Μελέτη απολιθωμάτων με τεχνικές ακτινοβολίας σύχνοτρον
Creators: name: Ζούγρου, Ιωάννα Μαρία Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Σύχνοτρον
Απολιθώματα
Φθορισμός
Synchrotron
Fossils
SR-xrf

description: Ο οστίτης ιστός αποτελείται κατά 70-75% από ανόργανη ύλη ενώ το υπόλοιπο καλύπτεται από ανόργανη ύλη. Το κύριο συστατικό της ανόργανης ύλης είναι ο υδροξιαπατίτης ενώ η κυρίαρχη πρωτεΐνη που απαρτίζει την οργανική φάση είναι το κολλαγόνο τύπου Ι. Κατά την απολίθωση γίνεται σταδιακή αντικατάσταση, μόριο προς μόριο, της αρχικής οργανικής ύλης με ανόργανη. Απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό των απολιθωμάτων είναι η κυκλοφορία νερού, έστω και σε μικρή ποσότητα, στο περιβάλλον ταφής. Ορυκτά ή ενώσεις που υπάρχουν στα ιζήματα του περιβάλλοντος ταφής διαλύονται στο νερό και επανατοποθετούνται σε κενές περιοχές του σκληρού ιστού του οργανισμού που απολιθώνεται. Παράλληλα, το νερό απομακρύνει κάθε ενδογενές οργανικό συστατικό. Τμήματα της δομής του απατίτη, όπου αρχικά υπήρχε κολλαγόνο υποκαθίστανται συνήθως από ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3) ή από μια φάση απατίτη. Περιοχές κοιλοτήτων όπως οι οστικές κοιλότητες και οι σωλήνες του Harvey καλύπτονται συνηθέστερα από ανθρακικό ασβέστιο ή μεταλλικά συσσωματώματα. Επίσης, στη δομή του αρχικού υδροξιαπατίτη μπορούν να συμβούν υποκαταστάσεις των ιόντων Ca, P και OH με αποτέλεσμα την επανακρυστάλλωση του πλέγματος και την μετατροπή του υδροξιαπατίτη συνηθέστερα σε ανθρακικό υδροξιαπατίτη. Τεχνικές χαρακτηρισμού όπως η οπτική μικροσκοπία και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την μελέτη της δομής και της χημικής σύστασης των απολιθωμένων οστών και δοντιών. Οι τεχνικές αυτές ωστόσο απαιτούν προετοιμασία των δειγμάτων ενώ η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης έχει περιορισμένα όρια ανίχνευσης. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε αν οι μη-καταστρεπτικές φασματοσκοπίες φθορισμού ακτίνων-Χ με ακτινοβολία synchrotron και απορρόφησης ακτίνων-Χ λεπτής υφής σε συνδυασμό με τις προαναφερθείσες τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη απολιθωμάτων και ποιες πρόσθετες πληροφορίες μπορούν να προσφέρουν. Από την ποσοτική ανάλυση των μετρήσεων φθορισμού ακτίνων-Χ με ακτινοβολία synchrotron υπολογίστηκε ο λόγος της σχετικής συγκέντρωσης Ca/P (gr/gr) σε περιοχές συμπαγούς οστίτη ιστού, από τον οποίο προέκυψαν συμπεράσματα για τη μετατροπή του υδροξιαπατίτη σε ανθρακικό υδροξιαπατίτη και ανθρακικό χλωροαπατίτη καθώς και για τη χημική σύσταση των μεταλλικών φάσεων που παρατηρήθηκαν. Η μ-XRF χαρτογράφηση περιοχών συμπαγούς οστού έδωσε τη δυνατότητα προσδιορισμού της θέσης και του μεγέθους των μεταλλικών συσσωματωμάτων. Ειδικότερα, στους χάρτες στοιχειακής κατανομής του ασβεστίου είναι εμφανείς οι δοκίδες εξωκυττάριας θεμέλιας ουσίας απατίτη, όπου η συγκέντρωση του ασβεστίου εμφανίζει μεταβολές στη συγκέντρωση. Όσον αφορά τις xafs μετρήσεις, οι ασθενές κορυφές συντονισμού που παρατηρήθηκαν σε όλα τα φάσματα του σιδήρου, προσομοιώθηκαν με συναρτήσεις Voigt. Από τη θέση των ενεργειακών κορυφών της προσομοίωσης υπολογίστηκε το σθένος του σιδήρου. Τα φάσματα K-Fe EXAFS που λήφθηκαν σε σημεία υψηλής συγκέντρωσης Fe παρουσιάζουν αρκετές διαφορές ως προς την απόσταση και τον αριθμό των ατόμων δεύτερης γειτονίας. Αποδείχθηκε ότι σε όλα τα φάσματα ο σίδηρος συνδέεται σε πρώτη γειτονία με 6 οξυγόνα. Το φάσμα του δείγματος MIL5 743 προσομοιώθηκε μέχρι δεύτερη γειτονία με την ένωση του φερυδρίτη. Είναι πιθανό στα φάσματα απορρόφησης να υπάρχει συνεισφορά από δυο μεταλλικές φάσεις.
description: Bone is chemically consisted of 70-75% inorganic matter while the rest is covered by organic matter. The main inorganic component is hydroxyapatite, while the main protein constituting the organic phase is type I collagen. During fossilization, organic matter is gradually, molecule to molecule, substituted by inorganic matter. Water circulation, even in small quantities, is an indispensable and essential condition for fossil formation. Dissolved minerals originated from sediments in the burial site, fill vacant areas inside the compact bone.In the same time, water vanishes all organic content. Vacant areas of former collagen are substituted by calcite (CaCO3) or secondary apatite. Osteocyte lacunae and Haversial canals are filled with calcite or metallic precipitates. Moreover, Ca, P and OH from the primary apatite’s crystal lattice may be replaced. After recrystallization, hydroxyapatite has changed into a high-carbonate apatite. Optical microscopy and scanning electron microscopy are commonly used in studying fossils structure and chemical composition. However, these techniques require specimen preparation and scanning electron microscopy detection limits are not sufficient. In this work, two non destructive techniques, synchrotron radiation X-ray fluorescence (SR-XRF) and X-ray absorption fine structure (XAFS) were applied on fossil specimens in order to investigate if they can provide additional or new information. The Ca/P (gr/gr) ratio in various compact bone sites was calculated from the SR-XRF measurements, giving conclusions about the hydroxyapatite change to carbone hyhroxyapatite/ fluoroapatite and the chemical composition of the metallic phases. The size and location of these metallic precipitations were observed in μ-XRF maps. Specifically, calcium maps show high and low calcium-containing areas which represent the lamella structure. In all Fe K-edge XAFS spextra a small pre-peak feature was observed. The pre-peaks were modelled by Voigt line shapes and iron’s valence state was determined by their energy position. Fe K-edge exafs spectra were recorded in high Fe sites. All spectra show that iron is linked with 6 oxygen, while iron’s second neighborhood is rather different in each spectrum. In specimen MIL5 743 the exafs spectrum was modeled with ferrihydrite. It is possible that in the exafs spectra we are observing more than one metallic phases.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)