安定炭素・酸素同位体分析の炭酸塩のサンプリングと歯のエナメル質の前処理

要約

人間と動物の歯のエナメル質炭酸の安定炭素・酸素同位体分析は、個々 の食事と環境復元のためのプロキシとして使用されています。ここでは、私たちは詳細な説明し、映像記録一括と順次歯エナメル質サンプリングとして考古学と古生物学的試料の前処理。

要約

人間と動物の歯のエナメル質炭酸の安定炭素・酸素同位体分析は、1000 万年以上前に戻って、最近歴史の期間から paleodietary、古生態学的、および古環境研究の適用されています。一括アプローチは、エナメル質の石灰化の期間の代表的なサンプルを提供し、歯内の連続したサンプルは、この期間中に食事や環境の変化を追跡できます。必要な実験装置の選択を支援するため、徹底的に詳細な実験室のサンプルを記述する明確なガイドラインがなかったこれらの方法論が広く適用し、考古学、生態学、古生物学で説明されているとプロトコル。この記事で文書化原文と、視覚的に実験室の設定の様々 な応用を考える研究者に方法論をより広く利用できるように前処理や続成作用スクリーニングを通してサンプリングから全体のプロセス。

概要

歯エナメル質炭酸の安定炭素・酸素同位体比分析は、過去の人間の摂取、離乳しモビリティと同様、群集植生、動物、畜産飼料的運動依存研究に使用されています。これらのアプリケーションを包括的に議論されているし、さまざまなローカル乾燥、温度、水の源、植生の組成^1,2,の影響を示す環境条件の見直し^3,4,5,6。考古学と古生物学への応用可能性の多様性だけでなく、歯のエナメル質の炭酸塩のよい保存しました安定同位体作業³の魅力的な素材。数出版物^1,7つ前までのサンプリング、前処理、および続成作用スクリーニングの方法について説明します。しかし、徹底的な言語および視覚的デモまま大きく使用できない、特に考古学的な科学実験室の外、この技術の利用に関心が高まっている限られた資金と研究所群の人々 に⁵。

歯のエナメル質は主に成っているハイドロキシアパ タイト (bioapatite) 結晶⁸骨、それに事後続イオン置換し汚染³抵抗力があるより大きい。現代の研究は、動物の歯の安定炭素同位体 (δ¹³C) 測定が確実にレコード動物食行動^9,10をエナメル質を実証しています。歯のエナメル質の酸素同位体 (δ¹⁸O) 値は、水は、水の様々 な環境への影響と同様、植物、動物性食品、飲料水、呼吸、摂取された水の酸素同位体組成によって決まりますさらに同位体分別につながることができます (例えば.、乾燥、温度、高度、降雨量、大陸場所)¹¹。なりました食事や環境の再構成のための普及した方法、古生態学的、考古学、古生物学的研究。

歯エナメル質の形成期 (年) の比較的短いが、サンプリングする歯によって異なります。人間は、第一大臼歯エナメル mineralizes 生年月日と 3 歳の間、小臼歯が 1.5 から 7 歳の間石化、第二大臼歯が 2.5 と 8 歳の間石化、第三大臼歯は 7 のそして 16 年^{12 間、思春期に石化}.与えて歯エナメル質形成する段階的形成期、それ全体の成長軸一括でサンプリングしたり^{13 形成期間中に発生した食事や環境の変化を調査するために順番にサンプリング}.与えられた歯内の食餌療法の変更を日時順に配列、人間と他の動物^1,14, 季節と食の年次変動に関する情報を提供する観測可能なオブジェクト。

エナメル質は通常続成作用に耐性が、埋葬の環境から生じる同位体の変更が可能であり^15,16, 実験的チェックと前処理の選択肢を有用なものが観察されています。フーリエ変換赤外分光 (FTIR)、伝送モードの減衰で特にが迅速、安価と歯のエナメル質のタフォノミーの変化を評価するため比較的入手しやすい方法として浮上している唯一の方法ですが、特に古生物学的コンテキスト^17,18,19、で²⁰。ただし、詳細なプロトコルおよび記録の規格は比較的地球化学や材料科学の分野の外の多くの人々 にアクセスできませんにあります。

