Tecniche%20analitiche%20per%20lo%20studio%20dei%20colori

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Tecniche analitiche per lo studio dei colori
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Argomenti

• Analisi strumentale
• Tecniche di analisi molecolare
• spettroscopia IR
• spettroscopia Raman
• spettroscopia UV-visibile-NIR
• spettroscopia XRD
• Analisi visuale
• Spot tests

• Tecniche di analisi elementare
• spettroscopia XRF
• spettroscopia PIXE
• analisi isotopica
• Tecniche di separazione
• cromatografia HPLC, GC

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Differenza tra un artista e un chimico
Lartista è interessato per lo più allaspetto
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
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Tecniche per lo studio dei colori
I colori possono essere identificati con molte
tecniche analitiche, soprattutto strumentali.
Sono particolarmente utili le tecniche che
permettono l'analisi in situ senza prelievo, come
le spettroscopie Raman e XRF. Ogni tecnica
presenta punti di forza

• le tecniche di analisi molecolare (Raman, IR,
  XRD) forniscono informazioni sui composti
  presenti in un dipinto e in particolare
  consentono di identificare in maniera definitiva
  il composto responsabile del colore per esempio,
  quasi tutti i pigmenti e i coloranti mostrano uno
  spettro Raman caratteristico e riconoscibile.
  Inoltre si possono identificare leganti e vernici
• le tecniche di analisi elementare (XRF, PIXE)
  invece arrivano all'identificazione dei colori
  mediante la determinazione di uno o più
  elementi-chiave, benchè in alcuni casi non diano
  risposte definitive. Forniscono in esclusiva
  informazioni sui pigmenti metallici e sulle
  impurezze, utili per determinare la provenienza
  di un materiale pittorico
• le tecniche cromatografiche (HPLC e GC), infine,
  forniscono informazioni su composti o elementi
  presenti e sono spesso impiegate
  nellidentificazione di coloranti, leganti e
  vernici

Oltre alle tecniche strumentali, spesso è
possibile ricorrere ad un approccio più semplice
impiegando i cosiddetti spot tests
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Problemi nellanalisi di opere pittoriche

• opere darte raramente campionabili (almeno in
  Italia)
• tecniche analitiche a contatto (ATR-IR) non
  idonee
• strato pittorico fragile
• difficoltà nel posizionamento (apertura
  prolungata causa stress)

? necessarie tecniche analitiche
(possibilmente) non
invasive e rapide
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• spettroscopia Raman
• potere diagnostico ottimale
• tempi di analisi lunghi
• laser può degradare pigmenti

• spettrometria XRF
• buon potere diagnostico
• a volte risultati difficili da interpretare

Spettroscopia IR con fibre al momento poco
affidabile, ATR non idonea (necessita contatto
con campione)
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• Analisi su scala macroscopica (spot di 1 - 3 mm)
• identificazione dei principali componenti
• Analisi su scala microscopica (0.1 0.001 mm)
• identificazione dei singoli componenti
• possibili errori macroscopici!

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• Analisi in superficie (pochi µm)
• identificazione di vernici protettive
• prodotti di alterazione
• pigmenti e coloranti dellultimo strato pittorico

• Analisi in profondità
• identificazione degli strati pittorici
  sottostanti
• informazioni sulle imprimiture
• informazioni sui supporti

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analisi XRF Cu ? azzurrite, 2CuCO3Cu(OH)2
analisi FORS e Raman blu oltremare!
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Ultima considerazione occhio ai colori
ingannevoli!

