Diagnostica: Indagini invasive

Fonte: Testi liberamente tratti da Artis, Cd Rom realizzato all’interno del programma INFO 2000 della Commissione Europea. Direzione scientifica: Manfredi Faldi, Claudio Paolini. Documentazione scientifica: Manfredi Faldi; distribuzione Giunti Multimedia – Email:info@artenet.it  “Il Restauro dei dipinti e  sculture lignee” di  Giuseppina Perusini del Bianco Editore La Diagnostica – Indagini Invasive

Le tecniche di indagine analitiche e diagnostiche applicabili alle opere d’arte vengono di solito distinte in due grandi classi:

invasive, che richiedono il prelievo di un campione, cioè l’asportazione di quantità minime di materia dell’opera, da sottoporre ai vari esami (cromatografia, colorazione istochimica, etc.);
non invasie, che, come la radiografia ai raggi X o la riflettografia infrarossa, possono essere eseguite direttamente sull’opera interagendo con le superfici attraverso varie forme di energia.

I Metodo Invasivi

I metodi invasivi sono a loro volta distinti in

distruttivi ( i primi e per lungo tempo gli unici ad essere utilizzati), che comportano la modifica o la distruzione del campione esaminato e

non distruttivi che, come la spettrofotometria di riflettanza o la fluorescenza a raggi X, permettono lo studio della natura e della struttura del campione senza che questo venga modificato o alterato.

Quando alla soluzione di uno specifico problema che deve essere investigato si pone la possibilità di scelta fra le varie tecniche di indagine, la tendenza attuale è quella di dare quanto più possibile spazio alle tecniche non invasive. E’ doveroso, però, sottolineare che fra le tecniche che richiedono il prelievo vengono utilizzate soltanto quelle che necessitano di campioni piccolissimi. Il campionamento, cioè la scelta delle aree più significative e rappresentative, viene predisposto in modo da limitarsi ai prelievi veramente indispensabili e alle zone meno importanti in relazione al contenuto espressivo dell’opera. Inoltre i prelievi verranno effettuati, preferibilmente sui margini di lacune già esistenti, da persone esperte e con tecniche e strumenti scelti caso per caso: bisturi, siringhe, nastri adesivi, carotatrici, pennelli,etc.
La necessità di ricorrere ad esami di tipo invasivo è legata alla soluzione di specifici problemi analitici (ad esempio per l’identificazione di materiali organici e inorganici, di origine naturale o artificiale) e ad una serie di limitazioni legate ai metodi non invasivi (alcune imposte dai materiali stessi come nel caso della fluorescenza a raggi X che si attiva soltanto su prodotti inorganici).
La distruzione o modifica del campione si rende necessaria ad esempio con la cromatografia che permette di separare e dosare i componenti di un miscuglio o con le microanalisi che prevedono l’identificazione dei materiali attraverso l’osservazione al microscopio di formazioni di cristalli o di colorazioni caratteristiche a seguito di reazioni chimiche indotte.

La possibilità di conservare il campione intatto (esami invasivi non distruttivi) rende possibile un continuo aggiornamento in funzione dello sviluppo delle tecniche di analisi. La manipolazione del campione prevede a questo fine il suo inglobamento in resina poliestere e, nel caso dell’applicazione allo studio delle strutture pittoriche dei dipinti, un taglio perpendicolare alla superficie per permetterne lo studio in sezione (sezione stratigrafica). Ciò permette di ottenere numerosi dati analitici sulla composizione di ogni singolo strato, sulla loro successione, su ogni alterazione o modifica ad essi intercorsa, contribuendo all’elaborazione di metodi capaci di arrestare eventuali processi di degrado, all’individuazione di aggiunte o rifacimenti, nonché a chiarire alcuni aspetti dei materiali costitutivi rendendo notevoli contributi in campo storiografico attribuzionistico.

Note di approfondimento

La Stratigrafia

La stratigrafia consiste in un microcampione prelevato da un’opera d’arte lungo un piano perpendicolare alla sua superficie, in modo tale da evidenziare i vari strati della preparazione, del colore e
delle eventuali ridipinture da cui è composta l’opera.
Per l’esattezza esistono due tipi di stratigrafie:
le cosiddette

cross-section che hanno una sola superfìcie piana e

le sezioni sottili che hanno due superfici piane e parallele così ravvicinate fra loro da risultare semitrasparenti e quindi attraversabili da opportune radiazioni che servono per indagare la composizione del campione in esame.

