerrado a 80 oC durante 2 horas. A continuación, fueron llevadas a sequedad mediante tratamiento térmico y el residuo fue redisuelto con 3M HNO3. A continuación, se procedió a separar el estroncio de otros componentes de la disolución, en especial del rubidio, que potencialmente pudieran estar en la muestra, empleando una resina de éter corona (Sr-resin® Eichrom Technologies US) empaquetada en una microcolumna de 75 µL. La resina fue previamente preacondicionada y equilibrada con 3M HNO3 antes de añadir la disolución de muestra tratada. Una vez añadida la disolución que contiene la muestra en la columna, se añadía 3M HNO3 para eluir el Ca, K, Mg, Ba, Rb que pueda contener la muestra, descartando esta fracción. Seguidamente mediante la adición de agua desionizada se obtiene la fracción del estroncio. Los detalles del proceso de extracción se muestran en el siguiente esquema (Fig, 8). 20 Figura 8. Proceso de extracción del estroncio. El comportamiento de la resina en la elución de distintos cationes está bien establecido.44 Mediante la observación del diagrama de dependencia del coeficiente de retención en función del tipo y concentración de ácido (Figura 9), se evidencia que la absorción de estroncio por la resina aumenta a medida que se incrementa la concentración de ácido nítrico, con un valor de k´ de aproximadamente 100 para 3M HNO3 y escaso aumento de la retención para concentraciones mayores. En el otro extremo, la capacidad de retención disminuye para concentraciones de HNO3 inferiores obteniendo k´ < 1 en 0.05 M HNO3. La retención del Ca(II) al igual que para el Sr(II), en este tipo de resina es proporcional a la concentración de HNO3, pero la retención del Ca(II) respecto Sr(II), es unas 200 veces menor. En todo caso es un factor a tener en cuenta en las muestras con elevado contenido en calcio, como son las rocas calizas y restos óseos o fósiles. El Rb+ también es parcialmente retenido en esta resina, alcanzando un máximo en torno a 1 M HNO3 pero con un k´ < 1 en 3M HNO3. Como solución de compromiso se decidió emplear, para eluir los interferentes, una concentración de 3 M HNO3, descartando concentraciones más altas, debido a que la retención de calcio podría ser más significativa. Eluir el Sr con Mili-Q Eluir la matriz con HNO3 3M Cargar la muestra en la columna Acondicionar resina con HNO3 3M Preacondicionar con agua MQ Cargar las columnas con la resina 21 A continuación, con el fin de obtener la mejor separación y aislamiento del Sr+2 respecto al resto de la matriz, se consideró la elución del analito empleando una solución ligeramente ácida con HNO3 (0.05 M) y otra únicamente con agua (MQ). En algunas referencias se aplica una elución con mezcla de HNO3/ácido oxálico46,47, sin embargo, en el presente trabajo se desechó para evitar la posible precipitación de CaC2O4 y SrC2O4 en la cabeza de la columna. En la Figura 10 se presenta la concentración de estroncio obtenida después de la elución con agua MQ, en presencia de una matriz mayoritaria de calcio. En la figura 11 se puede observar la retención de los principales elementos constituyentes de la matriz de los materiales objetos de estudio en este trabajo, en función de distintas condiciones de elución. Figura 9. Diagrama de dependencia ácida de k' para el estroncio en la resina Sr para varios iones a 23-25 ºC (Sr-resin Eichrom Technologies US).45 22 Figura 11. Fracciones eluidas con 0.05M HNO3. Figura 10. Fracciones eluidas con H2O. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Sr Ca Mg KFe %Elución con H2O 3 M HNO3 H2O 6 M HCl 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Sr Ca Mg KFe %Elución con 0.05 M HNO3 3 M HNO3 0.05 M HNO3 6 M HCl 23 3.5. Determinación del Estroncio. 3.5.1. Estroncio Elemental. El estroncio elemental se determinó a través de ICP-OES y de HR-ICP-MS. Así, para establecer que las características de desempeño cumplen con los requisitos para las aplicaciones analíticas previstas se tuvo que validar el método de ensayo a través de diferentes parámetros,48 recogidos en la tabla 6. Para ello se realizaron varios experimentos incluyendo la preparación de varias líneas de calibrado en diferentes días, medida de numerosos blancos y análisis de soluciones de materiales de referencia certificados. Para ambas técnicas se consigue un amplio intervalo lineal de operación, que a efectos de este trabajo se limitan al rango de preparación de las líneas de calibrado (tabla 6). El factor de respuesta (DER) es inferior al 10% en todas las muestras analizadas, manteniéndose la situación donde no hay falta de linealidad. Esto se comprueba también con los residuales, que se distribuyeron de forma aleatoria en torno a cero. Además, Para ambas técnicas, se consiguen alcanzar los coeficientes de determinación en todos los casos, mayores que r2 > 0.9995. Como es de esperar, la sensibilidad es sustancialmente superior para el ICP-MS incluso frente al modo axial del ICP-OES. Los límites de detección fueron calculados a través de las líneas de calibrado, como criterio conservador. Tabla 6. Principales resultados del informe de validación para la determinación de Sr mediante ICP. Parámetro ICP-OES HR-ICP-MS Sensibilidad 616 kcps/ ng.g-1 DER< 5 % 325 kcps / ng.g-1 DER< 3 % Límites LOD = 40 ng.g-1 LoQ = 110 ng.g-1 LOD = 0.35 ng.g-1 LoQ =1.06 ng.g-1 Interferencias Rb, Na, Fe… (ver tabla 7) Modificaciones de línea de fondo 84Kr+, 86Kr+, 85Rb+, 87Rb+ Intervalo de medida 100 - 1000 ng.g-1 1 - 70 ng.g-1 24 Las interferencias espectrales del Sr en HR-ICP-MS provienen de la presencia de interferencias isobáricas y/o de matriz. 49,50,51 Estas son: interferencias del kriptón procedente del gas argón y las interferencias del rubidio. Las primeras son eliminadas mediante sustracción adecuada de la señal del blanco analítico, mientras que el rubidio se separa del estroncio en la etapa de la extracción en fase sólida. Las interferencias debidas a presencia de óxidos y dobles cargas se minimizan mediante el sintonizado diario del equipo de medida y el calibrado regular de masas o longitudes de onda, para el ICP-MS e ICP-OES respectivamente. Se espera una contribución despreciable de interferencias poliatómicas de otros tipos para el Sr en este tipo de muestras. Sin embargo, en algunas ocasiones se han reportado la presencia de interferencias como (40Ca31P16O) +, (40Ar31P16O) +, (42Ca44Ca) +, (46Ca40Ar) +.51,52 Las principales interferencias de este tipo que pueden sufrir las emisiones del Sr aparecen en la siguiente tabla 7. Se observa que es la línea del Sr a 407.767 nm la que contiene mayores posibilidades de recibir interferencias mientras que la de Sr 232.235 nm presenta la interferencia del oxígeno a 232.215 nm, que puede llegar a ser crítica debido a la extensión de la presencia de oxígeno en todo tipo de materiales e incluso como impureza mínima