• miscele di pigmenti o coloranti
• effetti ottici

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Per quanto riguarda le miscele, è noto che molto
spesso le campiture sono ottenute dagli artisti
mescolando due o più pigmenti o coloranti. Ciò
può essere evidente nei casi di campiture marroni
(rosso nero), rosa (rosso bianco) o grigie
(nero bianco), ovvero per ottenere colori che
non esistono allinterno dello spettro della luce
visibile è assai meno evidente quando le
campiture sono verdi (blu giallo) o
viola-porpora (blu rosso). Il verde, in
particolare, veniva a volte preparato e venduto
in miscele standard i miniatori usavano spesso
il vergaut, una miscela di indaco (blu)
orpimento (giallo) che si nota nella campitura
verde chiaro indicata nella figura tratta da una
miniatura del IX secolo
I tintori, non disponendo di coloranti verdi con
buone caratteristiche di stabilità, usavano quasi
sempre miscele di coloranti blu e gialli per
ottenere il viola, se non disponevano di porpora
di Tiro o di oricello (due coloranti viola noti
ma costosi) miscelavano un blu e un rosso
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Gli effetti ottici sono ancora più ingannevoli in
quanto meno documentati. Un tipico effetto
sfruttato dai pittori è leffetto del mezzo
torbido (turbid medium effect in inglese) una
velatura brillante applicata su uno sfondo scuro
permette di percepire un colore finale più freddo
e con una tinta differente (un fenomeno analogo
si ha nelle vene il sangue, pur essendo rosso
cremisi, appare blu in quanto filtrato dalla
pelle)
In figura è mostrato il dipinto Il malato
immaginario di Honoré Daumier, pittore Francese
del XIX secolo. In questo dipinto le vesti dei
dottori appaiono di colore blu scuro, ma la tinta
risulta da una velatura di biacca e nero di
carbone applicata su una sottopittura scura non
ci sono pigmenti blu!
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(No Transcript)
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In definitiva. Nessuna tecnica da sola può
fornire tutte le informazioni necessarie

• necessità di operare con più tecniche,
  possibilmente non invasive e portatili
• analisi veloci e con impatto minimo sulloggetto
• analisi su scala macro e micro
• analisi in superficie e in profondità
• conoscenza delle fonti bibliografiche e dei
  fenomeni ottici

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Spettroscopia molecolare

• Il campione è irraggiato con luce avente ?
  nellultravioletto, nel visibile o nel vicino
  infrarosso
• Si 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 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 diffusa

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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 laspetto
  quantitativo è scarsamente sfruttato

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Lenergia in gioco

• Frequenza (? in Hz, sec-1)
• Lunghezza d'onda (? in nm o in ?m)
• Numero d'onda ( 1/? in cm-1)
• Frequenza Numero donda x c (velocità della
  luce)
• Campo spettrale della radiazione IR
• 0.7 - 500 ?m (14000 - 20 cm-1)
• 0.7 - 2.5 ?m (14000 - 4000 cm-1) vicino IR
  (NIR)
• ? 2.5 - 20 ?m (4000 - 500 cm-1) medio IR
  (MIR)
• 20 - 500 ?m (500 - 20 cm-1) lontano IR (FIR)

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Modi di vibrazione
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Lanidride carbonica

• Lanidride carbonica, CO2, può avere i modi di
  vibrazione illustrati nella figura, con latomo
  di carbonio al centro. Questi moti sono
  responsabili delleffetto serra che la CO2
  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

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Spettro IR della CO2
I segnali dello spettro di assorbimento IR della
CO2 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
Come si nota dallo spettro lo stretching
simmetrico del gruppo CO, che dovrebbe essere a
1340 cm-1, nella CO2 non è attivo perchè in
questa molecola non cambia il momento dipolare
666 cm-1 (bending)

• 2350 cm-1 (stretching asimmetrico)

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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.
  Linsieme dei gruppi funzionali identificati
  permette di risalire globalmente alla molecola,
  il cui spettro IR corrisponde ad unimpronta
  digitale. La risposta è visibile sotto forma di
  spettro di assorbimento o di trasmittanza (sono
  legate dalla legge di Lambert-Beer Alog1/T)
  oppure di riflettanza
• Il 100 della scala di trasmittanza corrisponde
  ad assorbimento nullo

