APPLICAZIONI DI TECNICHE SPETTROSCOPICHE AI BENI CULTURALI: SPETTROSCOPIA RAMAN E L ASSORBIMENTO IR

Transcript

1 APPLICAZIONI DI TECNICHE SPETTROSCOPICHE AI BENI CULTURALI: SPETTROSCOPIA RAMAN E L ASSORBIMENTO IR Dr. Armida Sodo sodo@fis.uniroma3.it Dipartimento di Fisica E. Amaldi Università degli Studi Roma Tre

2 Impiego di metodologie scientifiche nel campo dei Beni Culturali conoscenza storica e tecnica - analisi dei materiali e della tecnica di esecuzione - datazione ed autenticazione - studi di provenienza restauro - studio dello stato di degradazione - individuazione di precedenti interventi di restauro - controllo e messa a punto di interventi conservativi e di condizioni di conservazione (microclima) reprimere frodi

3 conoscenza storica e tecnica: analisi materiali Tomba dell Orco, VI-IV secolo a.c. Tarquinia Collab. con ISCR A. Sodo et al. Journal of Raman spectroscopy, 39, 1035, (2008)

4 Vinland Map conoscenza storica e tecnica: autenticazione

5 K. L. Brown and R.J. H. Clark, Anal. Chem. 2002, 74,

6 restauro Cripta Peccato Originale, o Grotta dei cento Santi VIII sec d.c., Matera

7 restauro 13 doppi legami coniugati, catena di circa 50 atomi di C Bacterioruberina Analisi combinate Rubrobacter radiotolerans F. Imperi et al. Environmental Microbiology 9(11), (2007)

8 Evangelario bizantino del XIII secolo Bianco piombo Galena 2PbCO 3 Pb(OH) 2 + H 2 S PbS

9 L autenticazione è legata all identificazione di pigmenti compatibili con l epoca egiziana. L analisi è stata effettuata da R.J. Clark dell UCL di Londra Repressione frodi L analisi Raman è stata spesso utilizzata per identificare falsi documenti. Nel caso qui descritto, sei papiri appartenenti ad una collezione privata sono stati portati a Londra nel 1998 per 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.)

10

11 Per essere realmente utilizzabili nel campo dei Beni Culturali, le tecniche analitiche devono: essere non distruttive o al massimo micro-distruttive avere un alta risoluzione spaziale possedere un alta sensibilità offrire la possibilità di condurre misure in situ

12 Principali metodiche di indagine per i Beni Culturali Tecniche di datazione Carbonio 14, Spettrometria di massa ad alta risoluzione, dendrocronologia, termoluminescenza. Tecniche tomografiche Radiografia, ultrasuoni, IR riflesso, UV riflesso, termografia. Tecniche spettroscopiche Diffrazione X e neutroni, assorbimento IR, Spettroscopia Raman, risonanza Mossbauer, NMR, Fluorescenza (XRF, a- PIXE, p-pixe, LIBS),

13 Spettroscopia SPETTROSCOPIA: Studia le interazioni fra le radiazioni elettromagnetiche e la materia Nella minima configurazione possibile sono necessarie: sonda campione rivelatore

14 Radiazione e materia stati nucleari stati elettronici molecolari E λ stati elettronici atomici vibrazioni dei legami molecolari

15 Spettroscopie vibrazionali Per investigare la composizione molecolare dei materiali impiegati nei Beni Culturali vengono impiegate due tecniche di spettroscopia vibrazionale spettroscopia di assorbimento IR spettroscopia di diffusione Raman

16 Spettroscopie vibrazionali Ma cosa sono le spettroscopie vibrazionali? Le spettroscopie vibrazionali fanno parte delle spettroscopie ottiche. Le principali spettroscopie ottiche sono la spettroscopia rotazionale: si basa su transizioni fra livelli energetici rotazionali regione dell infrarosso lontano o microonde (sotto i 400 cm -1 ) la spettroscopia vibrazionale: gli spettri sono dovuti a transizioni fra livelli energetici roto-vibrazionali che si presentano nella regione dell infrarosso ( cm - 1 ) la spettroscopia elettronica: transizioni fra livelli energetici elettronici molecolari regione dell ultravioletto.

17 Spettroscopie vibrazionali La materia si presenta, in prima approssimazione, come un modello palle e molle. Il legame chimico è la molla e i due atomi sono le masse. Ogni atomo ha una massa diversa e un singolo, doppio, triplo legame hanno differenti gradi di rigidità. Ogni gruppo di atomi vibrerà a frequenze ed energie caratteristiche, riconoscibili e identificabili.