反応時間と歯のエナメル質の前処理の研究者によって採用されている化学物質を異なるも、かなりこの変動が安定した炭素と酸素同位体比分析サンプル^{21 に何か限られた考慮した多くの文献で ,22}。ここでは、エナメル質粉末試料の前処理のアプローチ使用希釈酢酸 (0.1 M) であることを報告します。ただし、前処理による同位体比測定の違いは歯のエナメル質の比較的マイナーなため、それを¹¹にデータを比較するデータセットのプロトコルに従う研究者に最適です。さらに、特に完新世のサンプルに、小さな連続したサンプルを採取、前処理選択されるかもしれないない (以下のパイロット続検査) サンプルの無駄を避けるために。

ここでメソッドは、我々 の知識に新しいものではない、これは一括とシーケンシャル サンプリング、前処理の選択、および歯の (FTIR のフォーム) の続成作用によるチェック手法の詳細な記述と視覚的ドキュメント エナメル初めて様々 な学術の聴衆広く利用されました。適用し、このテクニックを公開する者が報告基準、続成作用の考慮事項は、最低限の注意必要があります一方、我々 は我々 の努力このアプローチより簡単にアクセスできるように個人や研究室の広い数を願って、期間⁵の時間と、分析、分類、研究地域に固有する潜在的な解釈の複雑さと同様、²⁰プレゼンテーションの要件を他の場所で概観した.

プロトコル

次のプロトコル人間史科学のマックス ・ プランク研究所光同位体比質量分析法研究所のガイドラインに従います。絶滅危惧種の近代的なまたは歴史的の群集標本を含む解析および現代的なステーク ホルダーへ関心のある考古学と動物素材の使用、適切な倫理国家と国際委員会から権限を求める必要があります。.本稿で使用されるサンプルは考古学および化石の標本だった。生きている人間は、本研究のために使用されなかったし、破壊的な分析の完全倫理的、機関、および政府の権限が与えられます。

1. バルク サンプリング

注: 人間と動物は、一括法の基本的な歯のエナメル質のサンプリングは、ドリルの歯の頬側の端への応用。

1. ドリルのセットアップを使用して穏やかな摩耗、ブラスターを撃ったアルミニウムを用いた歯 (~0.1 mm) の外面をきれい。きれいなダイヤモンドひっくり返されたドリル ビットも形状、ドリル セットアップにチャックを介して接続されている (下記参照)、手持ち型のドリルを使用します。優しくても摩耗が全体の成長軸に平行溝として実行されることを確保する (図 1と図 2)。
2. 試み、可能であれば、それぞれの人間の同じ歯部分またはサンプリング動物にメソッドを適用します。
   注: 人間 paleodietary 研究では、第三大臼歯一般的に愛されている代表的な後半の少年/大人の食事効果²³を離乳のため第一大臼歯を回避しながら。使用可能なサンプルと質問調査の下で最寄りの歯にはそれぞれの分類群と表される、人生の期間が異なります。
3. 歯のエナメル質の粉末の吸入を避けるためにマスクを着用しながら部屋を換気ドリルします。目を保護するゴーグルを着用します。掘削試料粉末量分析、前処理プロトコル、および歯のサイズに使用する装置によって異なることに注意します。サンプルの加熱を防ぐために低速でドリルします。
   注: サンプル粉末 4 ~ 8 mg とほぼ、同位体比質量分析法および続成作用によるテストのオンライン ガスの準備と導入システムを使用して複数の解析のための適切な目標です。選ばれたドリル速度がサンプルのもろさによって異なり、試行錯誤のいくつかのレベルが必要になります注意してください。一般に、手持ち型のドリルの強度の 2 のうち 5 バーで十分です。きれいなアルミ箔の部分に歯磨き粉をドリルまたは紙の重量を量るします。
4. その結果エナメル質粉末を収集を掘削する前に適切に正確なバランス tared された 1.5 mL マイクロ遠心チューブに転送しています。サンプルの指定 (図 3) の各チューブにラベルを付けます。電子データベースと同様に、実験ノートにサンプル番号とエナメル質重量を記録します。
5. それぞれの新しい歯を掘削する前にまず 0.5 M 塩酸を使用して堅牢な組織に活用ドリル ビットをクリーンアップします。有機溶剤 (アセトン、メタノール、エタノールなど) にドリルビットを洗い流し堅牢な組織を使用します。
6. 専用使用して徹底的にワークスペースのクリーン掘削に座って、次の掃除機やちりとりとブラシ。メタノールを用いたサンプリング領域を拭いてください。真空やサンプル間のほこりやサンプルの粉末を削除する圧縮空気でドリルを軽くスプレーします。

