Tecniche analitiche per lo studio dei materiali coloranti

Argomenti Tecniche di analisi molecolare Tecniche di analisi molecolare spettroscopia IR spettroscopia IR spettroscopia Raman spettroscopia Raman spettroscopia UV-visibile-NIR spettroscopia UV-visibile-NIR spettroscopia XRD spettroscopia XRD

Differenza tra un artista e un chimico L’artista è interessato per lo più all’aspetto cromatico più evidente, cioè alla luce riflessa Il chimico, invece, è interessato alla luce riflessa, trasmessa, assorbita, diffusa, ecc. in quanto tutte possono fornire informazione utili sui materiali in uso

Spettroscopia molecolare Il campione è irraggiato con luce avente nell’ultravioletto, nel visibile o nel vicino infrarossoIl campione è irraggiato con luce avente nell’ultravioletto, nel visibile o nel vicino infrarosso Si tratta generalmente di tecniche non distruttiveSi tratta generalmente di tecniche non distruttive L'informazione che si ottiene è di tipo strutturale in quanto rivela le molecole presenti nel campione o, più correttamente, i gruppi funzionali presenti, ovvero parti di molecole che danno segnali simili anche se presenti all'interno di molecole globalmente diverseL'informazione che si ottiene è di tipo strutturale in quanto rivela le molecole presenti nel campione o, più correttamente, i gruppi funzionali presenti, ovvero parti di molecole che danno segnali simili anche se presenti all'interno di molecole globalmente diverse Si lavora rilevando in risposta uno spettro, cioè il segnale su tutto l'intervallo utilizzato, in assorbimento, in trasmittanza, in riflettanza o in luce diffusaSi lavora rilevando in risposta uno spettro, cioè il segnale su tutto l'intervallo utilizzato, in assorbimento, in trasmittanza, in riflettanza o in luce diffusa

Spettrofotometria infrarossa La spettrofotometria infrarossa (IR) è una tecnica molto nota in campo chimico e ha notevoli applicazioni anche nel campo dei beni culturali. Si tratta di una tecnica di analisi molecolare nella quale sono misurate transizioni tra livelli energetici vibrazionali, che richiedono energia corrispondente a radiazioni nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, cioè tra 1 e 500 µm Con questa tecnica è possibile avere informazioni sui gruppi funzionali presenti nelle molecole che formano il campione e quindi, indirettamente, sulle molecole stesse. Le informazioni sono prevalentemente di tipo qualitativo; l’aspetto quantitativo è scarsamente sfruttato

L’energia in gioco Frequenza ( in Hz, sec -1 ) Lunghezza d'onda (  in nm o in  m) Numero d'onda: ( = 1/ in cm -1 ) Frequenza = Numero d’onda x c (velocità della luce) Campo spettrale della radiazione IR:  m ( cm -1 )  m ( cm -1 ): vicino IR (NIR)   m ( cm -1 ): medio IR (MIR)   m ( cm -1 ): medio IR (MIR)  m ( cm -1 ): lontano IR (FIR)

Modi di vibrazione

L’anidride carbonica L’anidride carbonica, CO 2, può avere i modi di vibrazione illustrati nella figura, con l’atomo di carbonio al centro. Questi moti sono responsabili dell’effetto serra che la CO 2 esercita in atmosfera, assorbendo energia termica dalla terra. La vibrazione A, stretching simmetrico (~40 trilioni di vibrazioni/sec), non è attiva in quanto non cambia il momento dipolare (condizione per avere la transizione), le altre vibrazioni sono invece attive

I segnali dello spettro di assorbimento IR della CO 2 corrispondono ai modi di vibrazione permessi: i due modi di bending, entrambi attorno a 666 cm -1, e quello di stretching asimmetrico a 2350 cm -1 Spettro IR della CO cm -1 (stretching asimmetrico) 666 cm -1 (bending) 1340 cm -1 (stretching simmetrico) Come si nota dallo spettro lo stretching simmetrico del gruppo C=O, che dovrebbe essere a 1340 cm -1, nella CO 2 non è attivo perchè in questa molecola non cambia il momento dipolare

Esempio di spettro IR Il campione è irraggiato con un intervallo più o meno ampio di, compreso tra 2.5 e 20 µm (o compreso tra 4000 e 500 cm -1 ); le assorbite corrispondono a gruppi funzionali delle molecole. L’insieme dei gruppi funzionali identificati permette di risalire globalmente alla molecola, il cui spettro IR corrisponde ad un’impronta digitale. La risposta è visibile sotto forma di spettro di assorbimento o di trasmittanza (sono legate dalla legge di Lambert-Beer: A=log1/T) oppure di riflettanza Il 100% della scala di trasmittanza corrisponde ad assorbimento nullo

Frequenze di gruppo I principali gruppi funzionali sono illustrati nella figura sottostante in relazione alle frequenze di assorbimento. La regione cm -1 è normalmente difficile da interpretare e viene spesso chiamata regione del fingerprint, essendo molto caratteristica da molecola a molecola

Spettrofotometri IR Esempio di spettrofotometro IR. Si tratta in genere di strumenti molto compatti, dal costo limitato Gli spettrofotometri IR più diffusi sono quelli a Trasformata di Fourier o FT- IR, nei quali, attraverso un sistema di raccolta della radiazione luminosa noto come Interferometro di Michelson e basato su uno specchio in movimento, lo spettro IR è registrato in tutto il range richiesto contemporaneamente

Strumenti portatili Sono attualmente sul mercato diversi strumenti FT-IR portatili che consentono di effettuare analisi con buone prestazioni

