Evaluating the efficiency of ion exchange in Sr isotope analysis for paleomobility research

Abstract

Este estudio propone un método de trabajo para la preparación de muestras con diferentes matrices destinadas al análisis isotópico y de concentración de estroncio, así como su análisis estadístico. El objetivo es crear un modelo de reconocimiento de patrones para su posterior aplicación en el mapeo de la abundancia isotópica del estroncio en la península ibérica. Las muestras de plantas y suelos (n=12) se obtuvieron de varias regiones de la península ibérica. Dos métodos cromatográficos se evaluaron para la extracción del estroncio y su posterior análisis en MC ICP-MS: cartuchos de resina hechos a mano y cartuchos de resina comerciales. Los cartuchos hechos a mano exhibieron una mayor precisión, mientras que la extracción con cartuchos comerciales fue más rápida y con resultados comparables. Para las muestras purificadas con cartuchos hechos a mano se obtuvieron rangos de 87Sr/86Sr de entre 0.70897-0.70918 para las muestras de arena de cuevas, de 0.70887 para la arena de playa, de 0.70814 para los sedimentos del río Guadiana, de 0.70826 para la tierra de cultivo y de 0.71192 para el material de referencia NIST 8704. Para las muestras botánicas se obtuvo: un valor de entre 0.70904-0.70922 para el trigo de burgos, de 0.70930 para el trigo de Tudela de Navarra y un valor de 0.70971 para el material de referencia NIST 4356. Para las muestras purificadas con cartuchos comerciales se obtuvieron rangos en muestras de suelos de: 0.69071-0.70942 para las arenas de cuevas, de 0.70884 para la arena de playa, de 0.70690 para los sedimentos del río Guadiana, de 0.70816 para la tierra de cultivo, y de 0.70123 para el material de referencia NIST 8704. Para las muestras botánicas se obtuvo: un valor de entre 0.70908-0.70917 para el trigo de burgos, de 0.70931 para el trigo de Tudela de Navarra y un valor de 0.70982 para el material de referencia NIST 4356. La concentración total de estroncio en las muestras se midió después de una digestión ácida total usando SF-ICP-MS e ICP-OES. Para las muestras de suelo: de arena de cuevas se obtuvo un rango de concentración de 50.21 120.28 mg/Kg, para la muestra de arena de playa un rango entre 449.48 750.97 mg/Kg, para los sedimentos del río Guadiana un valor de 285.18 mg/Kg, para la tierra de cultivo 648.07 mg/Kg y para el material de referencia NIST 8704 un valor de 129.27 mg/Kg. Para las muestras botánicas: para el tallo del trigo de Burgos se obtuvo un valor de 631.05 mg/Kg, para las cáscaras, semillas y semillas completas de ese mismo trigo se obtuvieron valores de 322.93 mg/Kg, 679.55 mg/Kg, 526.64 mg/Kg, para el trigo de Tudela de Navarra se obtuvo un valor de 613.78 mg/Kg, y para el material de referencia NIST 4356 se obtuvo un valor de 188.41 mg/Kg. Todas estas variables fueron utilizadas en el análisis estadístico por componentes principales (PCA), análisis factorial (FA) y análisis de agrupamiento jerárquico (HCA). Las muestras demostraron una tendencia a agruparse según su origen y naturaleza. Aunque con limitaciones debido al espacio muestral, se consiguió desarrollar un método de análisis experimental y estadístico para contribuir a la investigación del mapeo isotópico del estroncio en la península ibérica.

This study proposes a frame work for different matrices sample preparation, aimed at isotopic and strontium concentration analysis, as well as the statistical analysis of them. The objective is to create a pattern recognition model for subsequent application in mapping the isotopic abundance of strontium in the Iberian Peninsula (isoscape). Plant and soil samples (n=12) were obtained from various regions of the Iberian Peninsula. Two chromatographic methods were evaluated for the extraction of strontium and its posterior analysis by MC ICP-MS: hand-made resin cartridges and commercial resin cartridges. Hand-made cartridges exhibited higher precision, while extraction with commercial cartridges was faster and with comparable results to the hand-made cartridges ones. For samples purified with handmade resin cartridges, 87Sr/86Sr ranges were 0.70897-0.70918 for cave sand samples, 0.70887 for beach sand, 0.70814 for Guadiana River sediments, 0.70826 for crop soil, and 0.71192 for NIST 8704 reference material. For botanical samples, values obtained were: 0.70904-0.70922 for Burgos wheat, 0.70930 for Tudela de Navarra wheat, and 0.70971 for NIST 4356 reference material. For results of commercial cartridges the values for soil samples were of 0.69071-0.70942 for cave sand samples, 0.70884 for beach sand, 0.70690 for Guadiana River sediments, 0.70816 for crop soil, and 0.70123 for NIST 8704 reference material. For botanical samples, values obtained were: 0.70908-0.70917 for Burgos wheat, 0.70931 for Tudela de Navarra wheat, and 0.70982 for NIST 4356 reference material. Strontium concentration in the samples was measured after total acid digestion, using SF-ICP-MS and ICP-OES. For soil samples: cave sand concentration values ranged from 50.21-120.28 mg/kg, beach sand values ranged between 449.48-750.97 mg/kg, The concentration of Guadiana River sediments was 285.18 mg/kg, crop soil’s was 648.07 mg/kg, and NIST 8704 reference material had a value of 129.27 mg/kg. For botanical samples: Burgos wheat stem measured at 631.05 mg/kg, while chaffs, seeds, and whole seeds of the same wheat measured 322.93 mg/kg, 679.55 mg/kg, and 526.64 mg/kg, respectively. Tudela de Navarra wheat yielded 613.78 mg/kg, and NIST 4356 reference material measured 188.41 mg/kg. All these variables were used for the statistical analysis, using principal component analysis (PCA), factor analysis (FA) and hierarchical clustering analysis (HCA). All samples showed a tendency to cluster with similar natured ones, as well as with similar origin ones. Despite limitations due to sample size, the experimental and statistical work frame was successfully developed to contribute to the investigation of strontium isotopic mapping in the Iberian Peninsula.