Applications of imaging spectroscopy to the chemistry of cultural heritage field

The aim of this doctoral dissertation is to study the application of imaging spectroscopy to the field of chemistry for cultural heritage. In particular, the LUXOR Laboratory of the IFN-CNR has built in collaboration with the DEI department of the University of Padua a transportable imaging spectroscopy device. In the present work, the potentialities of such kind of systems for the analysis of works of art and archaeological artefacts, mainly focusing on the applications on the chemistry for the cultural heritage field will be examined and discussed. Study of cultural heritage objects present difficulties arising from the particular features of these samples: they are precious and sometimes unique pieces that required novel analytical non-invasive methodologies. Although some of the issues that will be treated are originated from the characteristics of the specific approach adopted, they can be regarded as general problems concerning imaging spectroscopy technique that still is in its early stages of development in this area. Therefore, the work can be considered of great interest for the scientific community dealing with cultural heritage issues. Imaging spectroscopy (IS) extends the measurement domain of one-dimensional UV-VIS-IR spectroscopy to the two-dimensional domain providing information which can be used to characterize, to map and to monitor materials constituting works of art. It is a non-invasive technique and the developed measuring devices can be transportable. Considering the type of information acquired by this kind of system without sampling and contact, it seems obvious that this technique can represent a powerful tool for the cultural heritage field. The imaging spectroscopy device is built in order to acquire visible diffuse reflectance spectra of entire large-sized surfaces (up to 3meter wide). The collected data can be used to characterize, map and monitor materials constituting cultural heritage objects. The main part of the work is focused on the development of a measurement methodology with the IS device to acquire reflectance spectra. For this purpose, different samples has been studied, including several that were prepared ad hoc. Different tests had identified some problems on the methodology that had been successfully resolved. Laboratory replicas of paint films were also prepared and exposed to accelerated ageing process several times. During this procedure, the samples were monitored with the IS device that was able to study the optical changes suffered by the replicas. The results show that the developed measurement methodology with the IS device to collect reflectance spectra from 420nm to 850nm could represent a powerful analytical tool to characterize, differentiate, map and monitor painting materials (i.e. pigments). A similar procedure was employed to develop another measurement methodology with the IS device but in this case to collect spectra in transmittance mode in the same wavelength range. The purpose is to applied such method to study chromophores of glassy objects regarding the cultural heritage field as stained glass windows. Both developed measurement methodologies has being applied to the examination of artefacts in order to demonstrate its potentialities to solve real analytical issues regarding the cultural heritage field. The reflectance methodology was applied in situ to the interdisciplinary study of a mural painting during its restoration process. The results had permitted the identification of most of the pigments employed to elaborate the artwork, some of the materials employed in the restoration and had showed the benefits of a multi-technical non invasive and portable approach using imaging spectroscopy and X-Ray Fluorescence. The measurements on transmittance mode were used to the simultaneous characterization of numerous coloured glass tesserae of stained glass windows. The analysis through imaging spectroscopy had identified several chromophores of the samples studied. From the results obtained, imaging spectroscopy appears as an interesting and not fully exploited technique to study materials concerning cultural heritage objects. In the visible range, the principal application is upon the obtained results the characterization and/or differentiation, mapping and monitoring of pigments in paintings, manuscripts... However, due to its versatility it is also a powerful analytical tool to identify chromophores in glassy objects

