Capitolo 1 – Stato dell’arte
1.7 Metodologie analitiche per il legno
1.7.4 Tecniche basate sulla pirolisi analitica
Un gruppo di tecniche impiegate per l'analisi dei polimeri lignicellulosici sono le tecniche basate su analisi termica e pirolisi analitica. Si basano sulla degradazione termica del materiale ligneo durante il riscaldamento in assenza di ossigeno. Le analisi termiche comprendono l'analisi termogravimetrica (TGA), l'analisi termica differenziale (DTA), la calorimetria a scansione differenziale (DSC), accoppiate con diversi analizzatori come lo spettrometro di massa [105] e lo FT-IR [106]. Queste tecniche forniscono informazioni sia riguardo ai range di temperatura a cui le varie componenti del legno subiscono degrado termico, sia sui tipi di legami presenti [105]. Confrontando diversi tipi di legno è stato osservato che la cellulosa viene completamente decomposta in un range di temperatura compreso tra i 320-400 °C [96], mentre la lignina inizia la sua decomposizione a 300 °C, fino a completa decomposizione a temperature molto elevate, anche intorno ai 900 °C [106,107]. Queste tecniche richiedono quantità di campione intorno ai 10 mg e quindi hanno applicazioni relativamente limitate nel settore dei beni culturali.
Le tecniche di pirolisi analitica sono invece estremamente vantaggiose in quanto possono essere accoppiate alla gascromatografia e alla spettrometria di massa. Sono considerate non distruttive poiché impiegano una quantità molto piccola di campione, intorno a 10-100 µg. La pirolisi analitica è eccellente per indagare matrici polimeriche complesse come il legno e si basa sulla decomposizione termica del campione in specie molecolari più piccole (prodotti di pirolisi), generati in seguito ad una breve esposizione del campione, in atmosfera inerte, ad alta temperatura. I prodotti di pirolisi hanno un peso molecolare sufficientemente basso da risultare idonee per l'analisi con GC-MS, ma sufficientemente alto per mantenere l'informazione riguardo
il polimero di partenza. La frammentazione del polimero che avviene durante la pirolisi è caratteristica della molecola di partenza e dipende sia dalla forza relativa dei legami, sia da parametri energetici come la temperatura, il tempo di riscaldamento etc [33]. La pirolisi della lignina genera una varietà di composti fenolici a struttura guaiacilica e siringilica, con catena alifatica in posizione 1 nell'anello aromatico.
Tra i prodotti di pirolisi del legno ci sono inoltre i prodotti di pirolisi derivanti dall'olocellulosa, tra cui i più importanti sono 1,6-anidro-β-D-glucopiranosio (levoglucosano) e 1,6-anidro-β-D- glucofuranosio. Oltre a questi composti sono stati individuati una serie di composti fenolici sostituiti, derivanti dalla rottura dei legami C-C e C-O della lignina. Da questi è possibile dedurre il tipo di lignina (siringilica, guaiacilica o p-idrossifenilica) [108,109].
La pirolisi è stata impiegata per studiare la cellulosa e la lignina di latifoglie, conifere, piante erbacee, la lignina residua dalla lavorazione della pasta di legno nella produzione della carta, il legno degradato da microrganismi, il legno archeologico e il legno fossile[110-121] . Gli studi effettuati hanno permesso di osservare le differenze nel legno e nelle sue componenti, in seguito ai vari processi di degrado.
