Tecniche spettroscopiche

Tra le tecniche spettroscopiche, la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FT-IR) è quella con cui sono stati svolti il maggior numero di studi. Valutando le variazioni di intensità delle bande di assorbimento relative alla lignina e alla cellulosa è stato possibile evidenziare alcuni processi di alterazione, confrontando il legno degradato con il legno sano. La tecnica FT- IR permette, infatti, di indagare in modo semiquantitativo i cambiamenti nel complesso lignina- cellulosa-emicellulose, facendo riferimento a specifiche bande di assorbimento relative ai legami presenti [63,64]. Nella Tabella 1.1 sono riportati alcuni valori caratteristici delle bande di assorbimento FT-IR per ottenere informazioni semiquantitative, riguardo al degrado delle varie componenti.

Tabella 1.1 Bande di assorbimento utilizzate nell'analisi FT-IR per ottenere informazione semiquantitative

sulla degradazione del legno [65]

Frequenza di

assorbimento Vibrazione corrispondente Tipo di informazioni ottenute

1740 cm-1 Stretching del carbonile Abbondanza della componente polisaccaridica

1240 cm-1 Stretching del legame C-O-C del

gruppo acetile o carbossile Degradazione delle emicellulose 1000-1200 cm-1 Fluttuazioni dello Stretching del

legame C-O Quantità delle catene laterali della cellulosa 1270 cm-1 Breathing dell'anello guaiacilico Quantità di lignina nelle conifere

1330 cm-1 _{Breathing dell'anello siringilico} Insieme alla banda a 1270 cm -1

è correlata alla quantità di lignina nelle latifoglie

Un’altra tecnica spettroscopica impiegata per indagare la composizione del legno archeologico è la spettroscopia Raman. Questa tecnica è ampiamente utilizzata nel campo dei beni culturali in

quanto è una tecnica non distruttiva. Nel caso del legno si possono indagare le distribuzioni di cellulosa e lignina nelle pareti delle cellule vegetali, ottenendo informazioni sui tessuti legnosi [66,67]. Uno svantaggio è la scarsa sensibilità, dovuta alla diffusione anelastica. Per aumentare la sensibilità è necessario migliorare il segnale Raman generato, utilizzando la variante della Raman chiamata SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy. Questa tecnica permette di amplificare il segnale della diffusione Raman facendo assorbire il campione su una matrice con superficie irregolare [68].

La tecnica Raman non è una tecnica comunemente impiegata per l'analisi del legno, tuttavia, sono stati effettuati studi su campioni di legno sano sia di latifoglie che di conifere, confrontando i segnali Raman del legno con segnali assegnati ai vari componenti polimerici del legno [66,67,69]. La tecnica applicata al legno saturo d'acqua è stata utilizzata da Christensen e dai suoi collaboratori [70] per studiare il legno impregnato d’acqua consolidato e non, confrontando i risultati con quelli ottenuti da un legno sano. La tecnica ha permesso di osservare nel legno archeologico una maggiore degradazione delle componenti polisaccaridiche rispetto alla lignina.

Un altro esempio di applicazione della tecnica Raman è uno studio effettuato da Petrou e collaboratori [71] su legni di pino e quercia archeologici risalenti al Neolitico, che ha permesso di identificare gli assorbimenti Raman caratteristici legati alla cellulosa, lignina ed emicellulosa. Si è potuto concludere che sia il legno dolce (Softwood) che il legno duro (Hardwood) erano ampiamente degradati.

Un'altra tecnica spettroscopica con potenzialità estremamente interessanti per lo studio della composizione chimica del legno è la risonanza magnetica nucleare (NMR) [72]. Le analisi con l'NMR allo stato liquido, sia monodimensionale che bidimensionale (esempio HMQC e HSQC), sono state utilizzate per quantificare i gruppi funzionali e i legami intermonomerici nella lignina [73]. È stato possibile evidenziare le differenza tra conifere e latifoglie e mostrare l'importanza del legame β-O-4 [74], comprendere strutture polimeriche ancora non osservate (unità spiro- dienoniche) [75], ed infine studiare le differenze dei percorsi biosintetici di piante geneticamente modificate [76]. La tecnica NMR allo stato liquido richiede però che il campione sia disciolto in un solvente deuterato, è quindi necessario un pretrattamento del campione prima di eseguire l'analisi. Nel caso dell'NMR allo stato solido invece non è richiesto nessun pretrattamento ma la tecnica è ancora poco sensibile e poco selettiva. Tuttavia alcuni sviluppi di questa tecnica, come ad esempio il disaccoppiamento ad alta potenza, la rotazione del

