Prof. Emilio Mario Castellucci Prof. Marina Brustolon

Presentazione sul tema: "Prof. Emilio Mario Castellucci Prof. Marina Brustolon"— Transcript della presentazione:

1 Prof. Emilio Mario Castellucci Prof. Marina Brustolon
Fondo Sociale Europeo Corso per Collaboratore Restauratore dei Beni Culturali Prof. Marina Brustolon Spettroscopia vibrazionale IR e Raman

2 Spettroscopia infrarossa
h E’ una spettroscopia di assorbimento, nella regione dell’infrarosso. E’ una spettroscopia che coinvolge molecole E’ una spettroscopia basata sul moto vibrazionale dei nuclei nelle molecole

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4 Spettroscopia vibrazionale
Cominciamo dal caso più semplice: consideriamo il moto di vibrazione di una molecola biatomica A-A o A-B. Come impostare il problema? Dobbiamo considerare il moto dei nuclei, ma escludendo il moto di traslazione e di rotazione. Per escludere il moto di traslazione, consideriamo il baricentro fisso. Per escludere il moto di rotazione, assumiamo che i nuclei si muovano solo lungo l’asse internucleare.

5 P

6 Oscillatore armonico: moto classico
Rmax=Re+xmax Re ...la forza applicata allontana le palline, che giunte al massimo dell’elongazione ... Il moto è simile a quello di due masse collegate da una molla ideale... Rmin=Re-xmax Re ...ripassano per la posizione di equilibrio ... ...per avvicinarsi ad una distanza Rmin... Re Oscillatore armonico: moto classico ...e ripassare per la posizione di equilibrio, e così via ...

7 L’energia per le palline legate dalla molla dipende da quanto le allontaniamo dalla distanza di equilibrio: Energia E5 E4 E3 E2 E1 = 0 equilibrio …quindi possiamo variare a piacere l’energia della vibrazione

8 Ma per le molecole non è così!
…l’energia di vibrazione può assumere solo alcuni valori = energia quantizzata Energie permesse E4 E3 La frequenza di vibrazione cresce al crescere della costante di forza, e decresce al crescere della massa: E2 E=h E1

9 In conclusione: In una molecola biatomica la distanza tra gli atomi varia con un moto periodico che ha una frequenza che cresce al crescere della costante di forza del legame chimico, e decresce al crescere della massa degli atomi coinvolti. A seconda del livello di energia, il moto diventa più ampio. Il moto della molecola si trova con la massima probabilità al minimo livello di energia. E4 E3 E2 E1

10 Se arriva un fotone… Il moto della molecola si trova con la massima probabilità al minimo livello di energia. Se arriva un fotone che corrisponda alla differenza di energia tra due livelli, la molecola lo può assorbire, e il suo moto vibrazionale diventerà così più ampio. La frequenza alla quale la radiazione infrarossa viene assorbita ci dirà qual è la frequenza del moto della molecola, e questo ci dirà qual è la molecola. E2 h0 E=h0 E1

11 Lo spettro infrarosso Solo il fotone con la frequenza “giusta” viene assorbito e provova un aumento del moto vibrazionale. Per scoprire qual è il fotone con la frequenza giusta, dobbiamo variare gradualmente la frequenza della radiazione infrarossa, e registrare per quale frequenza c’è un assorbimento di energia.

12 Spettro di assorbimento
La radiazione IR di intensità I0 attraversa il campione. La sua FREQUENZA viene variata, e la radiazione non viene assorbita finché la frequenza  = 0 I I0 I fotoni alla frequenza 0 vengono assorbiti, e si vede quindi una riga spettrale centrata alla frequenza  = 0 0 

13 Modi di presentare lo spettro
Lo spettro può essere presentato come nella slide precedente (riga “negativa”), o come è presentato qui. In ogni caso, quello che conta è la frequenza (o il numero d’onda in cm-1) che corrisponde al centro della riga; l’intensità della riga; la larghezza della riga. 0 

14 Vibrazioni delle molecole poliatomiche
3N coordinate Le 9 coordinate cartesiane x1,y1,z1,...,z3 possono rappresentare qualsiasi moto. Ma vogliamo distinguere tra i moti che ci interessano (vibrazionali) e quelli che non ci interessano (rotazionali e traslazionali). I tipi di moti vibrazionali sono 3N-6, quindi per una molecola come questa che contiene tre atomi (N=3) i moti possibili sono 3

