一种简化的、非自动化的基于DGA树脂的Ca、Sr和REE分离方案：用于Ca、稳定和放射成因Sr同位素组成的验证

《Journal of Archaeological Science》：A simplified, non-automated, DGA-based resin protocol for the separation of Ca, Sr and REE: Validation for Ca, stable and radiogenic Sr isotopic compositions

　　

研究人员提出了一种基于DGA（N,N,N',N'-四正辛基二甘醇酰胺）树脂的单步、非自动化的色谱分离方案，用于从单一样品中同时纯化钙（Ca）、锶（Sr）和稀土元素（REE），并验证其用于后续δ⁴⁴Ca/⁴²Ca、δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素分析的可行性。该方案针对考古学样品（如骨骼、牙齿、碳酸盐和有机组织）进行了优化，采用1 mL DGA树脂柱，通过依次使用2 mol L^?1 HNO₃（去除基质）、4 mol L^?1 HNO₃（洗脱Sr）、8 mol L^?1 HNO₃（洗脱Ca）和0.05 mol L^?1 HCl（分离轻稀土LREE和重稀土HREE）完成分离。研究人员使用六种认证参考物质（CRM）——包括无机基质（SRM1400骨灰、JCp-1珊瑚粉末、IAPSO海水）和有机基质（SRM1577c牛肝、BCR380R全脂奶粉、BCR383绿豆粉）——验证了该方案。结果表明，Ca和Sr的回收率分别超过95%和92%，基质元素（如Mg、Na、K、Fe）被有效去除。测得的δ⁴⁴Ca/⁴²Ca_{ICP Ca Lyon}、δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr_SRM987和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值与文献值一致，验证了该方法的准确性和稳健性。该方案无需自动化系统，可在6–7小时内完成，且DGA树脂可重复使用至少15次，特别适用于考古学中饮食和流动性重建的综合同位素分析，同时REE分离可用于评估成岩作用。

**论文解读：基于DGA树脂的单步分离方案用于Ca、Sr和REE同位素分析——以考古学样品为例**

**研究背景与现存问题**

在考古学研究中，古饮食和流动性重建通常依赖骨骼胶原蛋白的碳、氮、硫同位素分析。然而，胶原蛋白在考古背景下常保存不佳，使得骨骼矿物部分（生物磷灰石）的同位素分析成为有价值的补充或替代方案。钙（Ca）和锶（Sr）同位素体系作为生物磷灰石的组成成分，已被广泛用于研究营养级、母乳喂养与断奶行为（δ⁴⁴Ca/⁴²Ca）以及地理起源（δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）。此外，稀土元素（REE）分布常用于评估考古骨骼组织的成岩作用。然而，传统的Ca和Sr纯化方法通常需要多步色谱流程，涉及多种树脂（如阳离子交换树脂、Sr-Spec树脂）和大量试剂，耗时且增加污染风险。例如，Tacail等人（2014）的Ca纯化方案需要两个色谱柱和约100 mL试剂，而后续的Sr纯化还需额外步骤，总洗脱体积约110 mL。近年来的DGA树脂方案虽有一定优化，但仍多为多步流程（如Dai等人，2023需两次DGA纯化再加一次Sr-Spec纯化）。此外，多数研究仅聚焦于单一元素（Ca或Sr）的分离，缺乏同时回收Ca、Sr和REE的集成方法。目前唯一被验证的联合纯化方案（Romaniello等人，2015）依赖于prepFAST-MC?自动化系统，并非所有实验室具备该条件。因此，亟需一种简化的、非自动化的、可同时分离Ca、Sr和REE的色谱方案，以从有限量的考古样品中获取最大信息量。

