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

Abstract

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).

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 (ICP-OES, 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 ICP-MS). In terms of defining the elemental concentrations of the different carbonate matrices, ICP- OES 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.