Le sezioni vengono preparate nel modo seguente: il campione viene inglobato in una resina trasparente (acrilica, epossidica, poliestere ecc ) che poi viene fatta indurire con opportuni catalizzatori. Il blocchetto di resina viene quindi sezionato (col microtomo) e la sezione viene levigata con carta abrasiva molto sottile e montata fra due vetrini per sottoporla ali indagine col microscopio (ottico ed elettronico), con i raggi I.R., U.V. e con la microsonda elettronica nonché ad analisi chimiche e istochimiche.
Ovviamente per esaminare una stratigrafia ci si serve del microscopio (da 20x a 200x) come pure per effettuare eventuali analisi chimiche su questi microcampioni (per stabilire ad esempio la natura dei pigmenti usati). Montando sul microscopio una macchina fotografica si possono fotografare sia le stratigrafie sia le eventuali reazioni chimiche eseguite su di esse.

Le Analisi Chimiche e Istochimiche

L’analisi chimica

permette d’identificare gli elementi presenti in un campione (analisi qualitativa). Questo tipo di analisi, tuttora impiegato per le prove più semplici, viene sostituito sempre più spesso dalle analisi che si basano su mezzi fisici poiché permettono una maggiore precisione e soprattutto l’impiego di minori quantità di campione.
L’analisi chimica, che s’effettua soprattutto sui materiali inorganici (pigmenti d’origine minerale, sali inquinanti ecc.), consiste nel verificare la presenza o meno di un determinato elemento caratterizzante in un campione di cui si è già ipotizzata la composizione. Da quanto detto risultano evidenti i limiti di questo metodo che però, rispetto alle analisi attuate con mezzi fisici, presenta una maggiore facilità d’esecuzione e richiede minor attrezzatura.

Le analisi istochimiche,

che si basano soprattutto su reazioni colorimetriche, servono per identificare la classe di appartenenza e la localizzazione di una sostanza organica in una «sezione sottile».
Tali analisi sono dunque meno precise di quelle chimiche: possono stabilire, ad esempio, se un legante è proteico o oleoso ma non di quale tipo di proteina o di olio si tratti. Attualmente le analisi istochimiche servono soprattutto per distinguere i leganti di natura proteica da quelli di natura oleosa ma è ovvio che il riconoscimento dei leganti originali può venir disturbato dalle interferenze dovute a sostanze aggiunte in tempi successivi.
Per identificare i vari tipi di proteine presenti nelle opere d’arte (proteine dell’uovo, delle colle animali, della caseina) è in fase di studio l’impiego dell’immunofluorescenza.

Le Analisi Fisiche

Questo tipo di indagini ha il vantaggio di offrire risultati molto più precisi (qualitativi e quantitativi) ma richiede apparecchiature sofisticate e costose e dei tecnici in grado di utilizzarle e di interpretarne i risultati.
Ricorderemo fra queste:

La Cromatografia che, con microcampioni della sostanza in esame, permette di ottenere analisi qualitative (assai precise) e con talune tecniche (come la gascromatografìa) anche analisi quantitative. Va detto infatti che esistono diversi tipi di cromatografia che comunque si basano tutti sulla separazione delle diverse sostanze presenti nel campione (che va prima solubilizzato) e quindi sul loro riconoscimento. Le varie sostanze vengono distribuite in due fasi differenti di cui una (detta fase mobile) è in movimento rispetto all’altra (detta fase stazionaria). Quando le due fasi sono liquide si chiama «cromatografia di ripartizione», mentre quando la fase stazionaria è solida si chiama «cromatografia di assorbimento». Fra i diversi tipi di cromatografia ve ne sono alcuni (cromatografia su colonna, su carta o su strato sottile, ecc.) che richiedono una strumentazione piuttosto limitata e poco costosa mentre altri, come la gascromatografìa abbisognano di una strumentazione più complessa e costosa. Tuttavia anche la cromatografia su carta e su strato sottile non sono di semplice impiego per un restauratore poiché richiedono una lunga e complicata messa punto delle condizioni operative. Va detto inoltre che sia la cromatografìa su carta che quella su strato sottile sono più adatte all’esame delle sostanze idrofile (quali ad esempio i leganti proteici) che di quelle lipofìle (come i leganti oleosi).
Come s’è detto la più precisa fra questo tipo di analisi è la gascromatografìa che è particolarmente adatta all’esame delle sostanze organiche. Il campione, in questo caso, va prima volatilizzato ed il risultato è costituito da un grafico (gascromatogramma) i cui picchi sono caratteristici di ciascuna sostanza.
Di recente impiego è infine la pirolisi-gascromatografica che permette l’impiego della gascromatografia anche per sostanze non gassificabili. Tali sostanze vengono infatti sottoposte ad una scissione termica (pirolisi) portandole a 500-1000° C, il che ne provoca la scissione in piccole molecole gassose.

