Desenvolupament i evolució d’un sistema modificat de LA-ICP/MS per la caracterització no destructiva d’obres del Patrimoni Cultural

Abstract

[cat] La tècnica de LA-ICP/MS presenta certs avantatges respecte altres tècniques d'anàlisi molt interessants per l'aplicació en el Camp de l'estudi del Patrimoni Cultural. Per una banda l'Ablació Laser aporta la possibilitat de la presa de mostra no manual, metodologia en moltes ocasions, més adequada en termes de destructivitat que els mètodes tradicionals. D'altra banda l'ús d'un ICP/MS com a detector aporta un nivell de sensibilitat per a la detecció de majoritaris i minoritaris però també de components en molt baixes concentracions que permet l'obtenció de resultats amb molt poca quantitat de mostra. Malgrat això, el seu ús per la caracterització materials d'objectes del Patrimoni Cultural està molt restringit i fins a dia d'avui només es troben estudis aplicats a objectes ceràmics, metàl·lics i algunes aproximacions a materials d'arxiu, però no en l'aplicació específica a obra pictòrica. Una de les restriccions més importants ve relacionada amb les dimensions dels objectes, en general massa grans per ser analitzats en equips comercials. Des d'un punt de vista analític existeixen dos aspectes importants a tenir present per la caracterització material d'aquest tipus d'objectes. Per una banda la heterogeneïtat intrínseca que presenten, fet que implica una complexitat important per la gran varietat de materials i estructures que es poden trobar. Per l'altre, la necessitat de conservar la integritat física, el que limita en molts casos la metodologia i procediments que es poden aplicar. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat el desenvolupament d'un sistema de LA-ICP/MS per a la caracterització material no destructiva d'objectes del Patrimoni Cultural i la seva aplicació a diferents tipologies d'objectes, especialment a Pintura de Cavallet i Materials d'Arxiu. Dues de les aportacions més importants en el marc d'aquest treball han estat el desenvolupament d'un sistema òptic i la construcció d'una cel·la d'ablació. El sistema òptic permet dirigir el laser sobre un punt concret de l'objecte. A més permet també controlar tant el diàmetre del feix làser incident (diàmetre dels cràters d'ablació 100 µm) com la zona irradiada mitjançant una microcàmera de control. D'altra banda la cel·la d'ablació dissenyada és de fons obert i pot ser posicionada en qualsevol punt de l'objecte permetent l'anàlisi in situ sense restriccions en les seves mides, sense la necessitat d'extreure una mostra prèviament. Finalment l'aplicació de polsos successius sobre un mateix punt permet obtenir la informació estratigràfica, amb bona resolució espaial, tant en superfície com en profunditat. En l'aplicació a Pintura de Cavallet els objectius responen a l'avaluació del senyal obtingut, la capacitat d'identificar la composició tant de majoritaris com de minoritaris, així com la resolució en profunditat, per l'adquisició de la informació estratigràfica de capes pictòriques i de preparació, fent especial èmfasi en la capacitat de detectar capes primes com veladures. Aquesta fase es va dur a terme mitjançant l'anàlisi de pintures simulacre realitzades al laboratori i també amb obra real. En el cas d'obra real s'han analitzat dues pintures sobre taula, una amb tècnica al tremp Verge amb el nen i un àngel atribuïda a Jan Massys, i una a l'oli titulada Retrato de Piero de Medici 'il Gotoso', de Jacomo Pontormo. En ambdós casos s'ha determinat la composició tant de superfície com de capes subjacents i s'ha contribuït a la contextualització i atribució de les obres. En el cas de Material d'Arxiu, l'estudi s'ha centrat també en la caracterització material de manuscrits antics, fabricats a mà de draps i escrits amb tinta ferrogàl·lica. En aquest cas s'han estudiat les capacitats en termes de caracterització i distribució espaial en superfície, tant dels materials constitutius com dels efectes induïts per tractaments de conservació, en especial de desacidificació i laminació, avaluant els efectes de factors de corrosió i la seva influència en la conservació dels manuscrits. Per les dues aplicacions la tècnica ha aporta informació útil i es constitueix com una alternativa complementària a altres tècniques utilitzades en el camp com el SEM-EDX o FTIR.

[eng] Laser Ablation -ICP/MS is a technique which presents certain advantages regarding analysis of objects from Cultural Heritage field. In one hand the Laser Ablation device provides and alternative sampling procedure that may be more suitable for the analysis in this context. On the other hand the use of the ICP/MS as a detector, allows for the determination of the elemental composition in a wide range of concentrations with a minimum amount of material required. Nevertheless, its use for the material characterization of Cultural Heritage objects is highly restricted and only some experiences are published on the field of ceramic objects, metallic and some few cases study in manuscript analysis, but not on the analysis of paintings. One of the main drawbacks is the dimensions of the objects. As a consequence there are no commercially available instruments for LA-ICP/MS, including ablation cell, that permit the analysis of large objects like artworks neither Laser Ablation systems for “in situ” sampling had not been described until recently. From an analytical point of view, there are two primary concerns when characterizing works of art composition: the heterogeneity in the distribution of the components, at the macro and micro levels, and the need to preserve the physical integrity of each object In order to accomplish the analysis of objects regardless their size and material heterogenic composition, a specific optical system and ablation cell have been designed and coupled to the ICP/MS. The whole system has been applied on two different type of objects, easel Painting and Manuscripts, and some capabilities for each application evaluated. The capability of the developed LA-ICP/MS system for the analysis of paintings was evaluated in terms of damage produced on the artwork and its potential for stratigraphic composition determination by analyzing real painting such as the portrait of a member of the Medici Family attributed to Jacopo Pontormo, and a mannerist painting attributed to Jan Massys. Regarding the application to Manuscripts the main objective was the characterization of the original material composition and the effects of some restoration interventions in the pH, corrosion and degradation, evaluating the superficial resolution and the possibility to perform maps of the distribution. Results were compared with those obtained by SEM/EDX and FTIR.