2. 連続サンプリング

注: シーケンシャル サンプリングはさまざまな形で近づくことができる、サンプリングされる分類群、必要な時間分解能と同様に、歯のサイズによって異なります。

1. 非常に薄いを外してサンプリングされている歯の表面をきれいに外側の歯のエナメル質の層を (~0.1 mm)。
2. 王冠の上にエナメルのルートのジャンクションから実行している、歯の成長軸に垂直な頬の表面に沿ったサンプルをドリルします。エナメルの層間で 1-2 mm 広い溝の結果各サンプルに成長軸に垂直水平方向のバンドをドリル (図 1と図 4)。それは、サンプルとその結果の測定を汚染するだろうと象牙質にエナメルのドリルスルーを避けるために注意してください。
   注: サンプルの数は、必要な解像度によって異なりますが、c. 10 δ¹³C と hypsodont の家畜牛のサイズの δ¹⁸O 値の季節変化の研究に適切な目標を表します。
3. サンプリング ラインの幅はドリル刃の直径によって決定されます、各サンプルの適切なドリル ビットを選択します。
4. リグのセットアップを使用して、増分のサンプル (図 2) の大きい数を必要とするより敏感な歯のため (e.g。、ヒトの歯), だけでなく、より安定した加工。下向きドリル刃で安全に、ドリルを保持しているリグ スタンドを設定します。
   注: 4 つのサンプルは、ハンドヘルド アプローチ²⁴を使用して永久的な人間の大臼歯から簡単に得ることより洗練されたサンプリング リグが必要ですまたは CO₂レーザー アブレーション アプローチはないことはここで説明した¹⁴。もう一つの一般的なアプローチは、半自動化された特定²⁵を使用することです。
5. 歯を押したり、クランプに取り付けます。ドリル ビットに対して歯のエナメル質を押し圧力を適用します。サンプルが掘削段階的頬の表面に沿って頂点 (咬合面) からエナメル ルート ジャンクション (ERJ) の位置に王冠のベースに。複数回掘削前のサンプル ラインに平行な各連続線戦略を掘削同じサンプルをレプリケートします。羊の臼歯, 直径 1 mm (図 1) などの繊細な歯に小さな円筒形ダイヤモンド ドリル ビットを使用します。
6. キャリパーを使用して ERJ からそれぞれサンプリング ラインの距離を測定し、比較のためこの距離を記録します。
7. 手順 1.3-1.6 上記に従ってください。
   注: 小さく、敏感な歯を分析されている前処理・続成のチェック方法が適用されない場合、1-4 mg のような小さなサンプルは炭酸分析オンライン ガスの準備と導入セットアップに信頼性の高い結果を生成します。変更された自動化周辺機器システムは、さらに低い重みのサンプルの使用を容易にすることができますが、研究エナメル (4 ~ 5 wt %)^26,27炭酸の割合は必然的に限られました。研究者は、研究室のサンプルが必要な試料の量を決定する測定するつもりですと相談してください。

3. フーリエ変換赤外分光法/弱毒総反射法

1. 減衰全反射率法のサンプル室背景、真空下でまたは通常の大気条件を確立します。
2. 歯のエナメル質の約 1 mg をへらを使用して試料室のダイヤモンド結晶にかぶせます。下げる、記事、サンプル、およびダイヤモンド プレートの間事務所の接続があるまで、サンプルの投稿を固定します。または確立されている真空なし、セットアップ、または可用性に応じて、試料室を閉じます。
3. 64 倍の 400 と 4,000 cm^-1まで波数サンプルの赤外スペクトルを測定します。複製の目的の数は、取り込んで住宅サンプル遠心チューブに返されます別の因数と理想的には、3 つの複製の解析は、堅牢な結果にもかかわらず、研究の目標に応じて異なります。
4. メタノールそれぞれ因数と各サンプル間にヘラをクリーンアップします。
5. 利用可能なソフトウェアを使用してベースライン補正を実行します。ソフトウェアは自動的に結果の FTIR プロファイルからサンプル室のバック グラウンドを減算します。再現性が向上するように、のみエナメル 0.06 ~1035 cm^-1に最高のリン酸バンドのための最低限の吸光度スペクトル必要があります考慮します。
6. 711 cm^-1にピークをチェックしてすべてのサンプルに共通の二次汚染物質炭酸塩方解石の存在を監視します。
7. 分析の結果、慎重にヘラや吸引装置を使用して、遠心チューブにサンプルを返す、前処理や分析の次の段階の上に取る。
8. .Csv ファイルとして (または類似の) 波長と強度の生データをエクスポートし、金利の指標を計算する (一般的に使用される指標は、A サイト リン酸インデックス、B サイト インデックスはリン酸、リン酸塩結晶度、水-アミド リン酸指数とCO₃/PO₄インデックスの^17,18,19) (表 1)。
9. 比較結果化石または考古学的なサンプルから、FTIR で今成長している近代的な動物の歯のエナメル質のデータセット文学^19,20で利用できる性質とする変質の程度を決定するため、エナメル質サンプリングします。