**研究内容与结论**

研究人员开发并验证了一种基于DGA树脂的单步、非自动化色谱方案，用于从同一消化液中同时纯化Ca、Sr和REE，并随后进行δ⁴⁴Ca/⁴²Ca、δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素分析。该方案使用1 mL DGA树脂柱，通过重力流操作，依次以2 mol L^?1 HNO₃洗脱基质、4 mol L^?1 HNO₃洗脱Sr、8 mol L^?1 HNO₃洗脱Ca，以及0.05 mol L^?1 HCl分离轻稀土（LREE）和重稀土（HREE）。研究人员使用六种认证参考物质（CRM）进行验证：SRM1400（骨灰，NIST）、JCp-1（珊瑚粉末，GSJ）、IAPSO（北大西洋海水，OSIL）、SRM1577c（牛肝，NIST）、BCR380R（全脂奶粉，JRC）和BCR383（绿豆粉，JRC），涵盖无机和有机基质。所有样品均经微波消解（IAPSO经蒸发后溶解）。

**主要结论**：该方案实现了Ca和Sr回收率>90%（Ca 95–110%，Sr 92–100%），并有效去除基质元素（Mg、Na、K、Fe等）。测得的δ⁴⁴Ca/⁴²Ca_{ICP Ca Lyon}、δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr_SRM987和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值与文献值高度一致，验证了方法的准确性和稳健性。例如，SRM1400的δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为?1.05±0.08‰至?1.09‰（文献值?1.09±0.01‰至?0.99±0.06‰），⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值为0.71313±0.00001（文献值0.71308–0.71313）。该方案还成功分离了LREE和HREE，可用于后续成岩作用评估或Nd同位素分析。整个色谱过程约需6–7小时，且DGA树脂可重复使用至少15次而无记忆效应。

**重要性与意义**：该论文发表在《Journal of Archaeological Science》。该方案为考古学中饮食和流动性重建提供了一种高效、低成本、无需自动化系统的集成工具，可最大化从有限样品中获取的信息量。同时，REE分离功能为评估骨骼成岩作用提供了额外手段，并拓展了在古生物学、古气候和古海洋学等领域的应用潜力。

**主要关键技术与方法**

1. **色谱分离方案**：基于DGA（N,N,N',N'-四正辛基二甘醇酰胺）树脂的重力流色谱柱（1 mL树脂，0.8 cm内径，10 mL储液器），采用四级洗脱液：2 mol L^?1 HNO₃（基质去除，7.5 mL）、4 mol L^?1 HNO₃（Sr洗脱，28 mL）、8 mol L^?1 HNO₃（Ca洗脱，26 mL）和0.05 mol L^?1 HCl（REE分离，20 mL，前10 mL为LREE，后10 mL为HREE）。样品来源包括六种认证参考物质（CRM）：SRM1400（骨灰，NIST）、JCp-1（珊瑚，GSJ）、IAPSO（海水，OSIL）、SRM1577c（牛肝，NIST）、BCR380R（奶粉，JRC）和BCR383（绿豆粉，JRC）。

2. **元素浓度测定**：采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，iCAP-Q）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES，iCAP PRO）分别测定痕量和主要元素浓度，以评估色谱回收率。

3. **同位素分析**：Ca同位素采用Neoma MC-ICP-MS/MS（Thermo Scientific）在低分辨率模式下进行，碰撞池中引入氢气以消除氩基干扰，内标为ICP Ca Lyon标准。Sr稳定同位素（δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr）和放射成因Sr同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）采用Neptune Plus MC-ICP-MS（Thermo Scientific）在湿等离子体条件下测定，使用标准-样品-标准交叉法（bracketing）和Zr外标法（⁹¹Zr/⁹⁰Zr）校正仪器质量偏差。

**研究结果**

**3.1. 基质去除与回收率**
色谱分离在六种CRM中均产生高度一致的洗脱曲线，Ca和Sr回收率分别超过95%和92%。基质元素（Mg、Na、K、Fe、Mn、Zn、Ba、Rb）在洗脱初期被定量去除，形成窄峰，远早于Sr峰的起始。Sr峰在约20 mL处清晰出现，Ca峰在约40 mL处。对于REE，LREE（La、Ce、Pr、Nd、Gd）在0.05 mol L^?1 HCl的前10 mL中洗脱，HREE（Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb）在后续10 mL中洗脱，实现了可靠分离。