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Frequenze di gruppo

• I principali gruppi funzionali sono illustrati
  nella figura sottostante in relazione alle
  frequenze di assorbimento. La regione 1450-600
  cm-1 è normalmente difficile da interpretare e
  viene spesso chiamata regione del fingerprint,
  essendo molto caratteristica da molecola a
  molecola

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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

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Strumenti portatili

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

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Preparazione dei campioni

• Lanalisi IR si può effettuare su campioni di
  varia natura

• campioni liquidi si deposita una goccia su un
  supporto trasparente
• campioni solubili con proprietà filmogene si
  genera un film per evaporazione da una soluzione
• campioni insolubili o solidi polverizzazione e
  incorporamento in capsula di KBr
• materiale non campionabile (es. tele, affreschi)
  analisi superficiale in riflettanza

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Metodi per lacquisizione di spettri IR
Tecnica Segnale
Trasmissione Trasmittanza
Riflessione speculare Riflettanza
Riflessione diffusa Riflettanza
Riflessione totale Riflettanza
adatte in situ
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Misure in trasmissione

• campioni solidi, liquidi e gassosi
• vale la legge di Lambert-Beer
• non adatta per materiali non campionabili o
  troppo spessi

Segnale trasmittanza (T) I / I0 oppure
assorbanza (Abs) log 1/T
gas nessuna preparazione liquidi nessuna
preparazione, diluizione solidi nessuna
preparazione, dissoluzione, diluizione,
pastiglia con KBr (trasparente allIR)
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Misure in riflessione speculare

• campioni solidi riflettenti
• anche di grandi dimensioni
• non distruttiva
• 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
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Misure in riflettanza diffusa

• campioni solidi non riflettenti
• anche di grandi dimensioni
• polveri e liquidi
• non 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
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Utilizzo di fibre ottiche

• Le fibre ottiche sono sfruttate vantaggiosamente
  per le misure FT-IR in riflettanza. Attraverso
  limpiego di sonde è possibile irraggiare il
  campione e raccogliere la radiazione diffusa
  entrambe le radiazioni possono viaggiare su fibre
• Ovviamente il grande vantaggio dellimpiego 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 lattenuazione del
  segnale. Tuttavia, nessuna delle fibre
  attualmente disponibili è in grado di coprire
  lintero range del medio infrarosso con i vetri
  a calcogenuro si arriva al massimo ad un
  intervallo 4000-900 cm-1

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Sonde per riflettanza diffusa

• La sonda per riflettanza diffusa può essere
  costituita da una fibra ottica per
  lirraggiamento e una per la raccolta della
  radiazione diffusa

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Riflettanza totale attenuata (ATR)
Adatta per qualsiasi materiale che possa essere
posizionato a diretto contatto col supporto per
la riflessione interna
.

• 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

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Principio dellATR

• Nella modalità ATR i raggi infrarossi sono
  diretti allinterno di un cristallo ad alto
  indice di rifrazione. I raggi, riflettendosi
  sulla superficie interna del cristallo, creano
  unonda evanescente che si proietta
  ortogonalmente sul campione posto in stretto
  contatto con il cristallo

Parte dellenergia dellonda 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
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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

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Sonde ATR

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

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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. Larea
  analizzata ha un diametro di 1 mm. Range
  spettrale 4000-650 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
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Materiali per sonde ATR

• Esistono sul mercato tipi diversi di cristalli
  ATR

• Seleniuro di zinco per applicazioni di routine
• AMTIR un vetro a base di selenio, germanio e
  arsenico, molto resistente ad agenti chimici
  aggressivi
• Germanio adatto per analisi di materiali con
  elevati assorbimenti
• Silicio duro e fragile, chimicamente inerte,
  adatto per applicazioni a temperatura variabile,
  resistente 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-1

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Applicazioni per i materiali coloranti

• Caratterizzazione di materiali coloranti (ottima
  per i coloranti) e di leganti
• Identificazione di prodotti di degradazione
• Monitoraggio di processi di degrado
• Caratterizzazione di materiali protettivi