en el plasma (como O2 o H2O). Por ello esta longitud de onda se descarta, ya que existe la posibilidad de elegir otras tres líneas de emisión intensas.53,54 La mayor parte de las posibles interferencias de estas tres líneas de emisión no son esperables, bien por haber sido separadas previamente en la etapa de preparación de muestras, bien por la ocurrencia típica de estos elementos en los materiales sometidos a estudio en este trabajo. Tabla 7. Interferencias ICP-OES para el estroncio. Línea de emisión Líneas interferentes [nm] Sr 407.767 nm U 407.779; Cu 407.772; Sn 407.772; Hg 407.781; Dy 407.796; Y 407.736; Co 407.741; Pb 407.761; Cr 407.768; Mo 407.768; La 407.735 Sr 421.552 nm Fe 421.540 ; Na 421.540 ; Rb 421.556 Sr 460.733 nm Ce 460.774 ; Ce 460.795 ; Ce 460.708 ; Rb 460.937 Sr 232.235 nm Fe 232.233 ; O 232.215 25 Otro tipo de interferencias que deben tratarse son aquellas debidas a la matriz, estas interferencias se minimizan durante el tratamiento de la muestra y la utilización de blancos y disoluciones patrón en medidas paralelas y/o simultaneas. Finalmente, se realizó una substracción de la línea de fondo del espectro (Fig. 12). 3.5.2. Isóotopos de estroncio. La determinación de las relaciones isotópicas se llevó a cabo por HR-ICP-MS y MC ICP-MS. En general, dada la capacidad de resolución de masas y su sensibilidad, con SF-ICP-MS se consigue monitorizar todas las masas con precisión (en MC ICP-MS simultáneamente) y aplicar modelos de corrección de interferencias espectrales en modo on-line, al tiempo que se realizan las correspondientes correcciones instrumentales debidas a la discriminación de masas o tiempos muertos de los detectores, cuando se emplean multiplicadores de electrones secundarios, como es en el caso del HR-ICP-MS. Dada su laboriosidad, la puesta a punto de la instrumentación para la determinación de las relaciones isotópicas mediante las dos técnicas de SF-ICP-MS fue realizada previamente y queda fuera del alcance de este trabajo. Figura 12. Espectro ICP-OES Sr 407.771 nm. 407.687 407.889 Longitud de onda (nm) Intensidad [cps] Sr 407.771 nm 0 22M 32 Tabla 10. Resultados de los análisis de estroncio en distintas matrices empleando distintas técnicas. ICP-OES HR-ICP-MS HR-ICP-MS MC ICP-MS Muestra Tipo muestra Sr [mg.kg-1] U 2σ 88Sr [mg.kg-1] U 2σ 87Sr/86Sr [n/n] U2σ (x10-5) 87Sr/86Sr [n/n] U 2σ (x10-6) SLE-12 Fósil bivalvo 213 ± 11 208.1 ± 2.6 0.70887 ± 43 0.707390 ± 12 GRZ-02 Fósil bivalvo 1556 ± 78 1223 ± 11 0.70977 ± 43 0.708936 ± 51 YAL-03 Fósil bivalvo 1552 ± 78 1144 ± 11 0.71021 ± 43 0.709273 ± 23 TEPE-01-1 Fósil bivalvo 1253 ± 63 888.1 ± 9 0.70977 ± 43 0.708307 ± 32 TEPE-01-2 Fósil bivalvo 1956 ± 97 1227 ± 11 0.70902 ± 43 0.708364 ± 29 GRZ-01 Fósil bivalvo 1636 ± 82 1388 ± 10 0.70797 ± 42 0.708843 ± 60 SK-1 Fósil bivalvo 1429 ± 71 1254 ± 0.9 0.71021 ± 42 0.709028 ± 45 SU2023108-1 Fósil mamífero 321 ± 16 285.7 ± 0.2 0.70715 ± 42 0.707160 ± 28 SU2023108-1* Fósil mamífero 444 ± 20 315.1 ± 0.1 0.70680 ± 42 0.707482 ± 17 BR-1 Roca caliza 199.4 ± 9.9 171.9 ± 0.1 0.70686 ± 42 0.705672 ± 94 BR-2 Roca caliza 173.1 ± 8.6 145.9 ± 0.1 0.70633 ± 42 0.705460 ± 19 BR-3 Roca caliza 153.3 ± 7.6 128.6 ± 0.1 0.70744 ± 42 0.705327 ± 20 BR-4 Roca caliza 185.5 ± 9.2 168.1 ± 0.1 0.70703 ± 42 0.705372 ± 16 BR-5 Roca caliza 188.1 ± 9.4 171.1 ± 0.1 0.70625 ± 42 0.705826 ± 12 *Muestra que no se sometió a una extracción en fase sólida 33 Tabla 