18 Spettroscopie vibrazionali Il sistema così descritto può essere assimilato ad un oscillatore armonico. Una volta messo in moto, la sfera oscillerà, o vibrerà avanti e indietro sulla molla, ad una certa frequenza, a seconda delle masse delle sfere e della rigidità della molla. f = - k x (legge di Hooke) f: la forza di richiamo x: spostamento dalla posizione di equilibrio k : costante di forza. L energia potenziale sarà data da: 1 V= fdx= kx 2 2

19 Spettroscopia IR Inserendo nell equazione di Schroedinger la funzione dell energia potenziale relativa al moto di due atomi di massa m 1 ed m 2 si ottengono gli autovalori dell energia e da questi la frequenza di vibrazione ν = 1 2π k µ, ~ ν = 1 2πc k µ µ = m + m 1 2

20 Spettroscopie vibrazionali ν = 1 2π k µ k J/Å 2 ~ µ g ν = 531 cm -1 k J/Å2 Cl O CO N

21 Spettroscopia IR LA FREQUENZA CRESCE 1) al crescere della forza del legame 2) al diminuire della massa C-H 3000 cm -1 C-D 2100 cm -1 C-C 1000 cm -1 C-Cl 700 cm -1

22 Spettroscopie vibrazionali L interazione con la radiazione elettromagnetica provoca transizioni vibrazionali: cambia l energia della vibrazione di due o più atomi legati.

23 Spettroscopie vibrazionali L interazione con la radiazione elettromagnetica provoca transizioni vibrazionali: cambia l energia della vibrazione di due o più atomi legati.

24 Spettroscopia IR Le vibrazioni possono essere suddivise in due categorie fondamentali: STIRAMENTO (stretching): variazione continua della distanza interatomica lungo l asse di legame DEFORMAZIONE (bending): variazione dell angolo tra 2 legami gradi di libertà vibrazionali (molecole non lineari) = [3n (3 +3)] gradi di libertà vibrazionali (molecole lineari) = [3n (3 + 2)]

25 Spettroscopia IR symmetrical stretching asymmetrical stretching scissoring rocking wagging twisting

26 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

27 Spettroscopia IR Condizione necessaria affinché ci sia assorbimento di frequenze caratteristiche è che ci sia una variazione del momento di dipolo della molecola durante la vibrazione molecolare in esame questo vibrando produca un campo elettrico oscillante che interagisca con quello della radiazione. Solo le vibrazioni che provocano una variazione di momento di dipolo del legame provocano assorbimento della radiazione infrarossa (IR attive): H H IR inattivo H Cl IR attivo O=C=O IR inattivo simmetrico O=C=O IR attivo asimmetrico

28 Spettroscopia IR RICONOSCIMENTO SPECIFICO DEL MATERIALE La zona di identificazione o fingerprint region cm -1 permette di identificare il singolo materiale.

29 Spettroscopia IR Raramente in uno spettro IR si osserva esattamente il numero di bande previsto in teoria. Il numero delle bande può essere più elevato rispetto a quello teorico a causa di bande di overtones e vibrazioni di combinazione, derivanti dall accoppiamento di vibrazioni fondamentali. Il numero delle bande può invece essere ridotto dai seguenti fattori: Fattori strumentali: - Vibrazioni che cadono al di fuori dell intervallo spettrale coperto dallo strumento - Frequenze troppo deboli per essere osservate - Bande tanto ravvicinate da confondersi (coalescenza) Bande degeneri in molecole simmetriche Vibrazioni che non provocano variazione del momento dipolare Le vibrazioni che implicano un cambiamento del momento di dipolo generano, infatti, uncampo magnetico oscillante (µ) in grado di interagire con una radiazioneelettromagnetica che ha la stessa frequenza, determinandone l assorbimento.

30 Spettroscopia FT-IR La radiazione contenente tutte le lunghezze d'onda IR proveniente dalla sorgente colpisce uno specchio semitrasparente (cristallo di KBr rivestito di germanio) in modo che una metà della radiazione incida su uno specchio fisso e l altra metà incida su uno specchio mobile, che scorre avanti e indietro a velocità costante. I raggi provenienti dai due specchi intercettano di nuovo lo specchio semitrasparente e si ricombinano, interferendo fra loro. Si ottiene così un interferogramma che, mediante la trasformata di Fourier, viene convertito da grafico nel dominio del tempo a grafico nel dominio della frequenza.

31 Spettroscopia in Riflettanza totale attenuata (ATR) Nella modalità ATR i raggi infrarossi sono diretti all interno di un cristallo ad alto indice di rifrazione (AgCl, ZnSe o bromoioduro di silicio, germanio e tallio ). 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 Gli spettri IR in modalità ATR sono simili a quelli registrati in trasmittanza

32 Vantaggi della Spettroscopia IR la spettroscopia di assorbimento IR permette di avere informazioni sulle vibrazioni dei legami chimici presenti nel campione investigato. Lo spettro IR è per ciascuna sostanza un impronta digitale da cui è possibile riconoscere il materiale. è estremamente sensibile per i composti organici in alcuni casi è possibile ottenere informazioni quantitative (la tecnica in questo caso è distruttiva) le misure richiedono pochi minuti nella configurazione ATR è una tecnica non distruttiva