Il proposito di questa tesi di dottorato è studiare le applicazioni della tecnica di spettroscopia ad immagine nel campo della chimica dei beni culturali. In concreto, il laboratorio LUXOR, struttura afferente all’IFN-CNR, in collaborazione con il dipartimento di ingegneria dell’informazione (DEI) dell’Università degli Studi di Padova, ha costruito uno strumento portatile che sfrutta la tecnica di spettroscopia ad immagine. Nel presente lavoro di dottorato, le potenzialità di questo tipo di sistemi per l’analisi di manufatti artistici sarà esaminato e discusso, focalizzando il lavoro principalmente nel campo della chimica per i beni culturali. Lo studio di questo tipo di oggetti presenta delle grosse difficoltà date le loro particolari caratteristiche. Normalmente sono pezzi unici e preziosi che richiedono nuove metodologie analitiche non invasive. Sebbene alcune delle problematiche trattate derivino dal particolare approccio adoperato, queste possono essere considerate come tematiche generali che riguardano la tecnica di spettroscopia ad immagine, che è ancora nelle prime fasi di sviluppo in quest’area. Per questo motivo, il presente lavoro può essere considerato di grande interesse per la comunità scientifica che si occupa delle problematiche riguardanti i beni culturali. La tecnica di spettroscopia ad immagine può essere vista come l’estensione in due dimensioni della spettroscopia puntuale UV-VIS-NIR. Le informazioni ottenute possono essere impiegate per caratterizzare, mappare e monitorare materiali che costituiscono i beni culturali. Si tratta di una tecnica non invasiva che permette di avere anche dispositivi portatili. Se si considera il tipo di informazioni raccolte con questi sistemi di misura, senza contatti né operazioni di campionamento, appare ovvio che la tecnica possa essere un potente strumento analitico nel campo dei beni culturali. Il dispositivo sviluppato permette l’acquisizione di spettri in riflettanza diffusa di vaste superfici (fino a 3 metri di larghezza). I dati raccolti possono essere usati nella caratterizzazione, mappatura e monitoraggio di materiali che costituiscono questo tipo di manufatti. La parte centrale di questo lavoro di dottorato si focalizza sulla messa a punto di una metodologia di misura per acquisire spettri in riflettanza diffusa tramite la spettroscopia ad immagine. Per realizzare questa operazione, diversi campioni sono stati studiati, inclusi alcuni preparati ad hoc. Alcune prove sperimentali hanno permesso di identificare problematiche nella metodologia sviluppata, ma sono stati risolti con esito positivo. Alcune repliche di laboratorio sono state preparate in forma di film pittorici che successivamente sono stati esposti a un processo d’invecchiamento accelerato ripetute più volte. Nel corso di questo procedimento, i campioni preparati sono stati monitorati mediante il sistema di spettroscopia ad immagine, che è stato in grado di seguire i cambiamenti nelle proprietà ottiche di queste repliche. I risultati mostrano che la metodologia di misura sviluppata per acquisire spettri in riflettanza diffusa nell’intervallo da 420nm fino a 850nm può presentarsi come un potente strumento analitico che permette la caratterizzazione, differenziazione, mappatura e monitoraggio di materiali usati nei film pittorici (ad esempio i pigmenti). Un procedimento simile è stato adoperato per mettere a punto una metodologia di misura mediante spettroscopia ad immagine per raccogliere spettri in trasmittanza nello stesso intervallo di lunghezze d’onda. Il proposito di questa operazione è applicare le misure effettuate in questa modalità allo studio di cromofori di oggetti vetrosi riguardanti i beni culturali come le vetrate artistiche. Ambedue i metodi di misura sono stati applicati per indagini di manufatti artistici con l’obbiettivo di dimostrare le potenzialità delle procedure per risolvere problemi analitici che riguardano l’ambito dei beni culturali. La metodologia in riflettanza è stata applicata in situ per lo studio interdisciplinare di un dipinto murale nel corso di un’operazione di restauro. I risultati hanno permesso l’identificazione della maggior parte dei pigmenti impiegati per realizzare l’opera, di alcuni materiali utilizzati nell’intervento di restauro e hanno mostrato i vantaggi di un approccio multi-tecnica, non invasivo ed effettuato con dispositivi trasportabili, accoppiando la spettroscopia ad immagine alla tecnica di fluorescenza X. Le analisi in trasmittanza sono state realizzate simultaneamente su un gran numero di tessere vetrose colorate di una vetrata artistica. Gli spettri raccolti hanno permesso l’identificazione di vari cromofori nei campioni studiati. Dai risultati ottenuti si può affermare che la spettroscopia ad immagine si mostra come una tecnica interessante e ancora non completamente sfruttata per lo studio di materiali riguardanti gli oggetti del campo dei beni culturali. Nell’intervallo del visibile, la principale applicazione sembra la caratterizzazione, differenziazione, mappatura e monitoraggio di pigmenti in dipinti, manoscritti, etc. Comunque, grazie alla sua grande versatilità, questa tecnica si è dimostrata anche un potente strumento per l’analisi dei cromofori impiegati nei manufatti vetrosi.