10. (Cont.) Resultados de los análisis de estroncio en distintas matrices empleando distintas técnicas. ICP-OES HR-ICP-MS HR-ICP-MS MC ICP-MS Muestra Tipo muestra Sr [mg.kg-1] U 2σ 88Sr [mg.kg-1] U 2σ 87Sr/86Sr [n/n] U2σ (x10-5) 87Sr/86Sr [n/n] U 2σ (x10-6) UR-1 Roca caliza 196.1 ± 9.8 173.2 ± 0.1 0.70804 ± 42 0.706684 ± 45 UR-2 Roca caliza 137.2 ± 6.8 120.2 ± 0.1 0.70590 ± 42 0.706483 ± 12 UR-3 Roca caliza 152 ± 7.6 137.4 ± 0.1 0.70662 ± 42 0.706191 ± 76 UR-4 Roca caliza 145.8 ± 7.3 122.8 ± 0.1 0.70727 ± 42 0.706672 ± 14 UR-5 Roca caliza 149.7 ± 8 129.3 ± 0.1 0.70687 ± 42 0.706839 ± 19 Sr-C3-230419 Estalagmita 12.3 ± 0.7 11.0 ± 0.09 0.70792 ± 42 0.707963 ± 65 Ur-Sr-1-230330 Estalagmita 25.5 ± 1.2 20.4 ± 0.08 0.70667 ± 42 Sr-B3-230418 Estalagmita 20.5 ± 1.0 20.3 ± 0.20 0.70704 ± 43 Sr-C1-230418 Estalagmita 24.5 ± 1.2 20.8 ± 0.20 0.70877 ± 42 Ur-Sr-1-230214 Estalagmita 22.6 ± 1.2 20.5 ± 0.11 0.70779 ± 42 Sr-B2-230418 Estalagmita 19.1 ± 1.1 17.7 ± 0.17 0.70759 ± 43 34 4.3.3. Descripción de los resultados. Al comparar los valores medidos durante este trabajo, con otros anteriormente publicados (ver tabla 11) para el estroncio elemental y las relaciones isotópicas 87Sr/86Sr, se observa que los datos obtenidos en este trabajo se encuentran dentro de los rangos previstos para cada tipo de muestra, con la variabilidad esperable debido a su naturaleza (distinta antigüedad, localización, etc.). Así, en el caso de los fósiles de mamíferos, se observaron niveles de estroncio elemental en el mismo orden de magnitud, aunque con gran variabilidad, explicable desde el punto de vista de su diferente procedencia, tipo de dieta que los animales puedan haber tenido y naturaleza del resto óseo, ya que, especialmente los dientes, pueden concentrar más estroncio que otros huesos en el mismo individuo. Al revisar los resultados obtenidos con los moluscos, se manifestó una tendencia similar a la encontrada en los fósiles marinos de otras investigaciones, con niveles altos de estroncio elemental. Los valores obtenidos para el 87Sr/86Sr en este estudio se engloban dentro del mismo rango que los reportados para la región geográfica de Turquía59,60 donde se recolectaron las muestras, respaldando así la consistencia de los resultados. En relación a las muestras de rocas calizas de la región de Turquía, se observó que, si bien los datos reportados para dicha zona geográfica en otros trabajos se encuentran en el mismo rango de valores, tanto para el estroncio elemental como para 87Sr/86Sr, en las muestras seleccionadas para esta investigación se obtienen valores ligeramente inferiores. Esto es explicable dada la gran extensión y riqueza geológica de esta región. En cuanto al análisis de las estalagmitas, los valores medidos se ajustan adecuadamente al contexto global de los niveles de estroncio previamente reportados para Europa en general.61,62,63,64,65 Esto sugiere una concordancia con la información existente sobre los niveles de estroncio en estalagmitas de esta región geográfica. En todo caso, es necesario disponer de un volumen mucho más elevado de datos para poder realizar inferencias e interpretaciones geológicas y paleontológicas. 