Diffusione della luce

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1 Spettroscopia Raman La spettroscopia Raman è forse la tecnica di analisi molecolare più potente tra quelle attualmente disponibili per l analisi dei beni culturali 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

2 Spettroscopia Raman 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.

3 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 Quando una radiazione monocromatica incide sulla superficie di un oggetto, la radiazione può essere: 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; diffusa se interagisce senza causare transizioni energetiche

4 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: 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 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 6

5 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: la molecola decade ad uno stato vibrazionale eccitato h 0 -h 1, emettendo un fotone ad energia minore di quello incidente (b) la molecola già presente in uno stato vibrazionale eccitato h 1 decade dallo stato virtuale allo stato fondamentale emettendo un fotone ad energia h 0 +h 1, maggiore di quella incidente (c)

6 Spettro Raman Lo spettro Raman di una molecola irraggiata da luce monocromatica è caratterizzato da tre tipi di segnali: 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)

7 Spettro Raman

8 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

9 Esempio di spettro Raman 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: Ds = (s oss -s inc ) cm -1 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 λ = 488 nm (equivalente a s = cm -1 ), segnale Raman a 60 cm -1 Intensità Rayleigh 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 Numeri d'onda (cm-1) Raman shift (cm-1) Raman N.B. l energia associata alla vibrazione è soltanto il Ds, non la s o la λ assoluta!

10 Frequenze di gruppo 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

11 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

12 Confronto Raman - IR 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

13 Esecuzione di una misura Raman 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: Laser UV, 244 o 325 nm Laser ad Argon, nm o nm Laser a He-Ne, nm Laser a rubino, nm Laser Nd-YAG (ittrio alluminio granato drogato con neodimio), 1064 nm La radiazione laser è focalizzata sul campione; le radiazioni diffuse dalla superficie sono raccolte, rivelate dal detector e mostrate sotto forma di spettro

14 Utilizzo di laser diversi È importante sottolineare che lo spostamento Raman, per un dato legame ed un determinato modo di vibrazione, è indipendente dalla λ 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 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

15 Qual è il laser migliore? 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: 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 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 anomali

16 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) Esempio

17 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

18 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

19 Microscopia Raman 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

20 Spettrometri Raman 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 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

21 Schema di uno strumento Raman dispersivo

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

23 Spettrometri Raman/FT-IR Tecniche complementari, comparti campione separati µraman e FTIR-ATR combinati, agiscono sullo stesso campione

24 Combinato Raman-SEM Esegue sul campione sia l analisi molecolare (Raman) sia l analisi elementare (SEM-EDS) o morfologica (SEM)

25 Spettrometri Raman portatili Oltre agli strumenti Raman da banco esistono attualmente strumenti portatili, generalmente dispersivi, che attraverso l impiego di fibre ottiche consentono di 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)

26 Analisi senza vincoli di ingombro 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 Nell esempio illustrato è effettuata un analisi su un manoscritto di dimensioni notevoli, che non potrebbe essere alloggiato su uno strumento da banco

27 Analisi in situ di affreschi Nell esempio illustrato è effettuata 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

28 Analisi di oggetti inamovibili L analisi in situ può essere applicata vantaggiosamente alla caratterizzazione di oggetti che, per il loro valore, non possono essere movimentati

29 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

30 Applicazioni per i beni culturali Materiali coloranti caratterizzazione di pigmenti e coloranti caratterizzazione di leganti Ceramiche caratterizzazione di pigmenti su superfici caratterizzazione di fasi cristalline T cottura Lapidei caratterizzazione di fasi cristalline Organici sostanze di varia natura (adesivi, ornamentali, residui, ecc.) Identificazione di prodotti di degradazione su superfici pittoriche su vetri, ceramiche, metalli, lapidei

31 Spettro Raman dell azzurrite. Picchi principali a: 145w; 180w; 250m; 284m; 335w; 403vs;545w; 746w(sh); 767m; 839m; 940w; 1098m; 1432m; 1459w; 1580m; 1623vw. Laser a nm; potenza di eccitazione 2mW Dal sito:

32 Spettro Raman della calcite. Picchi principali a: 157vw; 282vw; 1088vs. Laser a nm; potenza di eccitazione 4mW Dal sito:

33 Spettro Raman del cinabro. Picchi principali a: 252vs; 282w(sh); 343m Laser a nm; potenza di eccitazione 6mW Dal sito:

