Ενόργανη Χημική Ανάλυση

Θεωρητικό Μέρος Μαθήματος

Α. Φασματοσκοπικές μέθοδοι ανάλυσης

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Βασικά μεγέθη: ένταση, συχνότητα, ενέργεια και μήκος κύματος. Κατηγορίες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

1. Απορρόφηση ακτινοβολίας UV-ορατού. Ποσοτικές εκφράσεις στην απορρόφηση: διαπερατότητα (Τ) και απορροφητικότητα (Α). Ο νόμος του Beer. Βασική οργανολογία: τεχνική της διπλής δέσμης, μονοχρωμάτορας, ανιχνευτής. Μορφή των φασμάτων απορρόφησης.
2. Φθορισμομετρία. Το φαινόμενο της εκπομπής φθορισμού και η σχέση του με την απορρόφηση UV-ορατού. Προϋποθέσεις για την εμφάνιση φθορισμού. Φωσφορισμός. Βασική οργανολογία στη λήψη φασμάτων. Εφαρμογές της φθορισμομετρίας.
3. Απορρόφηση υπερύθρου με μετασχηματισμό Φουριέ (FTIR). Δονήσεις των δεσμών στα μόρια. Δονήσεις έκτασης και κάμψης. Βασική οργανολογία FTIR: συμβολόμετρο Michelson, ανιχνευτής, μετασχηματισμός Φουριέ. Τεχνικές διαπερατότητας και ανάκλασης. Προηγμένες τεχνικές: τεχνική ενισχυμένη ολικής ανάκλασης (ATR) και μικροσκοπίας-FTIR. Δειγματοληψία. Χρήση παστίλιας βρωμιούχου καλίου, υμένια (φιλμ). Ερμηνεία των φασμάτων FTIR. Εξελιγμένες τεχνικές δειγματοληψίας: μικροσκοππία FTIR, ενισχυμένη ολική ανάκλαση (ATR), κυψελίδα διαμαντιού.
4. Περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD). Πηγές μονοχρωματικής ακτινοβολίας-Χ. Το φαινόμενο της περίθλασης. Ο νόμος του Bragg. Ανίχνευση μονοφασικών κρυσταλλικών υλικών. Ανίχνευση πολυφασικών υλικών σε μικροκρυσταλλικά δείγματα (πέτρα). Δειγματοληψία: μορφή και είδη δειγμάτων. Βασική οργανολογία και γεωμετρικές προϋποθέσεις στη λήψη φασμάτων. Χρήση βιβλιοθηκών στην ερμηνεία και εξακρίβωση των φασμάτων XRD.
5. Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία (SEM): αρχή λειτουργίας, πηγές ηλεκτρονιακής δέσμης, φακοί εστίασης. Αλληλεπίδραση της δέσμης ηλεκτρονίων και του δείγματος. Ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων και οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια. Μη ελαστική σκέδαση, δευτερογενή ηλεκτρόνια, ηλεκτρόνια Auger, ακτίνες-Χ, καθοδοφωταύγεια. Σχηματισμός εικόνας κατά την ηλεκτρονιακή φασματοσκοπία. Απαιτήσεις δειγματοληψίας.
6. Άλλες τεχνικές ανάλυσης. Φθορισμομετρία ακτίνων-Χ (XRF), Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR), Φασματομετρία μαζών (MS).