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Spettri IR di pigmenti blu

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

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Pigmenti a base di ossidi di ferro
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Vantaggi dellIR

• versatilità può dare informazioni strutturali su
  un ampio range di materiali coloranti
• organici ed inorganici
• cristallini e non cristallini
• monomeriche o polimeriche
• rapidità di esecuzione
• accuratezza e precisione
• sensibilità discreta
• costi relativamente economici

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Spettroscopia Raman

• La spettroscopia Raman è forse la tecnica di
  analisi molecolare più potente tra quelle
  attualmente disponibili per lanalisi dei pigmenti

Essa può fornire informazioni sulla composizione
molecolare, i legami, lambiente chimico, la fase
e la struttura cristallina dei campioni in esame,
ed è quindi adatta allanalisi di materiali in
più forme gas, liquidi e solidi amorfi o
cristallini
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Effetto Raman

• La tecnica sfrutta un fenomeno fisico scoperto
  nel 1928 dal fisico Indiano C.V. Raman, che gli
  valse il premio Nobel nel 1931. 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
  leffetto Raman, appunto

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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

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Diffusione della luce

• Considerando linterazione 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 levento 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 106

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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. Linterazione 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, presente in uno stato vibrazionale
  eccitato h?1 decade dallo stato virtuale allo
  stato fondamentale emettendo un fotone ad energia
  h?0h?1 gt di quella incidente

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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 donda
della radiazione incidente ed energia h?0
i segnali corrispondenti alle interazioni
anelastiche in cui sono emessi fotoni ad energia
maggiore di quelli incidenti le cosiddette linee
antiStokes, con energia h?0h?1
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
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)
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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 lintensità
  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 laspetto quantitativo è
  scarsamente preso in considerazione in quanto la
  disomogeneità della superficie analizzata può
  inficiare la riproducibilità di una misura

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Esempio di spettro Raman

• Nello spettro Raman si ha in ordinata lintensità
  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 donda tra la radiazione
  osservata e la radiazione incidente
• Ds (soss - sinc) cm-1
• N.B. lenergia associata alla vibrazione è
  soltanto il Ds, non la s o la l 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 l 488 nm (equivalente a s
20492 cm-1), segnale Raman a 60 cm-1 (l 489,4
nm)
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• Riassumendo

• i segnali Raman cadono nel visibile o quantomeno
  nella regione spettrale del laser
• i Raman shifts cadono nellinfrarosso

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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
  100-700 cm-1, una regione spettrale di difficile
  utilizzo nellIR

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Confronto Raman - IR

• Le differenze energetiche tra la radiazione
  incidente, e quindi la radiazione Rayleigh, e le
  radiazioni Raman corrispondono in termini di
  lunghezze donda alla regione del medio
  infrarosso o MIR, ovvero nellintervallo 2.5-50
  µm (o nellintervallo di numeri donda 4000-200
  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

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• 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 nellIR,
  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 nellIR 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 nellIR e non nel Raman
  e viceversa
• A vantaggio della tecnica Raman sono il fatto che
  lacqua e il vetro non causano interferenze,
  diversamente dallIR, 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

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Esecuzione di una misura Raman

• Per ottenere lo spettro Raman di un campione si
  utilizza una sorgente monocromatica con lunghezza
  donda 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 nm
• Laser ad Argon, 488.0 nm o 514.5 nm
• Laser a He-Ne, 632.8 nm
• Laser a rubino, 694.3 nm
• Laser Nd-YAG (ittrioalluminiogranato drogato
  con neodimio), 1064 nm

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Utilizzo di laser diversi

• È importante sottolineare che lo spostamento
  Raman, per un dato legame ed un determinato modo
  di vibrazione, è indipendente dalla l di
  eccitazione, cioè dalla lunghezza donda 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 lutilizzo 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 nellottenere 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

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Qual è il laser migliore?