34 Spettro Raman del giallo di Napoli. Picchi principali a: 140vs; 329m(br); 448w(br) Laser a nm; potenza di eccitazione 4mW Dal sito:

35 Spettro Raman della terra verde. Picchi principali a: 145vs; 399w; 510w; 636m; 685m; 820vw; 1007m; 1084m. Gli spettri Raman di altre terre verdi possono variare da questo mostrato in figura. Laser a nm; potenza di eccitazione 1mW Dal sito:

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

37 Spettri Raman di tre forme cristalline dell ossido di titanio: anatasio (tetragonale), brookite (ortorombica) e rutilo (tetragonale) Spettri TiO Intensità Anatasio Brookite Rutilo Raman shift (cm-1)

38 Analisi di manoscritti Un'applicazione interessante del Raman è quella dell'analisi dei manoscritti: è possibile effettuare la misura direttamente sull'oggetto, rivelando gli inchiostri e i leganti utilizzati. La misura è fatta mediante una sonda che porta la radiazione laser sul campione e raccoglie il segnale Raman emesso dal materiale analizzato (sx) 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

39 Autenticazione di pietre preziose La spettrometria Raman è impiegata nel riconoscimento (e quindi nell autenticazione) di pietre preziose. Grazie al suo elevatissimo potere diagnostico, è diventata tecnica di routine neigrandilaboratoridianalisi gemmologica Oltre all identificazione di gemme, è possibile determinare la composizione di inclusioni naturali in pietre, di inclusioni artificiali (impiegate per riempire cavità) e di collanti (impiegati per unire due o più frammenti di pietra in modo da ottenere fraudolentemente una pietra più grossa)

40 Autenticazione di papiri egiziani Nelle parti colorate in rosso, l unico pigmento utilizzato in epoca Egiziana e qui identificato è l ocra rossa; non ci sono tracce di vermiglio, orpimento o realgar, tre pigmenti di diffuso impiego, nè di pararealgar, un prodotto della degradazione fotolitica del realgar, che si identifica invece nel papiro autentico Petrie insieme all orpimento. Si registra invece la presenza di un colorante di natura organica che corrisponde al composto Pigment Red 112, abasedi -naftolo.

41 Studi di degradazione 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 Bianco piombo Galena 2PbCO 3 Pb(OH) 2 + H 2 S PbS

42 Studi di degradazione Sulle pitture murarie, spesso si sviluppano in condizioni favorevoli colonie di microorganismi la cui attività metabolica porta alla formazione di croste che alterano la cromaticità degli affreschi: si parla di biodegrado La specie Dirina massiliensis (forma sorediata) è la responsabile del biodegrado degli affreschi rinascimentali di Palazzo Farnese a Caprarola, sui quali essa si è sviluppata anche in presenza di cinabro (HgS), pigmento contenente mercurio che è un elemento altamente tossico per la maggioranza delle altre specie viventi Gli spettri Raman di due punti all'interfaccia lichene-affresco mostrano la presenza di ossalato di calcio monoidrato e di carotenoidi, sintomo di attività biologica da parte dei licheni

43 Analisi di materiali organici Avorio Pergamena Per quanto particolarmente idonea all identificazione di sostanze inorganiche, la tecnica Raman trova moltissime applicazioni anche nella caratterizzazione di materiali di natura organica. Negli spettri riportati è mostrata la possibilità di distinguere avorio e pergamena provenienti da animali diversi

44 Analisi di capelli da una mummia 1) e 2) sono spettri Raman ottenuti da capelli di una mummia rinvenuta in una cassa di piombo; le bande sono dovute a materiale proteico (i capelli sono composti da cheratina) fortemente degradato, mentre la banda a 1050 cm -1 è dovuta alla presenza di PbCO 3. Lo spettro 3) per confronto è relativo ad un capello bruno moderno

45 Analisi di capelli ben conservati A) spettro Raman da un capello biondo di R. Stephenson, l inventore della locomotiva: lo spettro mostra un eccellente stato di conservazione (vedi confronto con spettro B, capello biondo moderno ) dovuto al fatto che i capelli sono stati conservati in un archivio. La banda a 500 cm -1 èdovutaal legame S-S presente in aminoacidi solforati, mancante negli spettri della diapositiva precedente

46 Caratterizzazione di cere impiegate in antichità per sigilli

47 Caratterizzazione di leganti pittorici

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