35 Tabla 11. Valores bibliográficos del estroncio elemental y 87Sr/86Sr. Tipo de muestra 87Sr/86Sr Sr [ug.g-1] Técnica Localización Referencia Espeleotemas 49 - 115 ICP-OES Belgica 61 Espeleotemas 1-22 ICP-OES Alemania 65 Espeleotemas 8 - 200 ICP-AES/ICP-MS Jerusalén (Israel) 66 Espeleotemas 87.87 ICP-OES China 67 Estalagmitas 34.4 - 256.0 ICP-OES Turquía 68 Estalagmitas 0.1 ICP-OES Israel 69 Estalagmitas 12.3 - 25.5 ICP-OES Serbia Este trabajo Estalagmitas 11.0 - 20.8 HR-ICP-MS Serbia Este trabajo Fósil mamífero (carnívoro) 321 - 444 ICP-OES España Este trabajo Fósil mamífero (carnívoro) 285.7 - 315.1 HR-ICP-MS España Este trabajo Hueso humano 244 - 460 ICP-OES Turquía 70 Hueso humano 1100 ICP-MS México 71 Mamífero herbívoro 50-100 ICP-OES Noruega 72 Mamífero herbívoro 0.2 - 0.25 ICP-OES Países bajos 73 Mamífero herbívoro 150 - 300 ICP-OES México 74 Roedor (diente) 22 - 411 MC ICP-MS Gladysvale (Sudáfrica) 75 Roedor (diente) 31 - 235 MC ICP-MS Sterkfontein (Sudáfrica) 76 Roedor (diente) 4.8 - 31.1 ICP-OES Zúrich (Suiza) 77 Tiburón 2000 - 2400 ICP-OES Perú 78 Tiburón 532 - 2326 ICP-OES Perú 79 36 Tabla 11. (Cont.) Valores bibliográficos del estroncio elemental y 87Sr/86Sr. Tipo de muestra 87Sr/86Sr Sr [ug.g-1] Técnica Localización Referencia Moluscos bivalvos 3.959 ICP-OES España 80 Moluscos bivalvos 300 ICP-OES Hawái (EE.UU) 81 Moluscos bivalvos 244 - 1442 ICP-OES Turquía 82 Moluscos bivalvos 1430 -1670 ICP-OES Turquía 83 Moluscos bivalvos 15 - 94 ICP-OES Bijagós (Guinea-Bissau) 84 Moluscos bivalvos 799 -1064 ICP-OES Islandia 85 Moluscos bivalvos 1170 - 2250 ICP-OES Mar Báltico 86 Moluscos bivalvos 697 - 1821 ICP-OES Inglaterra 87 Moluscos bivalvos 213 - 1956 ICP-OES Turquía Este trabajo Moluscos bivalvos 208.1 - 1388 HR-ICP-MS Turquía Este trabajo Rocas Calizas 42 - 838 ICP-MS Maratea, Brienza, Potencia (Italia) 88 Rocas Calizas 190 - 4292 ICP-OES Anatolia Central (Turquía) 89 Rocas Calizas 412 ICP-OES Pakistán 90 Rocas Calizas 65.9 - 241.1 ICP-OES Turquía 91 Rocas Calizas 15.6 - 394 HR-ICP-MS Turquía 92 Rocas Calizas 1370 HR-ICP-MS Francia 93 Rocas Calizas 160 - 1785 ICP-OES España 94 Rocas Calizas 137.2 - 199.4 ICP-OES Turquía Este trabajo Rocas Calizas 122.8 - 173.2 HR-ICP-MS Turquía Este trabajo 37 Tabla 11. (Cont.) Valores bibliográficos del estroncio elemental y 87Sr/86Sr Tipo de muestra 87Sr/86Sr Sr [ug.g-1] Técnica Localización Referencia Espeleotemas 0.708809 - 0.708991 MC ICP-MS Bélgica 61 Espeleotemas 0.711410 - 0.712032 MC-ICP-MS Estonia 64 Espeleotemas 0.70762 - 0.70860 MC ICP-MS Jerusalén (Israel) 66 Espeleotemas 0.71024 MC ICP-MS Jerusalén (Israel) 95 Espeleotemas 0.709561 MC ICP-MS China 96 Espeleotemas 0.71052 - 0.73048 MC-ICP-MS China 67 Estalagmitas 0.70577 - 0.70689 MC ICP-MS España 62 Estalagmitas 0.70923 - 0.70938 MC ICP-MS Europa central 63 Estalagmitas 0.70818 - 0.70829 MC ICP-MS Israel 69 Estalagmitas 0.70667 - 0.70877 HR-ICP-MS Serbia Este trabajo Estalagmitas 0.707963 MC-ICP-MS Serbia Este trabajo Rocas Calizas 0.7081 - 0.7087 MC ICP-MS Monongalia (West Virginia, EE.UU.) 97 Rocas Calizas 0.707000 - 0.708810 MC ICP-MS Maratea, Brienza, Potencia (Italia) 88 Rocas Calizas 0.707320 - 0.707548 MC ICP-MS Normandía (Francia) 98 Rocas Calizas 0.707803 - 0.708209 MC ICP-MS Anatolia Central (Turquía) 89 Rocas Calizas 0.708578 - 0.708616 MC ICP-MS Turquía 99 Rocas Calizas 0.70584 - 0.71181 MC ICP-MS Turquía 92 Rocas Calizas 0.703794 HR-ICP-MS Francia 93 Rocas Calizas 0.714628 MC ICP-MS Turquía 100 Rocas Calizas 0.707341 - 0.707662 TIMS España 94 Rocas Calizas 0.70590 - 0.70804 HR-ICP-MS Turquía Este trabajo Rocas Calizas 0.705327 - 0.706839 MC ICP-MS Turquía Este trabajo Tiburón 