4. 簡単な酢酸 (0.1 M) 前処理

1. 適切なバランスを使用して微量遠心チューブに各サンプルのエナメル質粉末重量を量る。チューブをそれに応じてラベルします。エナメル質粉末は同じ程度、同じようなサイズの粒子と地面をある必要があります。
   注: 多くの研究者は、希釈の漂白剤 (NaClO) などの酸化剤を利用または 30% 過酸化水素 (H₂O₂) サンプルとこれから有機物を削除する必要がありますこの時点で追加されます。ただし、可能性がありますこれらの試薬は安定炭素と試料の酸素同位体比を変更だけでなくオンライン ガス準備・導入システムの骨コラーゲン サンプル スペクトルを示す 100% リン酸が炭酸で利用すること測定は有機サンプル (図 5)、この手順は必要であることを示唆するいると反応しません。
2. (エナメル質の 1 mg) あたり 0.1 M 酢酸 0.1 mL をピペットを使用して各サンプルに追加します。ピペットでサンプルを触れないでください。サンプルやピペット接触に入って来る、交差汚染を避けるために次のサンプルの新しいピペットを使用します。
3. 扇動、揺れまたは電子アジテーター (図 3) を使用し、座る時間の長時間にわたって 10 分エナメル質粉体が酢酸のままにしないでくださいためにサンプルのまま (> 4 h)。
4. 13,700 x g で 2 分間遠心機にサンプルを配置します。
   注: 低コストの代替は 3,500 x の g があり、少ないサンプルを保持しているが、大規模なサンプル セットを扱うときより時間がかかるがこれで 4 分のミニ遠心分離機の使用です。
5. 遠心プログラムが停止したとき、13,700 x g で 2 分間きれいなピペット、遠心、サンプルを使用して超純水 2 mL に酢酸を置き換えます。
6. 超純水水を変更する前に、さらに 2 回、中立性をテストします。(上清を妨げないで) ピペットを使用して残りの液を削除します。
   注: 超純水洗浄を 3 つの合計は、中立性を取得する標準的な手順です。中立性に到達するまで、サンプルを洗浄する必要があります。
7. パラフィルム (1 cm × 1 cm) のシートをカットし、それぞれ微量遠心チューブにかぶせます。鋭いオブジェクトを使用してサンプルを適切に乾燥センターで小さな穴を作る。
8. 任意の残りの液を削除する乾燥凍結にチューブを配置します。
   注: 凍結乾燥ではない利用できる、穏やかなオーブン乾燥 (40 ° C) がされている可能性もと安定炭素・酸素同位体比データへの悪影響はありません。
9. 一度乾燥、パラフィルムを削除し、遠心の蓋を閉じます。チューブ ラベルが正しいことを確認し、必要に応じて再書き込み。
   注: これは保存する前にうちの分析サンプルの配布の前に最終的な段階であるかもしれない限られた資金とラボでの重量を量るための最終段階です。