15 Modi normali di vibrazione
Nelle molecole poliatomiche sono presenti moti armonici di vibrazione detti modi normali in ciascuno dei quali gli atomi si spostano dalle loro posizioni di equilibrio con una frequenza caratteristica di quel particolare moto vibrazionale, con rapporti fissi di fase tra di loro. I modi normali di vibrazione si possono descrivere come insiemi di allungamenti e accorciamenti di legame (stiramenti, o stretching), o di piegamenti di legami (bending). Il moto relativo dei nuclei si indica con frecce.

16 I moti di vibrazione della molecola H2O
La somma dei due allungamenti è lo “stiramento simmetrico” La differenza dei due allungamenti è lo “stiramento asimmetrico” “piegamento” : cambia l’angolo di legame In tutti questi moti il baricentro rimane fisso.

17 Queste vibrazioni (“stiramento simmetrico” e “stiramento asimmetrico”) richiedono l’allungamento di legami: le “molle” che corrispondono all’allungamento di legami sono “dure”, e richiedono molta energia. Questo significa che la loro costante di forza k sarà grande. Questa vibrazione (“piegamento)” richiede di cambiare solo l’angolo tra i legami, e richiede meno energia dell’allungamento di legami: la “molla” è meno dura, la costante di forza k sarà più piccola.

18 h E2 E2 h E1 E1 stiramenti piegamenti 3562 cm-1 3756 cm-1 1595 cm-1

19 http://fy. chalmers. se/OLDUSERS/brodin/MolecularMotions/CCl4molecule

20 L’unità di misura e la grandezza nella spettroscopia IR
 numero d’onda in cm-1 cm-1

21 Zona dell’impronta digitale
Stiramento dell’ O-H Stiramento del CH3

22 Stretching O-H Stretching CH3
I gruppi funzionali hanno assorbimenti caratteristici. Le zone dell’impronta digitale dipendono dallo scheletro di tutta la molecola.

23 Esempio: come può variare il numero d’onda di un gruppo funzionale (carbonile C=O) in diverse molecole cm-1

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25 Le tecniche per la Spettroscopia Infrarossa
(IR)

26 Spettrometro IR con monocromatore
Al computer Sorgente Campione Riferimento Monocromatore Confronto dei raggi

27 Spettrometri IR La radiazione è prodotta da un filamento incandescente che emette nell’IR. La radiazione passa attraverso il campione, viene assorbita a certe frequenze, e arriva poi al detector che la analizza frequenza per frequenza. Gli spettri possono essere in assorbanza o in trasmittanza : trasmittanza assorbanza

28 Spettrometri IR Gli spettrometri IR con monocromatore sono oggi poco usati. Vengono preferiti (perché danno prestazioni migliori) gli spettrometri a trasformata di Fourier. Uno spettro IR fatto con uno strumento di questo tipo si indica con FT-IR. Le informazioni che si ottengono in FT-IR sono identiche a quelle che si potrebbero ottenere con uno strumento IR con monocromatore, ma il principio di funzionamento è diverso.

29 La spettroscopia IR per i Beni Culturali
Cosa si richiede ai metodi diagnostici per i BC? di non essere distruttivi, o microdistruttivi; di permettere l’esame in loco; di mappare l’opera nelle sue varie parti.

30 Micro FT-IR Metodo di indagine che combina la spettroscopia infrarossa e la microscopia ottica. Permette quindi di ottenere informazioni su porzioni molto piccole di campione. La zona sulla quale ottenere lo spettro viene identificata mediante il microscopio ottico. Lo stesso cammino ottico viene poi percorso dal raggio IR.