• La frequenza del laser impiegato, e quindi
  lenergia irraggiata sul campione, influenzano in
  maniera decisiva lo spettro Raman che si può
  ottenere. È necessario tenere conto dei seguenti
  aspetti

• lintensità di emissione Raman è proporzionale
  alla quarta potenza della frequenza della
  sorgente in altre parole, lemissione 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)
• lenergia 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 lirraggiamento, causando
  fotodecomposizione e quindi emissione di spettri
  Raman anomali

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Esempio

• Nellesempio 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)

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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 linformazione da pacchetti a
  spessore variabile dal campione, a patto che
  questo sia trasparente alla radiazione laser

59
Microscopia Raman

• Negli spettrometri Raman dotati di microscopio
  l'area interessata dallanalisi può essere
  limitata a poche unità fino ad alcune centinaia
  di µm2, 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

60

• Analisi di un pigmento di aspetto
  macroscopicamente grigio
• Limmagine al microscopio con obiettivo 100x
  (1000 ingrandimenti) chiarisce limportanza
  dellutilizzo del microscopio nellanalisi Raman
  i singoli grani possono essere caratterizzati
  separatamente

61
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

62
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 lintervallo di
interesse utilizzando lalgoritmo matematico
omonimo La focalizzazione del Laser sul campione
è possibile attraverso un sistema ottico semplice
(specchi o lenti) oppure, come detto in
precedenza, attraverso limpiego di un microscopio
63
Schema di uno strumento Raman dispersivo
64
Spettrometro FT-Raman da banco

• Inconveniente rivelatore al Germanio raffreddato
  con azoto liquido (negli strumenti dispersivi è
  un CCD)

65
Spettrometri Raman portatili

• Oltre agli strumenti Raman da banco esistono
  attualmente strumenti portatili, generalmente
  dispersivi, che attraverso limpiego 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 nellIR, non tagliano le
radiazioni Raman (che sono radiazioni UV-vis-NIR)
66
Analisi senza vincoli di ingombro

• Uno dei vantaggi dellimpiego 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 lutilizzo di una sonda
  esterna consente di non avere vincoli

Nellesempio illustrato è effettuata unanalisi
su un manoscritto di dimensioni notevoli, che non
potrebbe essere alloggiato su uno strumento da
banco
67
Analisi in situ di affreschi

• Unaltra applicazione limitata agli strumenti
  portatili è lanalisi 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

68
Limiti del Raman portatile

• Per ottenere uno spettro Raman ottimale, il
  campione deve essere posto alla corretta distanza
  focale dellobiettivo. 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, cè una forte
  possibilità che vibrazioni esterne inficino la
  misura causando la perdita di messa a fuoco

69
Applicazioni per i materiali coloranti

• Caratterizzazione di materiali coloranti (ottima
  per i pigmenti, meno per i coloranti) e di
  leganti
• Identificazione di prodotti di degradazione
• Monitoraggio di processi di degrado
• Caratterizzazione di materiali protettivi

70
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

• www.chem.ucl.ac.uk/resources/raman/index.html
• archivio di spettri Raman di pigmenti, uno dei
  primi e più importanti siti web dedicati
  allanalisi di pigmenti, gestito dallo University
  College London e in particolare dal Prof. R.J
  Clark, forse il massimo esperto di Raman e
  pigmenti
• www.fis.unipr.it./bersani/raman/raman/spettri.htm
  
• archivio di spettri di minerali, riferimento
  importante sia per i pigmenti sia per i materiali
  lapidei
• minerals.gps.caltech.edu/files/raman/Caltech_data/
  index.htm
• archivio di spettri di minerali del California
  Institute of Technology

71
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

72
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, lanalisi 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

73
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
74
Autenticazione di papiri egiziani

• Lanalisi 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 allasta. Essi erano attributi
  allepoca di Ramsete II (XIII secolo a.C.) e
  allepoca di Cleopatra (I secolo a.C.)