Preparazione dei campioni L’analisi IR si può effettuare su campioni di varia natura: campioni liquidi: si deposita una goccia su un supporto trasparentecampioni liquidi: si deposita una goccia su un supporto trasparente campioni solubili con proprietà filmogene: si genera un film per evaporazione da una soluzionecampioni solubili con proprietà filmogene: si genera un film per evaporazione da una soluzione campioni insolubili o solidi: polverizzazione e incorporamento in capsula di KBrcampioni insolubili o solidi: polverizzazione e incorporamento in capsula di KBr materiale non campionabile (es. tele, affreschi): analisi superficiale in riflettanzamateriale non campionabile (es. tele, affreschi): analisi superficiale in riflettanza

Metodi per l’acquisizione di spettri IR TecnicaSegnale TrasmissioneTrasmittanza Riflessione speculare Riflettanza Riflessione diffusa Riflettanza Riflessione totale Riflettanza adatte in situ

campioni solidi, liquidi e gassosicampioni solidi, liquidi e gassosi vale la legge di Lambert-Beervale la legge di Lambert-Beer non adatta per materiali non campionabili o troppo spessinon adatta per materiali non campionabili o troppo spessi gas: nessuna preparazione liquidi: nessuna preparazione, diluizione solidi:nessuna preparazione, dissoluzione, diluizione, pastiglia con KBr (trasparente all’IR) I0I0 ISegnale: trasmittanza (T) = I / I 0 oppure assorbanza (Abs) = log 1/T Misure in trasmissione

campioni solidi riflettenticampioni solidi riflettenti anche di grandi dimensionianche di grandi dimensioni non distruttivanon distruttiva è necessario ottimizzare è necessario ottimizzare  Adatta per l'analisi di sezioni pittoriche Lo spettro di riflettanza viene trasformato in uno spettro simile a quelli in trasmittanza attraverso la trasformazione di Kramers- Kronig, che tiene conto degli indici di rifrazione e dei parametri di assorbimento dei materiali coinvolti  Misure in riflessione speculare

campioni solidi non riflettenticampioni solidi non riflettenti anche di grandi dimensionianche di grandi dimensioni polveri e liquidipolveri e liquidi non distruttivanon distruttiva Viene registrato lo spettro della radiazione diffusa escludendo la componente speculare Lo spettro di riflettanza, attraverso la trasformazione di Kubelka-Munk, viene trasformato in uno spettro simile a quelli in trasmittanza Misure in riflettanza diffusa

Utilizzo di fibre ottiche Le fibre ottiche sono sfruttate vantaggiosamente per le misure FT-IR in riflettanza. Attraverso l’impiego di sonde è possibile irraggiare il campione e raccogliere la radiazione diffusa; entrambe le radiazioni possono viaggiare su fibre Ovviamente il grande vantaggio dell’impiego delle fibre ottiche consiste nella possibilità di effettuare analisi in situ, totalmente non distruttive e senza toccare il campione; inoltre non ci sono vincoli dovuti alla forma del campione Normalmente le fibre ottiche impiegate negli strumenti FT-IR sono vetri a calcogenuro (As-Se-Te) o calcoalogenuro. Esse devono avere elevata purezza per evitare l’attenuazione del segnale. Tuttavia, nessuna delle fibre attualmente disponibili è in grado di coprire l’intero range del medio infrarosso; con i vetri a calcogenuro si arriva al massimo ad un intervallo cm -1

Sonde per riflettanza diffusa La sonda per riflettanza diffusa può essere costituita da una fibra ottica per l’irraggiamento e una per la raccolta della radiazione diffusa

Adatta per qualsiasi materiale che possa essere posizionato a diretto contatto col supporto per la riflessione interna. Riflettanza totale attenuata (ATR) Il campione è posizionato su un supporto costituito da un cristallo con elevato indice di rifrazione (AgCl, ZnSe o bromoioduro di silicio, germanio e tallio ). Il raggio viene riflesso più volte sulla superficie interna del cristallo e quindi sul campione, generando uno spettro di riflettanza del campione stesso

Principio dell’ATR Nella modalità ATR i raggi infrarossi sono diretti all’interno di un cristallo ad alto indice di rifrazione. I raggi, riflettendosi sulla superficie interna del cristallo, creano un’onda evanescente che si proietta ortogonalmente sul campione posto in stretto contatto con il cristallo Parte dell’energia dell’onda è assorbita dal campione e la radiazione riflessa è restituita al rivelatore, originando uno spettro di riflettanza Per ottenere lo spettro, è quindi necessario porre il cristallo ATR a contatto con la superficie del campione. La risposta analitica proviene da uno strato di 2-3 µm del campione

Differenza tra ATR e trasmittanza Gli spettri IR in modalità ATR sono simili a quelli registrati in trasmittanza (e quindi in assorbanza). Ci sono differenze sottili, in particolare le bande a frequenze basse avranno valori di assorbanza maggiori rispetto a quelle a frequenze alte; normalmente i software di gestione degli strumenti sono in grado di compensare queste differenze

Sonde ATR Sonda ATR per strumento portatile o con fibra ottica Accessorio ATR per strumento da banco

Strumento portatile con ATR Lo strumento FT-IR portatile mostrato in figura è dotato di sonda ATR a inclinazione variabile che permette di effettuare analisi superficiali senza vincoli di ingombro del campione. L’area analizzata ha un diametro di 1 mm. Range spettrale: cm -1 Non essendo impiegate fibre ottiche ma lenti per trasmettere la radiazione luminosa, non ci sono limitazioni al range spettrale analizzabile se non in funzione del cristallo ATR