**3.2. 参考物质的Ca和Sr同位素组成**
- SRM1577c：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为0.07±0.03‰和?0.02±0.04‰，与Delette等人（2025）的?0.06±0.03‰一致，但与Retzmann和Wieser（2026）的数据存在差异（可能源于批次不同）。因Sr含量过低（Sr/Ca < 5×10^?4），未能获得Sr同位素数据，表明该方法对低Sr/Ca样品存在局限性。
- BCR380R：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为?1.10±0.02‰，与文献值（?1.14±0.05‰，?1.10±0.10‰）一致。同样因Sr量不足未测Sr同位素。
- BCR383：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为?0.65±0.06‰，与文献值范围（?0.56±0.02‰至?0.78±0.24‰）一致；δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr为0.16‰，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.70988，均与文献值吻合。
- SRM1400：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为?1.05±0.08‰至?1.09‰，与文献值（?1.09±0.01‰至?0.99±0.06‰）一致；δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr为?0.29±0.05‰，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.71313±0.00001，均落入文献范围。
- JCp-1：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为?0.17±0.03‰（文献值?0.16±0.02‰）；δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr为0.20±0.06‰（文献值0.18–0.25‰）；⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.70917±0.00001（文献值0.70916–0.70924）。
- IAPSO海水：δ⁴⁴Ca/⁴²Ca值为0.38±0.00‰，δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr为0.38±0.08‰，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.70917±0.00002，均与现代海水文献值一致。

**讨论与结论**

讨论部分指出，该方案在六种不同基质（无机和有机）的CRM中表现稳健，回收率和同位素准确性均得到验证。对于低Sr/Ca比样品（<5×10^?4），如BCR380R和SRM1577c，Sr回收量不足以进行Sr同位素分析，这可能是该方法的一个限制，需进一步研究阈值。此外，SRM1577c的Ca同位素数据与部分文献的差异提示需更多测量以认证该材料。整体而言，该方案无需自动化系统，通过单步色谱即可同时获得Ca、Sr和REE馏分，显著缩短了制备时间（约6–7小时），且DGA树脂可重复使用，降低了成本。研究结论部分翻译如下：

**研究结论**：在本研究中，研究人员开发了一种简化的方法，用于从单个样品等分中高效分离Sr和Ca，以进行后续的稳定和放射成因同位素分析，并进一步分离REE。据研究人员所知，这是首个无需自动化系统（如prepFAST-MC?）即可在单一集成化学流程中实现Sr、Ca和REE分离的方案。六种参考物质（包括有机和无机）的δ⁴⁴Ca/⁴²Ca_{ICP Ca Lyon}、δ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr_SRM987和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素组成与先前发表的值一致，验证了该方法的准确性和稳健性。该方案简单易行，可在标准实验室环境中快速实施。与针对专用系统优化的自动化程序相比，该方案特别针对常规手动操作进行了优化。它比传统方法更快，传统方法通常涉及多个色谱纯化步骤，而本方案通过单步单柱实现了Ca、Sr和REE分离。与传统方法需要使用Sr-Spec树脂不同，这里使用的DGA树脂可重复使用。这些特点使其特别适用于考古学研究，其中Sr-Ca稳定和放射成因同位素体系联合用于研究来源、流动性和饮食。此外，该方案还能分离REE，既可评估骨骼材料的成岩作用，也可用于后续同位素分析（如Nd同位素）。该方案还可应用于地球科学其他领域，包括古生物学、古气候和古海洋学研究，用于分析生物碳酸盐、化石遗存、海洋档案和沉积记录。总体而言，该方法为考古学和地球科学中的综合同位素和元素研究提供了稳健、通用且易于获取的工具。