Siccome lautenticazione è legata
allidentificazione di pigmenti compatibili con
lepoca egiziana, insieme ai sei papiri ne è
stato analizzato uno sicuramente autentico della
XVIII dinastia (sotto), proveniente dal Petrie
Museum. Lanalisi è stata effettuata da R.J.
Clark dellUCL di Londra
75
Autenticazione di papiri egiziani

• Come si nota dalla tabella, nei papiri da
  autenticare (sfondo giallo) lanalisi delle parti
  colorate ha mostrato la presenza di pigmenti
  incompatibili con lattribuzione temporale dei
  documenti, a differenza del papiro autentico
  (sfondo verde)

76
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

77
Vantaggi del Raman

• versatilità può dare informazioni strutturali su
  un ampio range di materiali coloranti
• inorganici, organici (meno efficiente dellIR)
• cristallini e non cristallini
• monomeriche o polimeriche
• spettri più semplici da interpretare (picchi
  anziché bande)
• altissima risoluzione spaziale
• possibilità di analisi in situ
• acqua e vetro trasparenti

78
Spettroscopia UV-Visibile-NIR
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.
Lintervallo spettrale impiegato può essere
200-1100 nm, più comunemente 200-800 nm
La tecnica è meno informativa dellIR e del Raman
ma, a causa dellestrema 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
79
Modalità di misura
Come nella spettroscopia infrarossa, anche
nellUV-visibile è possibile effettuare le misure
secondo due modalità principali

• in 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 assorbite

80
Misure in assorbanza
Nelle misure in assorbanza o trasmittanza si
irraggia il campione con un intervallo di l ad
intensità I0 e si registra lo spettro delle
radiazioni che passano attraverso il campione con
intensità It lt I0 le l assorbite dalle molecole
del campione appaiono come massimi di
assorbimento o come minimi di trasmittanza
Questa modalità è valida per lanalisi di
campioni in soluzione (coloranti) o per campioni
solidi sufficientemente sottili o trasparenti,
es. polveri, film ha scarsissime applicazioni in
situ
81
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
allidentificazione delle sostanze ma possono
essere utili. Lesempio mostra lo spettro
UV-visibile in assorbimento di
unaldeide 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 unaltra
sostanza avente colore arancione, con differenze
non molto grandi sulle lmax
82
Misure in riflettanza
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)
La modalità in riflettanza è applicabile
allanalisi 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
83
Nella figura è esemplificata la capacità di
penetrazione delle tecniche molecolari che
impiegano radiazioni nellUV, nel visibile e
nellIR. La tecnica UV-visibile è quella più
superficiale
84
Spettri UV-vis in riflettanza
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
Spettro in riflettanza del pigmento blu
oltremare 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
85
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 campanasono i pigmenti blu e verdi (Azzurrite,
  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 o a
  sigmoide 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 lidentificazione è
  più difficoltosa

86
Esempi
Spettri in riflettanza di un pigmento verde
(malachite, dx), un pigmento rosso (cinabro, dx
basso) e un pigmento bianco (bianco piombo, sotto)
87
Pigmenti blu
blu oltremare
azzurrite
smaltino
indaco
88
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 lilluminazione sul campione,
mentre la fibra intermedia, posta a 45 rispetto
alle sorgenti, raccoglie la luce di riflettanza
diffusa evitando la riflettanza speculare Larea
investigata ha un diametro di 3-6 mm
89
Spettrofotometro portatile
Spettrofotometro UV-visibile-NIR di dimensione
estremamente ridotte Range spettrale 200-1100
nm Il segnale di emissione dalla lampada e quello
riflesso dal campione sono trasportati da una
fibra ottica
90
Riconoscimento di pigmenti bianchi
Nellesempio mostrato, tratto da Bacci et al.,
Journal of Cultural Heritage, vol. 4, pagine
329-336 (2003), 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)
91
Confronto tra spettri
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)
92
Monitoraggio del degrado di un pigmento
Effetto dellumidità sul massimo dello spettro in
derivata prima del Minio o Rosso Piombo