Materiali per sonde ATR Esistono sul mercato tipi diversi di cristalli ATR: Seleniuro di zinco: per applicazioni di routineSeleniuro di zinco: per applicazioni di routine AMTIR: un vetro a base di selenio, germanio e arsenico, molto resistente ad agenti chimici aggressiviAMTIR: un vetro a base di selenio, germanio e arsenico, molto resistente ad agenti chimici aggressivi Germanio: adatto per analisi di materiali con elevati assorbimentiGermanio: adatto per analisi di materiali con elevati assorbimenti Silicio: duro e fragile, chimicamente inerte, adatto per applicazioni a temperatura variabile, resistene a campioni molto abrasiviSilicio: duro e fragile, chimicamente inerte, adatto per applicazioni a temperatura variabile, resistene a campioni molto abrasivi Diamante: il più duro dei materiali disponibili per ATR, adatto a qualsiasi campione, ha però costo elevato e assorbe tra 2300 e 1800 cm -1Diamante: il più duro dei materiali disponibili per ATR, adatto a qualsiasi campione, ha però costo elevato e assorbe tra 2300 e 1800 cm -1

L’energia in gioco Frequenza ( in Hz, sec -1 ) Lunghezza d'onda (  in nm o in  m) Numero d'onda: ( = 1/ in cm -1 ) Frequenza = Numero d’onda x c (velocità della luce) Campo spettrale della radiazione IR:  m ( cm -1 )  m ( cm -1 ): vicino IR (NIR)   m ( cm -1 ): medio IR (MIR)   m ( cm -1 ): medio IR (MIR)  m ( cm -1 ): lontano IR (FIR)

Applicazioni per i materiali coloranti Caratterizzazione di materiali coloranti (ottima per i coloranti) e di legantiCaratterizzazione di materiali coloranti (ottima per i coloranti) e di leganti Identificazione di prodotti di degradazioneIdentificazione di prodotti di degradazione Monitoraggio di processi di degradoMonitoraggio di processi di degrado Caratterizzazione di materiali protettiviCaratterizzazione di materiali protettivi

Spettri IR di pigmenti blu Spettri IR di Blu oltremare (sx alto), Blu di Prussia (dx alto) e Smalto o Smaltino (sx basso)

Pigmenti a base di ossidi di ferro

Vantaggi dell’IR versatilità: può dare informazioni strutturali su un ampio range di materiali colorantiversatilità: può dare informazioni strutturali su un ampio range di materiali coloranti organici ed inorganiciorganici ed inorganici cristallini e non cristallinicristallini e non cristallini monomeriche o polimerichemonomeriche o polimeriche rapidità di esecuzionerapidità di esecuzione accuratezza e precisioneaccuratezza e precisione sensibilità discretasensibilità discreta costi relativamente economicicosti relativamente economici

Essa può fornire informazioni sulla composizione molecolare, i legami, l’ambiente chimico, la fase e la struttura cristallina dei campioni in esame, ed è quindi adatta all’analisi di materiali in più forme: gas, liquidi e solidi amorfi o cristallini Spettroscopia Raman La spettroscopia Raman è forse la tecnica di analisi molecolare più potente tra quelle attualmente disponibili per l’analisi dei pigmenti

La tecnica sfrutta un fenomeno fisico scoperto nel 1928 dal fisico Indiano C.V. Raman, che gli valse il premio Nobel nel Egli scoprì che una piccola frazione della radiazione diffusa da certe molecole aveva energia diversa da quella della radiazione incidente, e che la differenza di energia era legata alla struttura chimica delle molecole responsabili della diffusione: l’effetto Raman, appunto Effetto Raman

 assorbita se ha energia pari ad una possibile transizione ad un livello energetico superiore (es. Uv-vis, IR);assorbita se ha energia pari ad una possibile transizione ad un livello energetico superiore (es. Uv-vis, IR); riflessa se non interagisce con la materia;riflessa se non interagisce con la materia; diffusa se interagisce senza causare transizioni energetichediffusa se interagisce senza causare transizioni energetiche Quando una radiazione monocromatica incide sulla superficie di un oggetto, la radiazione può essere: Principio della tecnica Il principio su cui si basa la tecnica Raman è la diffusione di una radiazione monocromatica incidente sul campione. Le informazioni ottenibili derivano dal modo con cui questo fenomeno avviene

se la diffusione avviene per interazione elastica, cioè senza trasferimento netto di energia, i fotoni (ovvero la radiazione diffusa) hanno la stessa energia di quelli incidenti: questo fenomeno è noto come diffusione Rayleigh e costituisce l’evento più frequentese la diffusione avviene per interazione elastica, cioè senza trasferimento netto di energia, i fotoni (ovvero la radiazione diffusa) hanno la stessa energia di quelli incidenti: questo fenomeno è noto come diffusione Rayleigh e costituisce l’evento più frequente se la diffusione è conseguenza di una interazione anelastica, cioè con trasferimento di energia dal fotone ad una particella o viceversa, il fotone diffuso ha energia rispettivamente minore o maggiore di quello incidente: questo è la diffusione Raman o effetto Raman, che avviene su un numero assai limitato di eventi, circa 1 su 10 6se la diffusione è conseguenza di una interazione anelastica, cioè con trasferimento di energia dal fotone ad una particella o viceversa, il fotone diffuso ha energia rispettivamente minore o maggiore di quello incidente: questo è la diffusione Raman o effetto Raman, che avviene su un numero assai limitato di eventi, circa 1 su 10 6 Diffusione della luce Considerando l’interazione luce-materia in termini di particelle, possiamo immaginarla come una collisione tra i fotoni e le particelle che formano il campione irraggiato. I fotoni che interagiscono con le particelle del campione e vengono retrodiffusi possono essere di due tipi:

la molecola decade ad uno stato vibrazionale eccitato h 0 -h 1, emettendo un fotone ad energia minore di quello incidente (b)la molecola decade ad uno stato vibrazionale eccitato h 0 -h 1, emettendo un fotone ad energia minore di quello incidente (b) la molecola, presente in uno stato vibrazionale eccitato h 1 decade dallo stato virtuale allo stato fondamentale emettendo un fotone ad energia h 0 +h 1 > di quella incidentela molecola, presente in uno stato vibrazionale eccitato h 1 decade dallo stato virtuale allo stato fondamentale emettendo un fotone ad energia h 0 +h 1 > di quella incidente Effetto Raman Sia nelle interazioni elastiche, che generano la diffusione Rayleigh (a), sia in quelle anelastiche (b, c), possiamo immaginare che le molecole colpite passino ad uno stato energetico virtuale h 0, non quantizzato, da cui decadono emettendo fotoni. L’interazione anelastica ha due possibilità:

Lo spettro Raman di una molecola irraggiata da luce monocromatica è caratterizzato da tre tipi di segnali: Spettro Raman la radiazione Rayleigh, nettamente la più intensa dello spettro, avente la stessa lunghezza d’onda della radiazione incidente ed energia h 0 i segnali corrispondenti alle interazioni anelastiche in cui sono emessi fotoni ad energia minore di quelli incidenti: le cosiddette linee Stokes, con energia h 0 -h 1 i segnali corrispondenti alle interazioni anelastiche in cui sono emessi fotoni ad energia maggiore di quelli incidenti: le cosiddette linee antiStokes, con energia h 0 +h 1 A temperatura ambiente, il livello vibrazionale fondamentale è più popolato, quindi le linee Stokes sono più intense delle anti-Stokes. Inoltre, le linee Stokes e quelle anti-Stokes sono simmetriche rispetto alla linea Rayleigh (differiscono entrambe di h 1 rispetto alla Rayleigh)

Informazione dallo spettro Raman Le informazioni che lo spettro Raman di una molecola può dare discendono quasi esclusivamente dalle righe Stokes. La radiazione Rayleigh non fornisce alcuna informazione in quanto ha la stessa energia in ogni campione; le righe anti-Stokes sono generalmente di intensità troppo bassa per essere rivelate e possono essere sfruttate soltanto per indicare la temperatura del campione in base al rapporto con l’intensità delle righe Stokes Le righe Stokes, invece, sono legate ai gruppi funzionali della molecole del campione e ai loro modi di vibrazione, in maniera analoga alla spettroscopia infrarossa (pur con meccanismi diversi), e sono quindi sfruttate a scopo diagnostico per identificare qualitativamente i composti presenti nel campione; anche nella spettroscopia Raman l’aspetto quantitativo è scarsamente preso in considerazione in quanto la disomogeneità della superficie analizzata può inficiare la riproducibilità di una misura

Nello spettro Raman si ha in ordinata l’intensità di emissione luminosa e in ascissa la frequenza assoluta in cm -1 oppure, più comunemente, lo spostamento Raman o Raman shift, cioè la differenza in numeri d’onda tra la radiazione osservata e la radiazione incidente:  = (  oss -  inc ) cm -1 N.B. l’energia associata alla vibrazione è soltanto il , non la  o la assoluta! Normalmente la parte dello spettro con i segnali Stokes, quella più informativa, è indicata per semplicità in cm -1 positivi, benchè si tratti in realtà di differenze negative Esempio: eccitazione con = 488 nm (equivalente a  = cm -1 ), segnale Raman a 60 cm -1 RayleighRaman Esempio di spettro Raman

I segnali Raman corrispondenti ai vari legami chimici sono ovviamente collocati nelle stesse regioni spettrali descritte per la spettroscopia infrarossa, fatte salve le differenze dovute alle regole di selezione Per quanto riguarda la determinazione di sostanze inorganiche, i segnali Raman relativi ai legami metallo- legante sono generalmente nel range cm -1, una regione spettrale di difficile utilizzo nell’IR Frequenze di gruppo Raman

Confronto Raman - IR Le differenze energetiche tra la radiazione incidente, e quindi la radiazione Rayleigh, e le radiazioni Raman corrispondono in termini di lunghezze d’onda alla regione del medio infrarosso o MIR, ovvero nell’intervallo µm (o nell’intervallo di numeri d’onda cm -1 ). Per questo motivo, in alcuni casi lo spettro Raman e quello infrarosso di una sostanza possono essere simili in quanto entrambi risultano da cambiamenti vibrazionali quantizzati

Tuttavia, le due tecniche sono più complementari che competitive. Innanzitutto, i fenomeni che stanno alla base delle tecniche sono diversi (assorbimento selettivo di radiazioni che provocano transizioni energetiche nell’IR, diffusione anelastica della luce nel Raman). Inoltre le cosiddette regole di selezione, che determinano quali modi di vibrazione sono attivi e quali no, sono diverse: nell’IR sono assorbite energie che provocano cambiamenti nel momento di dipolo di una molecola, mentre nel Raman è richiesto un cambiamento della sua polarizzabilità, proprietà legata alla possibilità di distorsione della nuvola elettronica. In conseguenza di ciò, alcuni modi di vibrazione sono attivi nell’IR e non nel Raman e viceversa A vantaggio della tecnica Raman sono il fatto che l’acqua e il vetro non causano interferenze, diversamente dall’IR, e che le linee dello spettro Raman sono generalmente più strette e quindi più semplici da identificare. A vantaggio della tecnica IR è invece il fatto che gli spettri siano solitamente più ricchi di segnali e quindi la tecnica risulta di più generale applicazione

Per ottenere lo spettro Raman di un campione si utilizza una sorgente monocromatica con lunghezza d’onda nel vicino UV, nel visibile o nel vicino infrarosso (NIR). Attualmente sono impiegate sorgenti LASER; alcuni esempi sono i seguenti: La radiazione laser è focalizzata sul campione; le radiazioni diffuse dalla superficie sono raccolte, rivelate dal detector e mostrate sotto forma di spettro Laser UV, 244 o 325 nmLaser UV, 244 o 325 nm Laser ad Argon, nm o nmLaser ad Argon, nm o nm Laser a He-Ne, nmLaser a He-Ne, nm Laser a rubino, nmLaser a rubino, nm Laser Nd-YAG (ittrio–alluminio–granato drogato con neodimio), 1064 nmLaser Nd-YAG (ittrio–alluminio–granato drogato con neodimio), 1064 nm Esecuzione di una misura Raman