33 Limiti della Spettroscopia IR Può dar vita a spettri molto complessi di difficile interpretazione È molto sensibile all acqua legata che maschera la banda dei carbonili L analisi quantitativa può essere effettuata solo in condizioni distruttive per il campione (pasticche) non è sempre possibile lavorare in ATR, e risulta pertanto necessario preparare le pasticche (tecnica distruttiva)

34 Spettroscopia Raman La spettroscopia Raman si basa su un fenomeno fisico scoperto nel 1928 dal fisico Indiano C.V. Raman (da cui prese il nome) e che valse allo studioso il premio Nobel per la Fisica nel Raman osservò che una piccola frazione della radiazione diffusa aveva energia diversadaquelladellaradiazione incidente, e che la differenza di energia era legata alla struttura chimica delle molecole responsabili della diffusione.

35 Spettroscopia Raman 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

36 Spettroscopia Raman 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

37 Spettroscopia 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 hν 0, non quantizzato, da cui decadono emettendo fotoni. L interazione anelastica ha due possibilità: la molecola decade ad uno stato vibrazionale eccitato hν 0 -hν 1, emettendo un fotone ad energia minore di quello incidente (b) la molecola già presente in uno stato vibrazionale eccitato hν 1 decade dallo stato virtuale allo stato fondamentale emettendo un fotone ad energia hν 0 +hν 1, maggiore di quella incidente (c)

38 Spettroscopia 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 hν 0 i segnali corrispondenti alle interazioni anelastiche in cui sono emessi fotoni ad energia minore di quelli incidenti: le cosiddette linee Stokes, con energia hν 0 -hν 1 i segnali corrispondenti alle interazioni anelastiche in cui sono emessi fotoni ad energia maggiore di quelli incidenti: le cosiddette linee antistokes, con energia hν 0 +hν 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 hν 1 rispetto alla Rayleigh)

39 Spettroscopia Raman

40 Spettroscopia 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

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

42 Spettroscopia Raman un po di teoria Si consideri un sistema di molecole che venga investito da radiazione elettromagnetica monocromatica. La nube elettronica di ciascuna molecola verrà deformata e spostata rispetto al nucleo, di modo che tale spostamento causerà la nascita di un momento di dipolo elettrico indotto. µ =α E E = E0 cos ω 0 t Dove α è la polarizabilità della molecola ed E il campo elettrico che possiamo scrivere come E dunque µ = α E = α E cos ω 0 0 t Il momento di dipolo oscillante emetterà radiazione della stessa frequenza del campo incidente dando luogo alla diffusione Rayleigh

43 q Spettroscopia Raman Se la molecola è soggetta a dei moti interni, vibrazionali o rotazionali, che modificano periodicamente la polarizzabilità rispetto ai modi normali, allora accanto all oscillazione del dipolo si avrà una sovrapposizione di oscillazioni vibrazionali o rotazionali = q0 cos ω v t Dove ω ν è la frequenza ( pulsazione) della vibrazione molecolare, q la coordinata nucleare e q 0 l ampiezza Per piccole ampiezze di vibrazione ci si potrà limitare a considerare solo il termine lineare della sviluppo di α rispetto a q. α α ( t ) = α0 + q = α0 + α1 cos ω v q 0 ( + cos t )( E cos t) = µ (t) = α α ω ω 0 1 v 0 0 α 1 E 0 = α E 0 cos ω v t + o v o + 2 [ cos ( ω - ω ) t + cos ( ω ) t] 0 ω v t

44 Spettroscopia 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

45 Spettroscopia Raman 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

46 Spettroscopia Raman LASER Fibra ottica Testa di misura con filtro notch Segnale TV Fibra ottica Monitor TV Monocromatore a reticolo CCD Computer per controllo monocromatore -CCD ed elaborazione dati

47 Spettroscopia Raman LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation 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

48 Spettroscopia Raman

49 Spettroscopia 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 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, 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

50 Spettroscopia Raman 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

51 Spettroscopia Raman NIR-Raman VIS-Raman La fluorescenza cresce La diffusione Raman decresce Fluorescenza

52 Spettroscopia Raman 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

53 Vantaggi della Spettroscopia Raman è molto sensibile per l analisi e l identificazione dei composti, perché ciascuna specie presenta un proprio caratteristico spettro Raman vibrazionale che può essere utilizzato per l identificazione qualitativa I tempi di misura sono estremamente brevi, la misura infatti richiede al massimo alcuni minuti La tecnica è non-distruttiva e può essere condotta anche in situ è definita spazialmente entro pochi micron, risulta inoltre poco sensibile alla presenza di acqua legata

54 Limiti della Spettroscopia Raman Non tutti i composti danno uno spettro Raman (in generale i metalli non danno spettro Raman) Le bande di fluorescenza possono coprire il debole segnale Raman Alcuni composti possono subire una termo degradazione dovuta all irraggiamento laser: diventa necessario controllare attentamente la potenza sul campione