5. 計量と測定試料と基準

1. ヘラを使用すると、tin ディスク 0.001 mg (図 6) に敏感なバランスの上にエナメル質粉末の約 2 mg を量り。リン酸-抵抗力があるホウケイ酸塩ガラス小瓶にサンプルを慎重に転送します。このエナメル質の量は、歯のエナメル質に炭酸の比較的小さい割合のための信頼性の高い結果が得られるに必要です。
2. きれいにメタノールを使用してサンプルのヘラや新鮮できれいなディスクを使用して、各サンプル用容器の重量を量るします。
3. メルク カコ IAEA CO8 や IAEA 603 IAEA NBS18₃などの国際標準規格の 0.2 mg を重量を量る。大きな歯の均質化エナメル質から作られた社内標準は、よく²⁰として使用できます。15 基準使用 61 サンプルと標準 76 サンプルの完全な実行のためする必要があります均等に分散される全体にわたって実行します。いくつかの研究は、適切な数の基準や考古学研究^20,28の内容を報告しています。
   注: 繰り返しの前処理と考古学的なサンプルの実行の数を全体の家標準でエナメル質の分析は調査されるサンプルの精度の適切な測定を提供する可能性がまた²⁰。
4. 特別に設計された蓋は、中隔はタイトではなくバイアルに吸い込ままで針にアクセスを締めます。きつく締めすぎない蓋中隔への圧力も強くなるし、分析中に最終的に壊れた針で結果することができます。70 ° C に加熱ブロック内で記載されている順序でバイアルを配置します。注文とサンプルの重みは、コンピューター ソフトウェアに入るのためは確実に記録する必要があります。
5. 次の 3 つの手順でサンプルを測定: 1) フラッシュ純粋ヘリウム詰めてサンプル 2) リン酸の追加、3) サンプルを測定します。
   1. 純粋なヘリウム (等級 5.0) 周囲の空気を洗い流すに 5 分間、100 mL/min の流量でサンプルをフラッシュします。
   2. リン酸の 4-5 滴を追加 (99%、密度 1.85 g/mL) 炭酸含有サンプルに。サンプルと H₃PO₄反応を開始します。反応中に CO₂がリリースは炭酸塩イオン CO₃^{2 -}サンプルの同位体値を運ぶ。
   3. CO₂の平衡に到達するまでは、サンプルあたり 1 h を待ちます。1 時間後、信頼性の高い結果を得るためサンプルを測定ください。買収、試料ガスとデバイスへの彼のパスの混合物。乾燥段階では、サンプルのガスの混合物から水を削除します。
   4. サンプルを測定するには、既知の同位体組成と CO₂基準ガスの 3 つのピークから始まります。ピーク強度は、(の間に 4000 に 8000 mV) サンプルのピークの強度に合わせて 4000 mV をする必要があります。3 つの参照ガスのピークは、20 秒長くて 30 秒離れてをする必要があります。サンプルの測定間隔の定義に従ってください。10 倍の 5 検体測定各 s、55 s を離れて。サンプル/ヘリウム混合物 (図 5) の適切なトランスポートを示す時間をかけてピーク高さを減少させることを確認します。
      注: 測定中にソフトウェアを計算しますサンプルの同位体組成既知の同位体値、ピークの高さやピーク高さを持つ参照ガスのピークのエリア、サンプルのピークの面積を比較することによって。生の¹³C/¹²C と¹⁸O/¹⁶O のサンプルの構成を計算します。
6. 測定後、試料を正規化します。
   注: これは参照ガス質量分析計に導入する際の試料ガスと同じ化学的、物理的パスが行われないため重要です。そのため、サンプルがさらに²⁰サンプル自体としてで実行中の同じの物理的および化学的治療を受ける国際規格 (ステップ 5.3) に調整されていることが不可欠です。これらの国際炭酸標準は、国際デルタ計測スケールにサンプルの 2 点校正と精度と再現性特定の実行中の評価を有効にします。

結果

上記の手順を使用して、増分エナメル bioapatite サンプルを調製しました。エナメルの bioapatite の解析は、サンプリング、一括または増分するかどうかの精度に依存します。この場合、異なる気候ゾーンからの考古学的なサンプル (2 つの羊) の結果を提示しました。増分サンプル羊第二大臼歯から分析し、ERJ (図 4) で始まるラベルします。増分サ?...

ディスカッション

サンプリング (一括と差分) 成功の課題歯の知識へのアクセスに依存している掘削技術、試料調製、比較的安価な設備投資と並んで。これらの課題は、簡単に克服できる手順については、サンプリング、前処理の方法に関する明確なとき。この資料でこれらのメソッドの新しい研究者の明確で簡潔な方法でこれらを播種を持っていきたいです。学者が最初にこれらのメソッドを適用する必要が...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dremel Micro	Dremel		https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8050-micro
Diamond-tipped drill bit	Dremel		https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/accessories/7122-diamond-wheel-point
1.5 mL micro-centrifuge tube	Sigma Aldrich		https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/t2422?lang=de&region=DE&gclid=EAIaIQobChMI7pHRpauW2QIV77ftCh1p1wjhEAAYASAAEgKzkvD_BwE
Methanol			Linear Formula: CH3OH
Acetic Acid			Linear Formula: CH3CO2H
Dremel rig set-up (workstation)	Dremel		https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/220-01-workstation
Microcentrifuge	Thermo Scientific		http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/75002401
Mini-centrifuge	Sprout		http://www.heathrowscientific.com/sprout-mini-centrifuge-4
Freeze drier	Zirbus Technology		http://www.zirbus.com