Utilizzo di laser diversi È importante sottolineare che lo spostamento Raman, per un dato legame ed un determinato modo di vibrazione, è indipendente dalla di eccitazione, cioè dalla lunghezza d’onda del laser, ma dipende esclusivamente dalla differenza tra due stati vibrazionali per un dato legame. Gli spettri Raman espressi in unità di Raman shifts sono in teoria identici con qualunque laser vengano prodotti e sono confrontabili anche se prodotti con strumenti Raman diversi Tuttavia, per motivi non semplici da spiegare, è possibile che l’utilizzo di laser diversi su uno stesso campione generi segnali Raman nelle stesse posizioni ma con intensità diverse: ad esempio, nella caratterizzazione di pigmenti, si verifica sperimentalmente che il laser verde (514.5 nm) è più adatto nell’ottenere spettri di pigmenti blu e verdi, mentre il laser rosso (632.8 nm) è più adatto per pigmenti rossi e gialli. In certi casi questa differenza è talmente marcata che alcuni pigmenti non forniscono alcun spettro se non sono irraggiati con il laser più opportuno

Qual è il laser migliore? l’intensità di emissione Raman è proporzionale alla quarta potenza della frequenza della sorgente: in altre parole, l’emissione ottenibile con un laser UV a 244 nm (40984 cm -1 ) in teoria è enormemente più intensa di quella ottenibile con un laser NIR a 1064 nm (9399 cm -1 )l’intensità di emissione Raman è proporzionale alla quarta potenza della frequenza della sorgente: in altre parole, l’emissione ottenibile con un laser UV a 244 nm (40984 cm -1 ) in teoria è enormemente più intensa di quella ottenibile con un laser NIR a 1064 nm (9399 cm -1 ) l’energia in gioco con laser a più alta frequenza (UV, visibile) è in grado di attivare nel campione transizioni elettroniche non desiderate che possono generare fenomeni di fluorescenza e produrre spettri di difficile lettura; questi fenomeni sono meno evidenti con laser meno energetici come il NIRl’energia in gioco con laser a più alta frequenza (UV, visibile) è in grado di attivare nel campione transizioni elettroniche non desiderate che possono generare fenomeni di fluorescenza e produrre spettri di difficile lettura; questi fenomeni sono meno evidenti con laser meno energetici come il NIR un altro inconveniente dei laser ad alta frequenza è il danno che possono causare ai campioni durante l’irraggiamento, causando fotodecomposizione e quindi emissione di spettri Raman anomaliun altro inconveniente dei laser ad alta frequenza è il danno che possono causare ai campioni durante l’irraggiamento, causando fotodecomposizione e quindi emissione di spettri Raman anomali La frequenza del laser impiegato, e quindi l’energia irraggiata sul campione, influenzano in maniera decisiva lo spettro Raman che si può ottenere. È necessario tenere conto dei seguenti aspetti:

Esempio Nell’esempio si nota in maniera evidente come la radiazione laser scelta per eccitare il campione, in questo caso un colorante, possa dare risultati pessimi (spettro nullo, sopra) o ottimi (spettro composito, sopra)

Profondità di campionamento Dal punto di vista della profondità di campionamento, l'analisi effettuata con uno spettrometro Raman è di tipo superficiale: le informazioni provengono da uno strato spesso alcuni µm posto sulla superficie. Da ciò è facile capire che le applicazioni più utili della spettrometria Raman sono quelle in cui si è interessati a caratterizzare le proprietà superficiali di un campione, es. i prodotti di degradazione, i pigmenti su un dipinto o su un manoscritto, ecc. Alcuni strumenti hanno la possibilità di variare la profondità di campionamento mediante un dispositivo noto come confocalità, che permette di ricevere l’informazione da pacchetti a spessore variabile dal campione, a patto che questo sia trasparente alla radiazione laser

Microscopia Raman Negli spettrometri Raman dotati di microscopio l'area interessata dall’analisi può essere limitata a poche unità fino ad alcune centinaia di µm 2, a seconda del laser e dell'obiettivo utilizzati. Gli obiettivi normalmente impiegati sono 10x, 20x, 50x, 80x e 100x A fronte di questa capacità di risoluzione spaziale risulta obbligatorio sapere esattamente dove si sta effettuando la misura per evitare errori macroscopici; per questo motivo i microscopi Raman sono dotati di una telecamera coassiale con il laser, che permette di visualizzare l'area su cui si sta puntando

Analisi di un pigmento di aspetto macroscopicamente grigio L’immagine al microscopio con obiettivo 100x (1000 ingrandimenti) chiarisce l’importanza dell’utilizzo del microscopio nell’analisi Raman: i singoli grani possono essere caratterizzati separatamente

Spettrometri Raman con un sistema monocromatore chiamato reticolo, e quelli a Trasformata di Fourier o FT-Raman, in cui lo spettro Raman è raccolto contemporaneamente su tutto l’intervallo di interesse utilizzando l’algoritmo matematico omonimo La focalizzazione del Laser sul campione è possibile attraverso un sistema ottico semplice (specchi o lenti) oppure, come detto in precedenza, attraverso l’impiego di un microscopio Come per la spettroscopia infrarossa, anche in quella Raman sono utilizzati due tipi di strumenti: quelli dispersivi, in cui la radiazione diffusa dal campione viene dispersa sequenzialmente

Schema di uno strumento Raman dispersivo

Spettrometro FT-Raman da banco Inconveniente: rivelatore al Germanio raffreddato con azoto liquido (negli strumenti dispersivi è un CCD)

