Attività 2.8 Un sistema innovativo per la diagnostica analitica microdistruttiva dei Beni Culturali

Lo sviluppo della spettrometria di massa (MS) come tecnica analitica all’avanguardia nello studio e nell’analisi di
sostanze di svariato genere, da una determinata prospettiva, può essere basato sull'invenzione e l'utilizzo di sorgenti
di ioni sempre più potenti e aventi un ampia gamma di applicabilità. A questo scopo nell’ultimo decennio si sono
sviluppate sempre più nuove tecniche di ionizzazione a pressione atmosferica che sfruttano diversi principi di
ionizzazione, e molte di queste tecniche tra l’altro si possono combinare tra di loro per meglio rispondere ai requisiti di
risoluzione in massa e nello spazio.
Nell’ottica di rispondere a quelli che sono i requisiti in termini di risoluzione spaziale, senza tralasciare il fine ultimo
della trasportabilità del’intero sistema di spettrometria di massa sono state investigate nei dettagli due nuove tipologie
di sorgenti ioniche per spettrometria di massa: DESI (desorption elettrospray ionizzation) e DART ( direct analysis in
real time).

DESI

I campioni esaminati dalle più comuni tecniche di spettrometria di massa non si trovavano nella loro naturale
collocazione, né potevano essere sottoposti a delle condizioni scelte in maniera arbitraria durante la fase di
acquisizione dello spettro di massa.
DESI è un nuovo metodo di ionizzazione che permette alla spettrometria di massa di essere utilizzata per registrare
spettri di sostanze in fase condensata nella loro collocazione naturale; è applicabile a campioni solidi, compresi
complessi materiali biologici, ma può anche essere applicata a liquidi, soluzioni congelate e di gas adsorbiti.

Nell’ottica di una possibile applicazione nell’analisi diretta di oggetti d’arte, un fattore che non si può trascurare è proprio l’utilizzo dello spray di solventi necessario per ottenere la ionizzazione degli analiti. Una caratteristica che si può comunque considerare
favorevole per l’appplicazione del DESI all’analisi diretta di oggetti d’arte è quella di variare l’angolo di incidenza del
fascio di ioni, quindi l’angolo tra la sorgente e l’ingresso dell’analizzatore, mediante l’uso di capillari di lunghezza
variabile, allo scopo di poter effettuare un’analisi in situ.

DART

il metodo di ionizzazione DART (Direct Analysis in Real Time) si distingue per essere una tecnica di ionizzazione che non fa uso
di solventi. In questo caso un flusso di gas di ioni contenente particelle metastabili (di solito elio o azoto) viene
indirizzato sul campione ed è responsabile del desorbimento e della ionizzazione delle molecole di analita presenti
sulla superficie del campione.

L’attività di ricerca è volta all’individuazione di nuove sorgenti ioniche, da utilizzarsi nello studio di oggetti d’arte, il cui sistema sia compatibile sia con le caratteristiche di trasportabilità dello spettrometro di massa, sia con la necessità di operare senza alterare lo stato di conservazione del campione e senza richiedere un suo pretrattamento.

In particolare, l’attività ha approfondito lo studio teorico delle caratteristiche del sistema di ionizzazione Plasma Assisted Desorption Ionizzation (PADI) il quale, operando a pressione atmosferica, ha la capacità di generare ioni con un plasma a bassa temperatura. 

La tecnica PADI, attraverso l’utilizzo di un flusso di elio quale gas di alimentazione, a pressione atmosferica, genera un plasma non termico, o freddo, con una temperatura di funzionamento di 25°C, prossima alla temperatura di ambiente.

Il PADI pertanto non riscalda il campione, ma consente di ottenere interazioni di superficie sia con gli atomi di elio metastabili, sia con ioni energetici e radicali, i quali interagiscono chimicamente con la superficie del campione in modo specifico.

Lo studio condotto ha interessato ad approfondire le caratteristiche di un’altra sorgente (AP/MALDI-MS) con caratteristiche in grado di interfacciarsi con uno spettrometro di massa trasportabile ed operante a pressione atmosferica, da applicarsi nelle analisi dei componenti organici dei manoscritti antichi.

Nei test AP/MALDI-MS condotti, è stata utilizzata una sorgente di ioni costituita da un laser pulsato ad azoto, mentre per l’analisi è stata impiegata una matrice costituita da un acido molto debole, la quale, depositata in quantità invisibili ad occhio nudo e su una piccola superficie del campione, garantisce il rispetto del principio della micro-distruttività.

Lo studio ha consentito di individuare la presenza di idrocarburi policiclici aromatici (PAH) all’interno della struttura di inchiostri utilizzati nella stesura di manoscritti medievali inoltre, per la prima volta, si dimostra che una tecnica di spettrometria di massa può essere utilizzata, con modalità microdistruttiva, per l’identificazione di inchiostri a base carboniosa.