Β. Τεχνικές Διαχωρισμού

1. Κατανομή των μορίων ενός δείγματος μεταξύ δυο φάσεων. Μηχανισμός και συντελεστής κατανομής. Άλλοι μηχανισμοί διαχωρισμού: προσρόφηση, ιονοανταλλαγή, μηχανισμός αποκλεισμού μεγεθών.
2. Ενόργανες τεχνικές διαχωρισμού: Χρωματογραφικές Τεχνικές. Κινητή και στατική φάση. Κατηγορίες χρωματογραφικών τεχνικών. Προσδιορισμός της κινητής και στατικής φάσης και του μηχανισμού διαχωρισμού αναφορικά με κάθε χρωματογραφική τεχνική.
3. Επίπεδη χρωματογραφία. Χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (TLC). Εξειδίκευση της κινητής φάσης ανάλογα με τα είδη των δειγμάτων.
4. Αέρια χρωματογραφία (GC) και Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC). Βασική οργανολογία, στήλες, ανιχνευτές. Κριτήρια για ικανοποιητικό χρωματογραφικό διαχωρισμό. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα των κορυφών σε ένα χρωματογράφημα και διακριτική ικανότητα διαχωρισμού. Εφαρμογή της κάθε τεχνικής αναφορικά με το είδος των δειγμάτων. Ποσοτικά κριτήρια: λόγοι απόκρισης. Τεχνικές συνδυασμού με φασματομετρία μάζας: GC-MS και LC-MS.
5. Παραδείγματα χρωματογραφικών διαχωρισμών. Διαχωρισμός οργανικών συστατικών ενός δείγματος.

Γ. Μέθοδοι χρονολόγησης αρχαιολογικών ευρημάτων

Δενδροχρονολόγηση. Χρονολόγηση με 14C. Χρονολόγηση με φωταύγεια. Χρονολόγηση με τις σειρές του Ουρανίου. Χρονολόγηση με τη Ρακεμοποίηση των αμινοξέων. Άλλες τεχνικές χρονολόγησης.

Εργαστηριακό Μέρος Μαθήματος

Το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος  περιλαμβάνει την άσκηση των σπουδαστών σε επιλεγμένες μεθόδους χαρακτηρισμού ενός εύρους ανόργανων και οργανικών υλικών των έργων τέχνης: Φασματοσκοπία απορρόφησης UV-ορατού, FTIR, TLC, GC, HPLC, Βαθμονόμηση συμβατικών ηλικιών άνθρακα-14, δενδροχρονολόγηση, XRD, XRF και οπτική μικροσκοπική παρατήρηση σε εκλεκτικές χρώσεις στρωματογραφικών τομών.

Μαθησιακά αποτελέσματα:
Μετά το τέλος του μαθήματος οι φοιτητές θα δύνανται:
• να γνωρίζουν την αρχή λειτουργίας των κυριότερων τεχνικών χαρακτηρισμού και χρονολόγησης και να έχουν κατανοήσει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους.
• να έχουν κατανοήσει την τεχνική εφαρμογής των μεθόδων, να γνωρίζουν τα βασικά χαρακτηριστικά του εξοπλισμού και τις προδιαγραφές δειγματοληψίας για κάθε μέθοδο.
• να εφαρμόζουν την ανάλογη μέθοδο δειγματοληψίας για κάθε τεχνική
• να προτείνουν την κατάλληλη φασματοσκοπική η/και χρωματογραφική τεχνική καθώς και μέθοδο εκλεκτικής χρώσης στρωματογραφικών τομών προς χαρακτηρισμό των υλικών που απαρτίζουν ένα αντικείμενο.
• να διακρίνουν, ερμηνεύουν και να αξιολογούν τη βασική πληροφορία που προκύπτει από τα πειραματικά αποτελέσματα
• να προτείνουν την κατάλληλη μέθοδο για να χρονολογηθεί ο κάθε τύπος υλικού
• να χρησιμοποιούν επιτυχώς τα αποτελέσματα στη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη συντήρηση των αντικειμένων και τη διατήρηση τους στο χρόνο.
• Να αξιοποιούν βασικά λογισμικά επεξεργασίας εικόνας και ανάλυσης δεδομένων (ImagePro/ Leica Application Suite (LAS) και να συμβουλεύονται ειδικές βάσεις δεδομένων (ifac.cnr, copa hypothesis.org κλ.π.)