Spettrometri Raman portatili effettuare misure in situ non distruttive senza manipolazione del campione. Le potenzialità di questi strumenti sono ottime per quanto le prestazioni non siano paragonabili a quelle degli strumenti da banco. N.B. le fibre ottiche, diversamente al loro uso nell’IR, non tagliano le radiazioni Raman (che sono radiazioni UV-vis-NIR) Oltre agli strumenti Raman da banco esistono attualmente strumenti portatili, generalmente dispersivi, che attraverso l’impiego di fibre ottiche consentono di

Analisi senza vincoli di ingombro Nell’esempio illustrato è effettuata un’analisi su un manoscritto di dimensioni notevoli, che non potrebbe essere alloggiato su uno strumento da banco Uno dei vantaggi dell’impiego di strumenti Raman portatili rispetto agli strumenti da banco è la possibilità di effettuare analisi su campioni molto ingombranti, che non potrebbero essere inseriti nel comparto portacampione di uno strumento da banco: l’utilizzo di una sonda esterna consente di non avere vincoli

Analisi in situ di affreschi Un’altra applicazione limitata agli strumenti portatili è l’analisi degli affreschi. La caratterizzazione dei pigmenti è molto importante per collocare storicamente il manufatto e per decidere il miglior intervento restaurativo. In questo caso, se non è possibile effettuare un prelievo di campione, l'uso di uno spettrometro Raman portatile costituisce il modo più sicuro per identificare i pigmenti

Limiti del Raman portatile Radiazione laser Piano di messa a fuoco Microscopio Per ottenere uno spettro Raman ottimale, il campione deve essere posto alla corretta distanza focale dell’obiettivo. Negli strumenti da banco ciò è realizzato con uno stage che permette di effettuare movimenti micrometrici nelle direzioni xyz; inoltre il portacampione è solidale con lo strumento e non risente di vibrazioni esterne. Negli strumenti portatili, con cui normalmente si analizzano oggetti inamovibili, è possibile movimentare la sonda per ottenere la messa a fuoco corretta, tuttavia, siccome il campione non è solidale con lo strumento, c’è una forte possibilità che vibrazioni esterne inficino la misura causando la perdita di messa a fuoco

Risoluzione spaziale Tra le tecniche di analisi molecolare, la spettrometria Raman è quella dotata di migliore risoluzione spaziale: può arrivare a distinguere due punti distanti 1 µm

Applicazioni per i materiali coloranti Caratterizzazione di materiali coloranti (ottima per i pigmenti, meno per i coloranti) e di legantiCaratterizzazione di materiali coloranti (ottima per i pigmenti, meno per i coloranti) e di leganti Identificazione di prodotti di degradazioneIdentificazione di prodotti di degradazione Monitoraggio di processi di degradoMonitoraggio di processi di degrado Caratterizzazione di materiali protettiviCaratterizzazione di materiali protettivi

archivio di spettri Raman di pigmenti, uno dei primi e più importanti siti web dedicati all’analisi di pigmenti, gestito dallo University College London e in particolare dal Prof. R.J Clark, forse il massimo esperto di Raman e pigmentiarchivio di spettri Raman di pigmenti, uno dei primi e più importanti siti web dedicati all’analisi di pigmenti, gestito dallo University College London e in particolare dal Prof. R.J Clark, forse il massimo esperto di Raman e pigmenti archivio di spettri di minerali, riferimento importante sia per i pigmenti sia per i materiali lapideiarchivio di spettri di minerali, riferimento importante sia per i pigmenti sia per i materiali lapidei minerals.gps.caltech.edu/files/raman/Caltech_data/index.htmminerals.gps.caltech.edu/files/raman/Caltech_data/index.htm archivio di spettri di minerali del California Institute of Technologyarchivio di spettri di minerali del California Institute of Technology Database di spettri Raman Per quanto riguarda la lettura degli spettri Raman, lo spettroscopista esperto sa interpretare lo spettro in termini di gruppi funzionali, mentre l'utente può riconoscere la sostanza che ha prodotto lo spettro Raman in base al confronto con una banca dati. Esistono in letteratura molti database di spettri Raman, di cui alcuni di interesse per il campo dei beni culturali:

Spettri di pigmenti rossi Per valutare la capacità diagnostica della spettrometria Raman è sufficiente confrontare gli spettri ottenibili da pigmenti rossi aventi composizione chimica differente

Analisi di manoscritti Un'applicazione interessante del Raman è quella dell'analisi dei manoscritti: è possibile effettuare la misura direttamente sull'oggetto (sotto) oppure ponendo il manoscritto nel portacampione di uno strumento da banco (dx), se la geometria lo permette. In entrambi i casi il campione non subisce danni Dato l'enorme valore delle opere, l’analisi va effettuata con tecniche che non prevedano il prelievo di un campione. Esiste però una tecnica di campionamento accettata da alcuni enti museali, tra cui il Louvre di Parigi: essa consiste nell'impiego di un tampone noto come Q-tip (sotto dx), la cui punta è in grado di asportare dal manoscritto una quantità del tutto irrisoria di pigmento (meno di 100 ng) per sfregamento, che poi si analizza in laboratorio

Spettri Raman dai Lindisfarne Gospels L'analisi Raman, effettuata su questo manoscritto dal Prof. R. Clark, ha evidenziato l'utilizzo di Indaco come unico prodotto blu; questo colorante era disponibile nell'Inghilterra dell'VIII secolo in quanto estratto dalla pianta Isatis tinctoria o guado Nonostante l'evidente valore simbolico del manoscritto, che fa pensare alla necessità di utilizzare pigmenti nobili, non si rileva la presenza di Blu Oltremare, il cui impiego è effettivamente noto in Inghilterra a partire dal X secolo