0.708794 - 0.708819 MC-ICP-MS Perú 79 Tiburón 0.708364 - 0.708576 TIMS Perú 70 38 Tabla 11. (Cont.) Valores bibliográficos del estroncio elemental y 87Sr/86Sr Tipo de muestra 87Sr/86Sr Sr [ug.g-1] Técnica Localización Referencia Conchas de caracol 0.703907 - 0.715162 MC ICP-MS Turquía 59 Conchas de caracol 0.70724 - 0.71757 MC ICP-MS Corea del sur 101 Moluscos bivalvos 0.707292 - 0.707400 TIMS Turquía 60 Moluscos bivalvos 0.708173 MC ICP-MS Hawái (EE.UU) 76 Moluscos bivalvos 0.707049 - 0.707200 MC ICP-MS Italia 102 Moluscos bivalvos 0.70887 - 0.71021 HR-ICP-MS Turquía Este trabajo Moluscos bivalvos 0.707390 - 0.709273 MC ICP-MS Turquía Este trabajo Dientes Humanos 0.723 - 0.748 MC ICP-MS Sterkfontein (Sudáfrica) 103 Dientes Humanos 0.720-0.750 Ablación láser Sterkfontein (Sudáfrica) 104 Dientes Humanos 0.72485 - 0.74121 MC ICP-MS Sterkfontein (Sudáfrica) 105 Hueso humano 0.70808 - 0.70926 MC ICP-MS Italia 106 Hueso humano 0.70813 - 0.71312 MC ICP-MS México 71 Mamífero (sin especificar) 0.7097 - 0.7243 MC ICP-MS Sudeste asiático 107 Mamífero herbívoro 0.70831 - 0.70863 MC ICP-MS Italia 106 Mamífero herbívoro (dentina) 0.722 - 0.721 MC ICP-MS Sudáfrica 108 Mamífero herbívoro (dentina) 0.706156 - 0.712013 MC ICP-MS Australia 109 Mamífero herbívoro (diente) 0.70821 - 0.71147 MC ICP-MS Zúrich (Suiza) 77 Roedor 0.70826 - 0.70857 MC ICP-MS Italia 106 Roedor (diente) 0.71978 - 0.75067 MC ICP-MS Gladysvale (Sudáfrica) 75 Roedor (diente) 0.72506 - 0.78781 MC ICP-MS Sterkfontein (Sudáfrica) 76 Fósil mamífero (carnívoro) 0.70715 - 0.70698 HR-ICP-MS España Este trabajo Fósil mamífero (carnívoro) 0.707321 - 0.707160 MC ICP-MS España Este trabajo 39 5. Conclusiones. 1. Se validó un método para la determinación del estroncio como elemento traza y de sus relaciones isotópicas, especialmente 87Sr/86Sr, utilizando la técnica de HR-ICP-MS. El método que demostró ser eficiente y robusto en la obtención de datos analíticos precisos y reproducibles. 2. Se desarrolló un método de extracción y purificación de estroncio en diversos tipos de fósiles y rocas carbonáticas. para su posterior análisis mediante técnicas de ICP-OES, HR-ICP-MS y MC ICP-MS. 3. Este procedimiento se aplicó a muestras procedentes de investigaciones activas; los resultados obtenidos son consistentes con los obtenidos para muestras similares a las analizadas en este trabajo, tal y como se refleja en la bibliografía consultada, lo que respalda la fiabilidad de los datos obtenidos facilitando el análisis de estroncio y sus isótopos en muestras de interés para la investigación en la Evolución Humana y el estudio del Cambio Climático. Las limitaciones encontradas están principalmente relacionadas con la insuficiente disponibilidad de materiales de referencia y, especialmente para las muestras fósiles, la escasa cantidad de muestra a la que se tiene acceso, al ser una técnica destructiva. Como continuidad de este trabajo se está elaborando una base de datos propia de Sr en muestras provenientes de algunos yacimientos de relevancia paleoantropológica y se está desarrollando actualmente una metodología para determinar el contenido en estroncio y sus isótopos mediante LA-HR-ICP-MS. 40 6. Referencias. 1. Stammeier, J. A., Nebel, O., Hippler, D., & Dietzel, M. A coherent method for combined stable magnesium and radiogenic strontium isotope analyses in carbonates (with application to geological reference materials SARM 40, SARM 43, SRM 88A, SRM 1B). MethodsX, 2020, 7. https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.100847 2. Ammer, S. T. M., Kootker, L. M., Bartelink, E. J., Anderson, B. E., Cunha, E., & Davies, G. R. 