tecnica di elevato interesse preferibile per le analisi del legno archeologico [77,78]. Il legno archeologico saturo d'acqua è stato analizzato con CPMAS 13C NMR allo stato solido. È stato osservato che a causa dei processi di degrado la componente polisaccaridica subisce una intensa trasformazione, mentre la lignina subisce cambiamenti meno significativi. Questo è stato dedotto sulla base dell'abbondanza dei legami β-O-4 [77-79] . Con queste tecniche è stata indagata anche la demetilazione della lignina causata da attacchi fungini [80] e l'efficacia dei trattamenti di consolidamento con il PEG, grazie alla possibilità di poter osservare le interazioni tra legno e consolidante [81].

Per l'analisi del legno archeologico saturo d'acqua è stata impiegata anche la tecnica NMR quantitativa al 31P; per questo tipo di analisi il legno archeologico viene derivatizzato con agenti fosforilanti [82,83] . E’ stata possibile l'attribuzione precisa dei segnali di chemical-shift, ma le tecniche NMR richiedono una quantità di campione consistente per il settore dei beni culturali, circa 10 mg di campione [49].

Negli ultimi anni sono state sviluppate strumentazioni NMR portatili che sono in grado di effettuare analisi non distruttive in situ. Sono mirate a determinare il contenuto di acqua, la porosità, ed eventuali trattamenti subiti, correlabili ai tempi di rilassamento [84].

Sono state inoltre applicate all’analisi del legno anche diverse tecniche spettroscopiche che sfruttano i raggi X: la spettroscopia EDX (Energy Dispersive X-Ray) accoppiata al SEM, la fluorescenza a raggi X (XRF), la diffrazione a raggi X (XRD) e la microtomografia a raggi X (µ-CT). Il SEM-EDX è una tecnica molto utile in quanto permette di accoppiare le informazioni sulla distribuzione degli elementi alla morfologia [85]. E’ stata utilizzata per ottenere informazioni riguardo alle componenti inorganiche come organosilicati, allume, ferro e zolfo presenti all'interno del legno [3,30,32,60,86,87].

L'XRF fornisce informazioni quantitative sugli elementi presenti nel campione, mediante eccitazione con un fascio di raggi X, chiamato fascio primario [88]. La tecnica XRF è molto utilizzata nel campo dei beni culturali per l'analisi elementare in quanto non invasiva né distruttiva. Sono disponibili strumenti portatili che consentono di fare analisi sul campo [89]. Per migliorare le prestazioni, è possibile sfruttare la radiazione di sincrotrone SR (µ-XRF) che permette di ottenere elevate risoluzioni spaziali e spettrali [90]. L’SR-μ-XRF applicato al legno bagnato è stato utilizzato per determinare le componenti inorganiche; con la possibilità di eseguire scansioni in linea ed evidenziare le differenze di concentrazione a varie profondità [30,32,40,91].

la diffrazione a raggi X (XRD). Per l'identificazione e la caratterizzazione dei minerali [92]. Sono state utilizzate anche tecniche XRD con la radiazione di sincrotrone SR (µ-XRD) [29,32,35,40,52,93]. I minerali più comuni nel legno archeologico saturo d’acqua sono i solfati di ferro (pirite) e gesso. Inoltre, la cellulosa ha domìni cristallini, quindi l'analisi XRD può essere utilizzata per calcolare l’indice di cristallinità (CI) della cellulosa, che è stato utilizzato in alcuni studi per stimare lo stato di degrado della cellulosa nel legno archeologico [94]. Per un legno sano il CI della cellulosa ha un valore di circa 0.6. La riduzione di questo valore per un legno degradato è collegata all'alterazione della rete polisaccaridica [95-98].

Infine, le tecniche tomografiche ai raggi X sono state impiegate per la ricostruzione a livello cellulare dell'intera struttura del legno. In particolare la microtomografia a raggi X è in grado di fornire mappature delle sezioni trasversali, permettendo di ricostruire la struttura tridimensionale di diversi materiali [35,60,99]. E' risultata efficace anche per il legno, sia per quanto riguarda la determinazione della struttura [100] , sia per indagare gli effetti degli attacchi fungini [101]. Questa tecnica è stata impiegata anche con la radiazione di sincrotrone (SR-μ-CT) . È stata osservata in dettaglio sia la deformazione della struttura del legno degradato [102], sia la penetrazione di consolidanti applicati per la conservazione [59,103].