Autenticazione di papiri egiziani L’analisi Raman è utilizzabile per identificare falsi documenti. Nel caso qui descritto, sei papiri appartenenti ad una collezione privata sono stati analizzati a Londra nel 1998 prima di essere messi all’asta. Essi erano attributi all’epoca di Ramsete II (XIII secolo a.C.) e all’epoca di Cleopatra (I secolo a.C.) Siccome l’autenticazione è legata all’identificazione di pigmenti compatibili con l’epoca egiziana, insieme ai sei papiri ne è stato analizzato uno sicuramente autentico della XVIII dinastia (sotto), proveniente dal Petrie Museum. L’analisi è stata effettuata da R.J. Clark dell’UCL di Londra

Autenticazione di papiri egiziani Come si nota dalla tabella, nei papiri da autenticare (sfondo giallo) l’analisi delle parti colorate ha mostrato la presenza di pigmenti incompatibili con l’attribuzione temporale dei documenti, a differenza del papiro autentico (sfondo verde)

Studi di degradazione Bianco piombo  Galena 2PbCO 3 ·Pb(OH) 2 + H 2 S  PbS Nella figura è riportata un'immagine da un foglio di un evangelario bizantino del XIII secolo: in alcuni volti dei personaggi dipinti compare la tinta rosa, ottenuta miscelando i pigmenti Cinabro (rosso) e Bianco piombo (bianco); in altri invece, il colore rosa è stato sostituito da un colore scuro, dovuto al solfuro di piombo nero che si forma per conversione del Bianco piombo, come è evidenziato dagli spettri Raman ottenuti analizzando il manoscritto. Come hanno sottolineato alcuni periodici commentando lo studio effettuato da R.J. Clark sul manoscritto, si può parlare di “Angeli dalla faccia sporca”

Vantaggi del Raman versatilità: può dare informazioni strutturali su un ampio range di materiali colorantiversatilità: può dare informazioni strutturali su un ampio range di materiali coloranti inorganici, organici (meno efficiente dell’IR)inorganici, organici (meno efficiente dell’IR) cristallini e non cristallinicristallini e non cristallini monomeriche o polimerichemonomeriche o polimeriche spettri più semplici da interpretare (picchi anziché bande)spettri più semplici da interpretare (picchi anziché bande) altissima risoluzione spazialealtissima risoluzione spaziale possibilità di analisi in situpossibilità di analisi in situ acqua e vetro trasparentiacqua e vetro trasparenti

Spettroscopia UV-Visibile Si tratta di una tecnica molto comune nei laboratori chimici, che si basa sull'assorbimento da parte del campione di radiazioni nel campo dell'ultravioletto, del visibile e del vicino infrarosso (NIR, Near InfraRed), assorbimento dovuto alla presenza nelle molecole del campione di gruppi funzionali aventi caratteristiche particolari, detti cromofori, facilmente riconoscibili in base allo spettro. La tecnica è quindi affine alla spettroscopia infrarossa, dalla quale si differenzia per il fatto che le energie in gioco causano transizioni elettroniche anziché vibrazionali, cioè provocano il passaggio di elettroni a stati energetici eccitati. L’intervallo spettrale impiegato può essere nm, più comunemente nm La tecnica è meno informativa dell’IR e del Raman ma, a causa dell’estrema semplicità di utilizzo (e per il fatto che uno spettrofotometro UV-visibile è sempre presente in qualunque laboratorio chimico), può essere utile come analisi preliminare, in particolare nella caratterizzazione di campioni colorati

Modalità di misura in assorbanza o trasmittanza, due grandezze legate dalla relazione Assorbanza = log(1/Trasmittanza); sono misurate le radiazioni dopo il passaggio attraverso il campionein assorbanza o trasmittanza, due grandezze legate dalla relazione Assorbanza = log(1/Trasmittanza); sono misurate le radiazioni dopo il passaggio attraverso il campione in riflettanza, misurando le radiazioni diffuse dal campione, ovvero tutte quelle irradiate sulla sua superficie tranne quelle assorbitein riflettanza, misurando le radiazioni diffuse dal campione, ovvero tutte quelle irradiate sulla sua superficie tranne quelle assorbite Come nella spettroscopia infrarossa, anche nell’UV- visibile è possibile effettuare le misure secondo due modalità principali:

Misure in assorbanza Questa modalità è valida per l’analisi di campioni in soluzione (coloranti) o per campioni solidi sufficientemente sottili o trasparenti, es. polveri, film; ha scarsissime applicazioni in situ I0I0 ItIt Nelle misure in assorbanza o trasmittanza si irraggia il campione con un intervallo di ad intensità I 0 e si registra lo spettro delle radiazioni che passano attraverso il campione con intensità I t < I 0 ; le assorbite dalle molecole del campione appaiono come massimi di assorbimento o come minimi di trasmittanza

Assorbimento della radiazione visibile e percezione del colore

Spettro UV-vis in assorbanza L'informazione che si ottiene dall'analisi UV-visibile è relativa alla presenza di gruppi cromofori; si tratta di segnali non molto specifici che difficilmente conducono all’identificazione delle sostanze ma possono essere utili. L’esempio mostra lo spettro UV-visibile in assorbimento di un’aldeide insatura. La banda a 395 nm rende conto del fatto che il composto è colorato in arancio, colore complementare rispetto al violetto che corrisponde alla regione spettrale interessata (~ 400 nm); la stessa banda si ritroverebbe nello spettro di un’altra sostanza avente colore arancione, con differenze non molto grandi sulle max

Misure in riflettanza La modalità in riflettanza è applicabile all’analisi di superfici e quindi ha molte applicazioni (fatta salva la relativa povertà di informazione rispetto alle tecniche IR e Raman); può essere applicata in situ Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo dei beni culturali sono opachi. Risulta quindi più utile la modalità di analisi in riflettanza, nella quale si registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione, inclusa o esclusa la componente riflessa (ovvero la riflettanza speculare) I0I0 IrIr

Spettroscopia di riflettanza riflettanza diffusa (R%). funzione di Kubelka - Munk: Dove: = riflettanza diffusa (di un campione di spessore infinito) K( )= coefficiente di assorbimento S( )= coefficiente di diffusione Segnale: N.B. La riflettanza diffusa è legata al coefficiente di assorbimento.

