Prof. Marina Brustolon

Spettroscopia vibrazionale

Fondo Sociale Europeo

Corso per Collaboratore Restauratore dei Beni Culturali

Spettroscopia infrarossa

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

h

3

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?

1. Dobbiamo considerare il moto dei nuclei, ma escludendo il moto di traslazione e di rotazione.

2. Per escludere il moto di traslazione, consideriamo il baricentro fisso.

3. Per escludere il moto di rotazione, assumiamo che i nuclei si muovano solo lungo l’asse internucleare.

5

P

ReIl moto è simile a quello di due masse collegate da una molla ideale...

...la forza applicata allontana le palline, che giunte al massimo dell’elongazione ...

...ripassano per la posizione di equilibrio ...

Re...per avvicinarsi ad una distanza Rmin...

Rmax=Re+xma

x

Rmin=Re-xmax

...e ripassare per la posizione di equilibrio, e così via ...

Re Oscillatore armonico: moto

classico

L’energia per le palline legate dalla molla dipende da quanto le allontaniamo dalla distanza di

equilibrio:

…quindi possiamo variare a piacere l’energia della vibrazione

E1 = 0 equilibrio

E2

E3

E4

E5

Energia

Ma per le molecole non è così!

…l’energia di vibrazione può assumere solo alcuni valori = energia quantizzata

Energie permesse

k

2

1

BA

BA

mm

mm

La frequenza di vibrazione cresce al crescere della costante di forza, e decresce al crescere della massa:

E1

E2

E3

E4

E=h

9

In conclusione:

E1

E2

E3

E4

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.

10

Se arriva un fotone…

E1

E2

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.

E=h0

h0

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

I

0

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 fotoni alla frequenza 0

vengono assorbiti, e si vede quindi una riga spettrale centrata alla

frequenza = 0

I0

13

Modi di presentare lo spettro

0

Lo spettro può essere presentato come nella slide precedente (riga “negativa”), o come è presentato qui. In ogni caso, quello che conta è

1. la frequenza (o il numero d’onda in cm-1) che corrisponde al centro della riga;

2. l’intensità della riga;

3. la larghezza della riga.

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

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.

La somma dei due allungamenti è lo

“stiramento simmetrico”

La differenza dei due allungamenti è lo “stiramento

asimmetrico”

In tutti questi moti il baricentro rimane fisso.

“piegamento” : cambia l’angolo di

legame

I moti di vibrazione della molecola H2O

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

E1

E2 E2

E1

h

stiramenti

piegamenti

3562 cm-1

3756 cm-1

1595 cm-

1

19

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

http://www2.ess.ucla.edu/~schauble/MoleculeHTML/PF5_html/PF5_page.html

http://www2.ess.ucla.edu/~schauble/MoleculeHTML/CHClF2_html/CHClF2_page.html

L’unità di misura e la grandezza nella spettroscopia IR

1

hc

E numero d’onda in

cm-1c

200-4000 cm-1

Zona dell’impronta digitale

Stiramento dell’ O-H

Stiramento del CH3

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

25

Le tecniche per la Spettroscopia Infrarossa

(IR)

26

Sorgente

Campione

Riferimento

Monocromatore

Confronto dei raggi

Al computer

Spettrometro IR con monocromatore

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 :

0II

T trasmittanza

lcTA logassorbanza

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?

1. di non essere distruttivi, o microdistruttivi;

2. di permettere l’esame in loco;

3. di mappare l’opera nelle sue varie parti.

Micro FT-IRMetodo 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

Micro-FTIR

• Analisi di superficie e bulk• Risoluzione spaziale limitata 100x100 m in riflessione, 50x50 m in ATR• Facilità nel preparare il campione• Pigmenti ossidici non si identificano• Le sostanze organiche si identificano molto bene

Gli spettri infrarossi possono essere raccolti in:

1. Trasmissione 2. Riflessione 3. Riflessione interna (Attenuated Total Reflection,

ATR)

Campione

Finestra di NaCl

1 - TRASMISSIONE

3 - RIFLESSIONE

Vetrino di supporto

Campione spessoo opaco all’infrarosso

Attenuated Total Reflection

Trasmissione

Riflessione

ATR

2 - RIFLESSIONE RAS

Componentespeculare

ComponenteTrasmessa

Vetrino dorato

Componente speculare Componen

te trasmessa

Superficie riflettente (vetro dorato, o lamina metallica)

Il porta campioni può essere un dischetto di KBr o di NaCl

Campione opaco all’IR

Campione

STESURE PITTORICHE:

Supporto

Strato pittoricoPigmen

ti

Leganti

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?