31 MICROSCOPIO INFRAROSSO
Oculari Obiettivo Stage portacampioni Regolazione condensatore Selezionatore sorgente luminosa Videocamera Spettrometro FT-IR

32 Micro-FTIR Gli spettri infrarossi possono essere raccolti in:
Analisi di superficie e bulk Risoluzione spaziale limitata 100x100 mm in riflessione, 50x50 mm in ATR Facilità nel preparare il campione Pigmenti ossidici non si identificano Le sostanze organiche si identificano molto bene Micro-FTIR Gli spettri infrarossi possono essere raccolti in: Trasmissione Riflessione Riflessione interna (Attenuated Total Reflection, ATR)

33 Superficie riflettente (vetro dorato, o lamina metallica)
Componente speculare Trasmissione Campione Finestra di NaCl 1 - TRASMISSIONE Campione 2 - RIFLESSIONE RAS Componente speculare Trasmessa Vetrino dorato Componente trasmessa Superficie riflettente (vetro dorato, o lamina metallica) Il porta campioni può essere un dischetto di KBr o di NaCl Riflessione Attenuated Total Reflection 3 - RIFLESSIONE Vetrino di supporto Campione spesso o opaco all’infrarosso Campione opaco all’IR ATR

34 STESURE PITTORICHE: Pigmenti Leganti Strato pittorico Supporto

35 Frammento di Stesura Pittorica: Azzurrite degradata a Malachite
Cu3(OH)2(CO3)2 Cu2(OH)2CO3

36 Riconoscere il legante con la spettroscopia IR
Olio o tuorlo d’uovo?

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38 Cosa aspettarsi dagli spettro IR di olio di lino e rosso d’uovo?
L’articolo riporta il confronto tra gli spettri FT-IR di Olio di lino a. fresco b. invecchiato 2. Rosso d’uovo 3. Una miscela dei due (idem) Cosa aspettarsi dagli spettro IR di olio di lino e rosso d’uovo?

39 L’olio di lino è un olio essicante, il che significa che indurisce per esposizione all'aria. E’ una miscela di vari trigliceridi che differiscono in termini di componenti degli acidi grassi. Per l'olio di semi di lino, i trigliceridi derivano principalmente dai seguenti acidi grassi: Gli acidi saturi acido palmitico (circa 7%) e acido stearico (3,4-4,6%), l’acido monoinsaturo acido oleico (18,5-22,6%), l’acido doppiamente insaturo acido linoleico (14,2-17%), l’acido triplamente insaturo α-linolenico (51,9-55,2%). Avendo un alto contenuto di esteri insaturi, l’olio di lino è particolarmente sensibile alle reazioni di polimerizzazione in seguito all'esposizione ad ossigeno in aria. Il risultato è l'irrigidimento del materiale, che dà l'apparenza di "asciugare". Un tipico trigliceride nell’olio di lino.

40 Rosso d’uovo C=O stretch occurs at approximately cm-1 N-H stretch in unsubstituted amides (-NH2) gives two bands near 3350 and 3180 cm-1. N-substituted amides have one band (-NH) at about 3300 cm-1. N-H bending occurs around cm-1 for primary and secondary amides. Il rosso d’uovo contiene trigliceridi come l’olio di lino. Ma inoltre contiene proteine, che a loro volta contengono aminoacidi. I gruppi funzionali degli aminoacidi si riconoscono da alcune righe caratteristiche nei loro spettri IR, dovuti al gruppo ammidico.

41 In alto: fresco e invecchiato. In basso: vecchio di 80 anni
Banda del C=O con forma caratteristica degli olii invecchiati (effetto della polimerizzazione) OLIO di LINO C=O C=O stretching O-H presente negli olii invecchiati Effetto della polimerizzazione C=O C=O

42 Bande dei trigliceridi
Bande tipiche delle ammidi Bande dei trigliceridi Rosso d’uovo fresco N-H stretching Rosso d’uovo invecchiato Olio di lino per confronto

43 Come distinguere la gomma arabica dalla chiara d’uovo : nella chiara d’uovo ci sono proteine, quindi le vibrazioni del gruppo amminico già viste per il tuorlo. Stretching del C-O Gruppo ammidico: indica la presenza di proteine 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 carta+chiara uovo carta + gomma arabica cm-1 A

44 Prof. Emilio Mario Castellucci
Tuorlo: Proteine + lipidi Bande dei trigliceridi NH, OH stretch. Stretching CH2 Chiara: Proteine e acqua. No lipidi IR e Raman 44

45 Prof. Emilio Mario Castellucci
Cera d’api Esteri di acidi grassi: CH3-(CH2)14-COO- Stretching CH alcani Stretching C=O Idrocarburi Bending CH         CH3-(CH2)29-CH3 Stretching C-O Cera paraffinica CH3-(CH2)xx-CH3 Idrocarburi IR e Raman 45