Per effettuare misure in riflettanza è necessario in primo luogo registrare uno spettro del bianco, ovvero di una sostanza la cui superficie sia (idealmente) totalmente riflettente, quindi fornisca come risposta esclusivamente lo spettro di emissione della sorgente, senza modifiche dovute alle molecole della sostanza irraggiata Una sostanza che ha queste caratteristiche è il solfato di bario, BaSO 4, che costituisce uno standard di riferimento molto utilizzato in riflettanza UV-visibile, in quanto ha una riflettanza vicina al 100% nel range visibile. Altri standard impiegati comunemente sono costituiti da materiali polimerici di aspetto, ovviamente, bianco Esecuzione di misure UV-visibili in riflettanza

Spettri UV-vis in riflettanza Spettro in riflettanza del pigmento blu azzurrite: il colore blu è giustificato dalla radiazione diffusa attorno a 460 nm; il pigmento assorbe (e perciò mostra come minimo nello spettro in riflettanza) la radiazione complementare attorno a 600 nm Nelle misure in riflettanza i massimi corrispondono a radiazioni riflesse e quindi non assorbite dal campione; esse corrispondono al colore macroscopicamente evidente del campione che risulta essere complementare rispetto al colore assorbito dal campione

Spettri in riflettanza di pigmenti In termini generali è possibile dividere i pigmenti in tre gruppi dal punto di vista del loro spettro di riflettanza: Pigmenti che forniscono una curva di riflettanza a campana:sono i pigmenti blu e verdi (Azzurite, Blu oltremare, Malachite, Verdigris); in questo caso l'identificazione è agevole perchè il massimo della curva è differente da pigmento a pigmentoPigmenti che forniscono una curva di riflettanza a campana:sono i pigmenti blu e verdi (Azzurite, Blu oltremare, Malachite, Verdigris); in questo caso l'identificazione è agevole perchè il massimo della curva è differente da pigmento a pigmento Pigmenti che forniscono una curva ad S: sono i pigmenti rossi, gialli e marroni (Cinabro, Minio, Orpimento, Ocre); non ci sono picchi caratteristici ma la presenza di un flesso dà la possibilità di individuare un picco caratteristico nello spettro in derivata prima, nuovamente differente da pigmento a pigmentoPigmenti che forniscono una curva ad S: sono i pigmenti rossi, gialli e marroni (Cinabro, Minio, Orpimento, Ocre); non ci sono picchi caratteristici ma la presenza di un flesso dà la possibilità di individuare un picco caratteristico nello spettro in derivata prima, nuovamente differente da pigmento a pigmento Pigmenti che forniscono curve approssimativamente lineari: sono i pigmenti bianchi, grigi e neri (Bianco piombo, Carbone); sia nello spettro di riflettanza sia nello spettro in derivata prima sono assenti massimi e quindi l’identificazione è più difficoltosaPigmenti che forniscono curve approssimativamente lineari: sono i pigmenti bianchi, grigi e neri (Bianco piombo, Carbone); sia nello spettro di riflettanza sia nello spettro in derivata prima sono assenti massimi e quindi l’identificazione è più difficoltosa

Esempi Spettri in riflettanza di un pigmento verde (Malachite, dx), un pigmento rosso (Cinabro, dx basso) e un pigmento bianco (Bianco titanio, sotto)

Pigmenti blu Spettri in riflettanza di pigmenti blu: Blu Oltremare (dx), Blu di Prussia (dx basso) e Smaltino (sotto)

Fiber Optic Reflectance Spectroscopy In questa tecnica, chiamata più semplicemente FORS, la radiazione di riflettanza del campione è raccolta mediante una sonda con fibra ottica. La sonda può contenere sia la fibra di raccolta della radiazione diffusa, sia la fibra che porta la radiazione primaria Nella sonda con geometria 3x45°/0° le due fibre esterne portano l’illuminazione sul campione, mentre la fibra intermedia, posta a 45° rispetto alle sorgenti, raccoglie la luce di riflettanza diffusa evitando la riflettanza speculare L’area investigata ha un diametro di 3-6 mm

Spettrofotometro UV-visibile-NIR di dimensione estremamente ridotte Range spettrale: nm Il segnale di emissione dalla lampada e quello riflesso dal campione sono trasportati da una fibra ottica Spettrofotometro portatile

Riconoscimento di pigmenti bianchi Nell’esempio mostrato sono effettuate misure con la FORS sul dipinto Il ritratto della figliastra di Giovanni Fattori (1889), per verificare la presenza di ritocchi posteriori Tra i vari punti analizzati, sono interessanti le informazioni ottenibili dai pigmenti bianchi (1 e 2 nella figura)  

Nella figura di sinistra sono riportati gli spettri di riflettanza di tre pigmenti bianchi: bianco piombo (a - linea tratteggiata), bianco zinco (b - linea continua) e bianco titanio (c - linea tratteggiata e punteggiata) Gli spettri in derivata prima (dx) permettono di discriminare i tre pigmenti e di identificare i pigmenti impiegati nel dipinto nei due punti considerati 1 e 2 (rispettivamente linee d ed e) Confronto tra spettri

Monitoraggio del degrado di un pigmento Effetto dell’umidità sul massimo dello spettro in derivata prima del Minio o Rosso Piombo