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ Γλώσσα αξιολόγησης:
Ελληνική Αξιολόγηση φοιτητών (100%):
Ο τελικός βαθμός αξιολόγησης του φοιτητή διαμορφώνεται κατά 50% από το βαθμό αξιολόγησης του θεωρητικού μέρους και κατά 50% από το βαθμό αξιολόγησης του εργαστηριακού.
Ι. Γραπτή τελική εξέταση στη θεωρία (50%) που περιλαμβάνει κατά περίπτωση ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, ερωτήσεις ανάπτυξης, ερωτήσεις κρίσεως, συγκριτική αξιολόγηση δεδομένων.
ΙΙ. Αξιολόγηση της επίδοσης στις εργαστηριακές ασκήσεις που περιλαμβάνει εργαστηριακές γραπτές εργασίες (τεχνικές εκθέσεις) και σύντομη γραπτή αξιολόγηση (50%).

ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
 Alexopoulou, A., Sperantza, C., Ioakeimoglou, E., Paterakis, A., Kaminari, A., 2012, Documentation and Conservation of a wooden canopric chest, in Proceedings of the 5th Symposium of the Hellenic Society for Archaeometry Association Editors: N. Zacharias, M. Georgakopoloulou, K. Polykreti, G. Fakorellis, Th. Vakoulis, Kalamata: University of the Peloponnese – Papazisis
 Burns, R.G., 2009, Mineralogical application of crystal field theory 2nd ed, Cambridge Topics in Mineral Physics and Chemistry 5 Cambridge University Press
 Derrick, M. R., Stulik, D. and Landry, J. M., 1999, Infrared Spectroscopy in Conservation Science, Los Angeles: The Getty Conservation Institute,
 Doménech-Carbó, M.T. and Costa, V. 2009, Electrochemical Methods in Archaeometry, Conservation and Restoration, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag
 Eastaugh, N., Walsh, W., Chaplin, T., Siddhal, R., 2014, Pigment compendium. Optical Microscopy of Historical Pigments, Oxford: Elsevier. Daniel C. Harris, Exploring Chemical Analysis, W. H. Freeman; 4th edition (May 16, 2008)
 FitzHugh, E.W (ed)., 1997, Artists Pigments. A Handbook of their History and Characteristics 3 National Gallery of Art, Washington &Oxford University Press
 Harris, C.D., 2008, Exploring Chemical Analysis, W. H. Freeman; 4th edition.  Mazzeo, R., 2017, Analytical Chemistry for Cultural Heritage, Weinheim: Springer
 Rouessac, F. and Rouessac, A., 2007, Chemical Analysis: Modern Instrumentation Methods and Techniques, New York: Wiley, 2 edition  Rouessac, F. and Rouessac, A. 2007, Chemical Analysis: Modern Instrumentation Methods and Techniques, New York: Wiley, 2 edition
 Skoog, D., J.Holler,J, Nieman, T., 2005, Αρχές της Ενόργανης Ανάλυσης, Aθήνα: Κωσταράκης,
 Stuart, B.H., 2007 Analytical Techniques in Materials Conservation, Chichester: John Wiley & Sons
 Taylor R.E. and Aitken M.J., 1997, Chronometric Dating in Archaeology, Advances in Archaeological and Museum Science, vol. 2, New York and London: Plenum Press.
 Λυριντζής, I., 1994, Αρχαιομετρία. Μέθοδοι χρονολόγησης στην αρχαιολογία, Aθήνα: Καρδαμίτσα.
 Λυριντζής, Ι. 2005, Φυσικές επιστήμες στην αρχαιολογία, Αθήνα: Τυπωθήτω
 Οξενκιουν-Πετροπούλου, Μ., 2020, Φασματομετρικές Μέθοδοι στην Σύγχρονη Ενόργανη Ανάλυση, Αθήνα: Τσότρας

Συναφή επιστημονικά περιοδικά:
Journal of Archaeological Science,
Journal of Cultural Heritage Radiocarbon Archaeometry
Journal of Mediterranean Archaeology and Archaeometry