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Parámetros de operación del ICP-OES y configuración del instrumento. ...... 12 Tabla 3. Parámetros de operación del HR-ICP-MS y configuración del instrumento. . 13 Tabla 4. Parámetros de operación del MC ICP-MS y configuración del instrumento. 14 Tabla 5. Valores de relaciones isotópicas certificados y preferidos del NIST SRM 987 ....................................................................................................................................... 16 Tabla 6. Principales resultados del informe de validación para la determinación de Sr mediante ICP ................................................................................................................. 23 Tabla 7. Interferencias ICP-OES para el estroncio........................................................ 24 Tabla 8. Resultados del 87Sr/86Sr para el material de referencia. .................................. 26 Tabla 9. Concentración de Sr en materiales de referencia. ........................................... 27 Tabla 10. Resultados de los análisis de estroncio en distintas matrices empleando distintas técnicas. ........................................................................................................... 32 Tabla 11. Valores bibliográficos del estroncio elemental y 87Sr/86Sr. ........................... 35 7.2. Listado Figuras. Figura 1. Espectrómetro ICP-OES usado en este trabajo. U-Series Lab, CENIEH. ..... 13 Figura 2. Espectrómetro HR-ICP-MS usado en este trabajo. U-Series Lab, CENIEH . 14 Figura 3. Espectrómetro MC ICP-MS usado en este trabajo. U-Series Lab, CENIEH. 15 Figura 4. Estalagmita. .................................................................................................... 17 Figura 5. Rocas calizas. ................................................................................................. 18 Figura 6. Fósil mamífero. .............................................................................................. 18 Figura 7. Fósiles moluscos bivalvos. ............................................................................. 18 Figura 8. Proceso de extracción del estroncio. .............................................................. 20 Figura 9. Diagrama de dependencia ácida de k' para el estroncio en la resina Sr para varios iones a 23-25 ºC (Sr-resin Eichrom Technologies US). .................................... 21 Figura 10. Fracciones eluidas con H2O. ........................................................................ 22 Figura 11. Fracciones eluidas con 0.05M HNO3. .......................................................... 22 Figura 12. Espectro ICP-OES Sr 407.771 nm. .............................................................. 25 53 Figura 13. Comparativa valores 87Sr/86Sr del material certificado medido por distintas técnicas. ......................................................................................................................... 27 Figura 14. Gráfico de barras resultados isotópicos 87Sr/86Sr. ....................................... 29 Figura 15.Gráfico de barras resultados de la concentración de Sr. ............................... 31