46 ferrocianuro ferrico, Fe4[Fe(CN)6]3.
Blu di prussia ferrocianuro ferrico, Fe4[Fe(CN)6]3. stretching Blu oltremare Lapislazzuli, (minerale lazurite) (Na,Ca)8(AlSiO4)6(SO4, S, Cl)2 SO4

47 Analisi spettroscopiche del colore in un manoscritto del XV sec.
Prof. Emilio Mario Castellucci Università degli Studi di Padova Analisi spettroscopiche del colore in un manoscritto del XV sec. Dott. Alfonso Zoleo Lezione per i Beni Culturali: 9/12/2009 IR e Raman 47

48 Prof. Emilio Mario Castellucci
Il manoscritto Il manoscritto (Codice 29) è un’opera del XV sec. che comprende tre lavori: La volgarizzazione delle Eroidi di Ovidio La volgarizzazione della Pulce, poema pseudoovidiano La Sfera, opera di cosmografia, astronomia e geografia di Gregorio Dati Il manoscritto è generalmente ben conservato, tranne alcune pagine miniate in verde presenti nella Sfera, che appaiono invece severamente deteriorate IR e Raman 48

49 Prof. Emilio Mario Castellucci
Le questioni Il Codice 29 ha subito di recente un completo restauro*: si sono rese necessarie della analisi delle aree degradate. In particolare sorgono due questioni: Perché le aree colorate in verde appaiono severamente deteriorate? Quale pigmento verde e quale legante sono presenti? La risposta a queste domande è fondamentale per indirizzare correttamente il restauro ! IR e Raman 49

50 Prof. Emilio Mario Castellucci
I campioni esaminati I campioni sono due frammenti spontaneamente distaccatesi dalle aree degradate Un frammento di pagina uniformemente colorato in verde su entrambe le facce Un frammento di pagina bianco frammento B frammento A IR e Raman 50

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Lo spettro IR del frammento verde Sono evidenti i seguenti segnali: Cellulosa: bande a 3300 cm-1 , 2950 cm-1 e 1035 cm-1 Proteine: bande a 1538 cm-1 e 1638 cm-1 (cosiddette Amide I e II) Ci sono alcuni picchi non ben identificati Carbonati o acetati (?): bande a 1402 cm-1 , 670 cm-1 cellulosa Lo spettro IR suggerisce la presenza di un legante proteico. IR e Raman 51

52 Prof. Emilio Mario Castellucci
Seconda fase Caratterizzazione specifica del pigmento e del legante mediante confronto spettrale con sistemi pigmento+legante prodotti in laboratorio ricerca storica trattati medioevali di tecniche artistiche ricette di pigmenti verdi e leganti dell’epoca spettro incognito ottenuto dal codice creazione di spettri EPR standard di confronto Confronto e risultati IR e Raman 52

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Ricerca storica: trattati consultati Cennino Cennini, “ Il libro dell’arte”, Toscana 1398 Autore anonimo, “ De arte illuminandi“, Napoli XII,XIII sec. Circa Autore anonimo, “Eraclius- De coloribus et artibus romanorum”, XIII sec. circa PIGMENTI VERDI Malachite: CuCO3 x 2Cu(OH)2, pigmento naturale Azzurrite : 2CuCO3 x Cu(OH)2, pigmento naturale Verdigris : (Cu(CH3COO)2 x Cu(OH)2 x nH2O) ,pigmento sintetico LEGANTI UTILIZZATI Colla di coniglio : Le colle animali sono dispersioni acquose colloidali di collagene. Tuorlo d’uovo : Il rosso d’uovo è un’emulsione tra una soluzione colloidale di proteine e lipidi. IR e Raman 53

54 Prof. Emilio Mario Castellucci
Conclusioni Le analisi dirette (XRD, XRF, IR, EPR) identificano il pigmento originale come un pigmento di Cu(II) e un legante di tipo proteico Le analisi dirette e la ricerca storica circoscrivono i possibili abbinamenti pigmento-legante, consentendo di riprodurre un numero limitato di campioni standards Il confronto spettroscopico (EPR) tra standards e codice 29 identificano l’abbinamento verdigris + rosso d’uovo come probabile impasto di colore originale IR e Raman 54