La Spettrofotometria di assorbimento, che si può attuare con radiazioni di U.V. o I.R., si basa sul fatto che, quando un fascio di radiazioni elettromagnetiche attraversa una sostanza, nel fascio trasmesso, alcune radiazioni con determinate lunghezze d’onda, diminuiscono d’intensità. Lo spettro delle radiazioni trasmesse, che viene registrato graficamente, prende il nome di «spettro di assorbirmento» ed è caratteristico di ciascuna sostanza. Con tale sistema si possono dunque effettuare analisi qualitative di sostanze organiche, impiegando i raggi I.R., o organiche e inorganiche, usando i raggi U.V., ed anche analisi quantitative che però sono limitate ad alcune sostanze e non sono molto precise. Bisogna ricordare infine che per l’indagine con i raggi U.V. il campione va preventivamente solubilizzato.

La Diffrattometria ai raggi X si applica unicamente alle sostanze inorganiche di natura cristallina (pigmenti minerali, prodotti di corrosione, materiali lapidei) e si effettua bombardando con i raggi X il campione da analizzare che li diffrange. I raggi X diffratti vengono registrati graficamente o per mezzo di una pellicola fotografica e, i risultati ottenuti, permettono di giungere al riconoscimento qualitativo e quantitativo delle sostanze presenti nel campione confrontando il grafico o la lastra ottenuti con quelli, già predisposti, di diverse sostanze cristalline.

La Fluorescenza ai raggi X si basa sul fatto che alcuni materiali colpiti da radiazioni elettromagnetiche con determinata lunghezza d’onda ne emettono altre con lunghezza d’onda superiore. Tale fenomeno può cessare col cessare della radiazione incidente (fluorescenza) o può durare anche dopo che questa è terminata (fosforescenza).
Ora alcuni elementi colpiti con raggi X, di nota lunghezza d’onda, emettono raggi X con lunghezza d’onda superiore ma strettamente correlata al loro numero atomico.
Analizzando così le radiazioni emesse (per mezzo di un particolare rilevatore che registra la lunghezza d’onda e l’intensità di tali radiazioni) si può giungere all’identificazione qualitativa e quantitativa degli elementi presenti nel campione. Questo tipo d’indagine è però limitata ai materiali inorganici.

La Spettrografia di emissione sfrutta il fenomeno per cui, fornendo energia termica o elettromagnetica ad una sostanza, gli elettroni in essa contenuti «saltano» a più elevati livelli di energia.
Cessata l’irradiazione gli elettroni tornano ai livelli originari emettendo radiazioni elettromagnetiche che corrispondono alla differenza di energia fra il livello di partenza e quello di arrivo. L’insieme delle radiazioni emesse costituisce uno spettro detto «di emissione» (registrato graficamente) che è caratteristico della sostanza eccitata. Tale sistema permette di effettuare indagini qualitative e quantitative su campioni anche piccolissimi e viene impiegato soprattutto per il riconoscimento dei metalli (è più adatto per le analisi elementari che per i composti).

La Spettrometria di assorbimento atomico analizza e registra l’energia assorbita dagli elettroni di una sostanza per saltare da un livello più basso ad uno più alto (il contrario della spettrografia di emissione). Questo tipo di indagine serve per effettuare analisi quantitative di elementi inorganici. La sostanza che contiene l’elemento da analizzare va prima diluita.

La Spettrometria di massa si basa su un processo di frammentazione delle molecole della sostanza da analizzare (che viene previamente gassificata) e quindi sulla separazione delle particelle che ne derivano (che sono differenti fra loro per il rapporto massa/carica elettrica). Le particelle così ottenute (investendo i vapori della sostanza con un fascio di elettroni ad alta energia cinetica) vengono rivelate da un detector e da un registratore per mezzo dei quali si ottiene lo «spettro di massa» da cui risultano il tipo e la quantità delle particelle presenti. Da ciò si può risalire alla composizione della sostanza in esame. Tale metodo d’indagine viene usato soprattutto per l’analisi qualitativa e quantitativa delle leghe metalliche.