Quando la pirolisi è accoppiata con GC/MS, i tempi variano in base alla durata della corsa cromatografica. L’accoppiamento con la gascromatografia ha il vantaggio della separazione dei prodotti di pirolisi nel tempo permettendone la singola analisi. Nel campo dei beni culturali sono presenti diversi lavori in cui è descritta l’analisi del legno archeologico mediante la tecnica Py-GC/MS [116,122-124]. E' possibile ottimizzare il processo di pirolisi per aumentarne l'efficienza analitica e l'applicabilità. I composti con funzionalità polari non sono idonei all'analisi cromatografica, data la loro scarsa volatilità e il loro carattere polare. Queste caratteristiche possono causare una bassa riproducibilità dei pirogrammi, una bassa sensibilità e forti effetti memoria [125]. Vengono a questo scopo utilizzate reazioni termicamente assistite; il campione viene pirolizzato in presenza di un reagente derivatizzante. Le reazioni più comunemente usate sono la metilazione e la sililazione. Per la metilazione il derivatizzante più impiegato è l'idrossido di tetrametilammonio (TMAH) che agisce sulle funzionalità acide e alcoliche. Questo tipo di derivatizzazione è stato ampiamente impiegato per lo studio del legno[126-129]. La metilazione, però, non è ottimale per la derivatizzazione del legno, in quanto, le funzionalità idrossiliche metilate, in particolare quelle fenoliche e le funzioni metossiliche della lignina, non sono distinguibili. Questa differenziazione è fondamentale nello studio della struttura chimica della lignina, in quanto le lignine sono classificate in base al contenuto reattivo di unità
che coinvolgono la lignina, nel corso della sua trasformazione, si hanno demetilazione e demetossilazione. Un tipo di derivatizzanti impiegati sono quindi gli agenti silanizzanti. I più utilizzati sono l' N-O-bis(trimetilsilil)-trifluoroacetammide (BSTFA) e l'esametildisilazano (HMDS). Questi trasferiscono il loro gruppo trimetilsilile alla funzionalità polare, per formare un legame sililestereo. La derivatizzazione in situ con HMDS è stata applicata in diversi studi nel campo dei beni culturali, per derivatizzare acidi grassi, amminoacidi e carboidrati [130-132].
La pirolisi è stata applicata oltre che in accoppiamento con la GC/MS anche in accoppiamento diretto con MS. Il pirogramma generato in quest’ultimo caso è molto complesso e di più difficile interpretazione, perchè i frammenti m/z generati dai prodotti di pirolisi derivano da più composti [111]. Una tecnica con queste caratteristiche è la spettrometria di massa ad iniezione diretta (DE-MS). In questo caso il campione di legno è posto su un filamento che viene riscaldato in maniera controllata. Il riscaldamento avviene direttamente all'interno della sorgente ionica dello spettrometro di massa. La DE-MS è stata impiegata anche per lo studio del legno archeologico [110,133].
Una tecnica pirolitica analoga, applicata di recente al legno, è l'analisi del gas evoluto, accoppiata alla spettrometria di massa (EGA-MS). Il campione viene degradato termicamente in atmosfera inerte mediante un lento riscaldamento controllato. I composti gassosi generati sono convogliati, con un flusso di elio, direttamente nello spettrometro di massa per mezzo di una colonna capillare. I prodotti di pirolisi vengono quindi ionizzati e analizzati in funzione del tempo. Si ottiene, così, il termogramma ionico totale (TIT) che corrisponde ai prodotti evoluti nel range di temperatura impostato. La potenzialità della tecnica sta nel poter combinare le informazioni riguardanti la termo-chimica e la termo-complessità (EGA) del campione, con la distribuzione dei composti (MS). L'EGA-MS è già stato impiegato per studiare materiali polimerici sintetici [134], la biomassa lignocellulosica [135-137] e per la prima volta al legno archeologico. In questa Tesi è stata applicata per la prima al legno archeologico consolidato. Tra tutte le tecniche esposte per l'analisi del legno sono state scelte, per questo progetto di Tesi, le analisi termiche: in particolare la Py(HMDS)-GC/MS e l'EGA-MS. Forniscono, infatti, informazioni sulle componenti legnose, trattate con diversi consolidanti, impiegando una quantità minima di campione, fattore fondamentale per i Beni Culturali. E’ una tecnica sensibile e veloce che permette di valutare lo stato di degrado dei biopolimeri e di analizzare macromolecole complesse, come olocellulosa e lignina, attraverso l’osservazione di molecole più semplici ed a più basso peso molecolare.
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