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Lo studio della mobilità umana e animale nel passato è cruciale in un ampio spettro di campi di ricerca: dall’antropologia, alla paleoecologia, alla paleoclimatologia. In termini di record fossile, ossa e denti sono i più abbondanti resti umani/animali, essendo particolarmente resistenti alle alterazioni diagenetiche; per periodi più recenti vengono utilizzati anche peli e capelli. I rapporti isotopici di determinati elementi in traccia all’interno di questi materiali dipendono prevalentemente dalla geologia dell’ambiente in cui l’individuo o l’animale ha vissuto e nel quale si è procacciato il nutrimento (cibo/acqua). Tali resti sono quindi inestimabili archivi bio-geochimici, registrando informazioni sulla dieta e su possibili pattern migratori di uomini e animali.
La maggior parte delle analisi chimiche comunemente applicate a ossa e denti sono distruttive. In questo senso è importante sviluppare e applicare metodi micro-distruttivi per preservare i reperti più preziosi.
Con questa tesi, ho affinato una tecnica in situ per determinare il rapporto isotopico 87Sr/86Sr di smalto dentale umano e animale con un approccio micro-distruttivo. Il metodo classico per la misura di tale rapporto richiede infatti numerosi passaggi chimici al fine di estrarre lo Sr e analizzarlo. Accoppiando un sistema di ablazione laser (LA) ad uno spettrometro di massa al plasma multi-collettore (MC-ICP-MS), è possibile micro-ablare la superficie di un campione solido e analizzarne direttamente il rapporto 87Sr/86Sr con una elevata risoluzione spaziale (decine di µm). La tecnica presenta però anche svantaggi principalmente legati a interferenze che si presentano durante l’analisi. Lo scopo di questo lavoro è stato quindi quello di perfezionare l’analisi tramite LA-MC-ICP-MS usando materiali di riferimento matrix-matched al fine di ottenere risultati precisi e accurati su bio-apatiti con basso contenuto di Sr (~ 100 ppm). Sono stati quindi analizzati tramite LA e in soluzione diversi materiali di riferimento (NIST) carbonatici e fosfatici, al fine di determinare precisione e accuratezza del protocollo di analisi (Weber et al., 2017, Geostand. Geoanal. Res.). Ho anche raccolto e analizzato diversi denti animali e umani sia archeologici che moderni al fine di ottenere materiali di riferimento in-house, andando a coprire un ampio range di concentrazioni di Sr (da ~ 1000 a 100 ppm, Lugli et al., 2017, Int. J. Mass. Spectrom.). Inoltre, ho sviluppato un metodo per l’ottenimento di immagini di distribuzione elementale su campioni solidi tramite LA-ICP-MS, al fine di meglio comprendere eventuali fenomeni diagenetici sui campioni analizzati (Sforna and Lugli, 2017, J. Anal. Atom. Spectrom.).
Utilizzando i materiali di riferimento in-house per correggere interferenze poliatomiche, ho analizzato campioni dentali antichi, principalmente dal Pleistocene Medio, per comprendere i possibili percorsi migratori di ominini e animali in Italia. Ad esempio, l’analisi del rapporto isotopico dello Sr del più antico dente deciduo rinvenuto in Italia è stata utile a comprendere la possibile mobilità ridotta di una donna gravida del Pleistocene Medio (Lugli et al., 2017, Sci. Rep.). Denti di mammiferi dallo stesso sito hanno invece dimostrato variazioni cicliche del rapporto 87Sr/86Sr, attribuite a possibili spostamenti stagionali verso altri territori (Lugli et al., 2017, Int. J. Mass. Spectrom.). Denti dell’Età del Ferro da Monterenzio Vecchio sono stati inoltre analizzati con lo scopo di individuare possibili individui non-locali entro la comunità, forse collegati a migrazioni celtiche (Sorrentino et al., in review). In più, capelli umani sono stati analizzati per studiare pratiche di transumanza di Età Moderna in Italia centrale (Lugli et al., in review).

Understanding human and animal past mobility is crucial in a broad range of fields from anthropology to paleoecology to paleoclimate. In term of fossil record, bones and teeth are the most abundant human/animal remains, being quite resistant to diagenetic alteration, but, for recent periods, hair can also be used. The isotope ratios of certain trace elements within bones, teeth and hair depend ultimately on the geology of the landscape the individuals or animals lived on and from which they have taken their nutriment (food/water). Bones, teeth and hair are invaluable bio-geochemical archives, and record information not only about the diet, but also on possible migrations patterns and landscape use of humans and animals. Most of the chemical analyses commonly applied to bones and teeth are destructive. In this sense, it is important to develop and apply micro- or non-destructive analyses to preserve our most precious anthropological remains. Within this thesis, I have improved and applied the in situ Sr isotope methodology to determine the 87Sr/86Sr ratio of human and animal tooth enamel with a micro-destructive approach. The classical way to determine the 87Sr/86Sr ratio requires several chemical passages to extract Sr and analysis by Mass Spectrometer. By coupling a laser ablation system (LA) to a Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (MC-ICP-MS), it is possible to micro-ablate a solid sample and analyze directly its Sr isotopic composition, allowing a spatial resolution in the order of tens of µm. Besides the many advantages, the LA technique has also several flaws mainly related to the interferences arising during analysis. Thus, this work has been primarily devoted to improve the LA-MC-ICP-MS method using matrix-matched reference materials in order to obtain precise and accurate results on low-Sr (~ 100 ppm) bio-apatites. To do so, I have analyzed NIST carbonate and phosphate reference materials as pressed pellets by LA-MC-ICP-MS and with classical dissolution method to assess the precision and accuracy of our protocol (Weber et al., 2017, Geostand. Geoanal. Res.). I have also collected and analyzed by dissolution and LA modern and archaeological human and animal teeth to build our in-house set of reference materials, covering a wide range of Sr contents (from ~ 1000 to 100 ppm, Lugli et al., 2017, Int. J. Mass. Spectrom.). Moreover, trace element distribution imaging of solid specimens has been developed to better address the effect of diagenesis on the analyzed samples (Sforna and Lugli, 2017, J. Anal. Atom. Spectrom.). Using the reference materials mentioned above to correct for analytically challenging polyatomic interferences (e.g. 40Ca31P16O and 40Ar31P16O), I have finally analyzed several ancient tooth specimens, mainly from the Middle Pleistocene, to infer possible migratory routes taken by hominins and animals in Italy. Sr isotope ratios of the most ancient human tooth specimen found in Italy have been helpful to infer possible limited mobility of a pregnant woman from the Middle Pleistocene (Lugli et al., 2017, Sci. Rep.). Mammals teeth from the same archeological site have instead shown cyclically variable Sr isotope ratios, which have been attributed to seasonal migrations towards other territories probably in search of food (Lugli et al., 2017, Int. J. Mass. Spectrom.). Iron Age teeth samples from the Monterenzio Vecchio necropolis have been analyzed to detect non-local individuals within the community likely related to Celtic migrations (Sorrentino et al., in review). In addition, Sr isotope analyses of human hair have been used to confirm historical sources about transhumance pastoralism practices of Early-Modern individuals between Northern and Central Italy (Lugli et al., in review).