37

38

L’articolo riporta il confronto tra gli spettri FT-IR di

1. Olio di lino

a. fresco

b. invecchiato

2. Rosso d’uovo

a. fresco

b. invecchiato

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 1680-1630 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 1640-1550 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

C=O

Banda del C=O con forma caratteristica degli olii invecchiati (effetto della polimerizzazione)

Effetto della polimerizzazione

stretching O-H presente negli olii invecchiati

OLIO di LINO

C=O

C=O

C=O

In alto: fresco e invecchiato.

In basso: vecchio di 80 anni

42

Rosso d’uovo fresco

Rosso d’uovo invecchiato

Olio di lino per confronto

Bande tipiche delle ammidi

Bande dei trigliceridi

N-H stretching

43

Stretching del C-O

1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200

0.00

0.08

0.16

A

cm-1

carta + gomma arabica

1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200

0.00

0.08

0.16

A

cm-1

carta+chiara uovo

amide I e II

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

AO

N

H

Gruppo ammidico: indica la presenza di proteine

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.

44

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

0.28

0.30

cm-1

A

carta + tuorlo d'uovo

carta + chiara d'uovo

1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300

0.0

0.1

0.2

amide II

cm-1

A carta + tuorlo d'uovo

carta + chiara d'uovo

amide I

Stretching C=Oestere

O

N

H

Stretching CH2

Tuorlo:Proteine + lipidi

Chiara:Proteine e acqua. No lipidi

O

OR

N N

O

N

R

O

RR

NH, OH stretch.

Bande dei trigliceridi

45

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0A

bsor

banc

e

1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1)

Cera d’api

Stretching C=O

Stretching CH alcani

Bending CH

Esteri di acidi grassi:

        CH3-(CH2)29-CH3

Stretching C-O

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Abs

orba

nce

1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1)

Cera paraffinica

CH3-(CH2)xx-CH3

Idrocarburi

CH3-(CH2)14-COO-

Idrocarburi

46

Blu di prussia

ferrocianuro ferrico, Fe4[Fe(CN)6]3.

Blu oltremareLapislazzuli, (minerale lazurite) (Na,Ca)8(AlSiO4)6(SO4, S, Cl)2

NCstretching

SO4

47

Analisi spettroscopiche del colore in un manoscritto del XV sec.

Dott. Alfonso Zoleo

Università degli Studi di Padova

Lezione per i Beni Culturali: 9/12/2009

48

Il manoscrittoIl 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

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Le questioniLe questioni

• Perché le aree colorate in verde appaiono severamente deteriorate?

• Quale pigmento verde e quale legante sono presenti?

Il Codice 29 ha subito di recente un completo restauro*: si sono rese necessarie della analisi delle aree degradate. In particolare sorgono due questioni:

La risposta a queste domande è fondamentale per indirizzare correttamente il restauro !

50

I campioni esaminatiI campioni esaminatiI 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

51

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.

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Caratterizzazione specifica del pigmento e del legantemediante confronto spettrale con sistemi pigmento+legante prodotti in laboratorio

ricerca storica trattati medioevali di tecniche

artistiche

ricette di pigmenti verdi e leganti

dell’epoca

creazione di spettri EPRstandard di confronto

spettro incognito ottenuto dal codice

Seconda fase

Confronto e risultati

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1) Cennino Cennini, “ Il libro dell’arte”, Toscana 13982) Autore anonimo, “ De arte illuminandi“, Napoli XII,XIII sec.

Circa3) Autore anonimo, “Eraclius- De coloribus et artibus

romanorum”, XIII sec. circa

Ricerca storica: trattati consultati

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.

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• 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

Conclusioni