alpha-r in situ and in lab applications...mario schifano, notte tempo, 1986 quadro1 - blu kk...

ALPHA-RIn situ and in lab applications

Diego Sali

Bruker Italia Srl

lunedì 25 luglio 2011

25 luglio 2011 1

Summary

• Introduction: ALPHA-R, External Reflection technique, options

• Applications: Gems and stones

• Applications: Sculptures

• Applications: paintings and mural paintings – in lab and in situ analysis

• Applications: inks, ancient papers, parchments and manuscripts

• Applications: tapestries

• Applications: woods

• Demanding applications

• Acknowledgment

• Publications

• Bibliography

25 luglio 2011 2

The External Reflection Technique

• Specular Collection optics

• Collecting light reflected by the sample. Depending from the sample surface,

• Specular Component

• Diffuse Component

• Working Distance: about 15 mm

• Focus dimension: about 6 mm (diameter)

• Integrated Camera, Field of view 6 x 8 mm

25 luglio 2011 3

The External Reflection Technique

• Mixing of the reflectance components and presence of strong absorber(s) (Calcium Carbonate, Calcium Sulfate, Silica…) usually produce a spectrum difficult to manage

• Hard to use just Kramers-Kroenig or Kubelka-Munch Algorithm in the full spectral range

• Useful to use reference spectra

• Useful to use “NIR” spectral range

25 luglio 2011 4

Why to use the ALPHA-R?

• Really non destructive e non invasive analysis: sample is not heated up during the acquisition or the illumination with infrared light

• Measure what you look for with the high resolution integrated camera

• No interference with fluorescence

• Possible to obtain a spectrum almost from everything (wood, paper, pigments, paintings, stones, gems, tissues, plastics and polymers…)

• Possible to use wi-fi connection with notebook and battery for spectrometer

25 luglio 2011 5

Portability Option: transport bag

25 luglio 2011 6

Tripod Option

25 luglio 2011 7

Standard tripod with geared head and adaption baseplate with focus position adjustment

ALPHA-R

25 luglio 2011 8

ALPHA-R

25 luglio 2011 9

In Lab FT-IR Analysis

Gems and Stones

25 luglio 2011 10

Cooperation with S. Nunziante Cesaro, CNR Rome



Gems and Stones

25 luglio 2011 11



Gems and Stones

25 luglio 2011 12



Gems and Stones

25 luglio 2011 13

Emerald Orecchino.0

400600800100012001400160018002000

Wavenumber cm-1

510

15

20

25

30

Tra

nsm

itta

nce [

%]

Natural Emerald



Gems and Stones

25 luglio 2011 14

Emerald Imitazione (Quarzo sintetico verde).0

400600800100012001400160018002000

Wavenumber cm-1

05

10

15

20

25

30

35

40

Tra

nsm

itta

nce [

%]

Emerald imitation:Green quartz



Gems and Stones

25 luglio 2011 15

Diamond IIa CVD Window.0

100020003000400050006000

Wavenumber cm-1

0.6

00.6

20.6

40.6

60.6

80.7

00.7

20.7

40.7

6

Absorb

ance U

nits

CVD Diamond



Gems and Stones

25 luglio 2011 16

Diamond D Back.0

100020003000400050006000

Wavenumber cm-1

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Absorb

ance U

nits

Diamond on jewell

In Lab FT-IR Analysis: Test Samples

Measuring Reference Spectra

25 luglio 2011 17

Cooperation with C. Miliani et al., CNR Perugia


Red: Cleaned Stone

Blue: Coated stone

Sample: coated stone

D:\BRUKER\Bruker\DataBase articoli e specifiche strumenti\Beni Culturali\ALPHA REFL\Miliani\Tavole Melissa\pietra con ossalato.0 pietra con ossalato Alpha Refl accessory, 5 min

D:\BRUKER\Bruker\DataBase articoli e specifiche strumenti\Beni Culturali\ALPHA REFL\Miliani\Tavole Melissa\pietra non trattata.0 pietra non trattata Alpha Refl accessory, 5 min

06/11/2008

06/11/2008

5001000150020002500300035004000

Wavenumber cm-1

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Absorb

ance U

nits

Page 1/1



25 luglio 2011 18


Red: Coated Stone, REFL

Black: Calcium Oxalate

Monohydrate, TR

Reference

Spectrum

Conclusion:Calcium Oxalate on the stone

40060080010001200140016001800

Wavenumber cm-1

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Arb

itra

ry U

nits

Sample: coated stone

25 luglio 2011 19



In situ FT-IR Analysis: Sculptures

Italy, Florence, Loggia dei Lanzi, Jun 2011

Giambologna, Ratto delle Sabine, XVI Century

25 luglio 2011 20

C. Miliani et al., CNR-ISTM SMAArt Perugia




25 luglio 2011 21


10002000300040005000

Wavenumber cm-1

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Abs

orba

nce

Uni

ts

Non treated sample

Treated Sample

Treatment with Ammonium Carbonate




25 luglio 2011 22


600800100012001400160018002000

Wavenumber cm-1

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Abs

orba

nce

Uni

ts

Treated Sample

Calcium Oxalate, TR Ref spectrum

Cooperation with Diego Cauzzi, Soprintendenza BSAE di Bologna

In situ FT-IR analysis: Mural Paintings

Italy, Bologna, Palazzo Fava - Dec, 2008

Francesco Albani, XVI Century

25 luglio 2011 23

Cleaned

Non treated





25 luglio 2011 24

Sala Albani Parete Ovest Non trattato Campione 1.0

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

Absorb

ance U

nits

Non restored

Calcium SulfateCalcium Carbonate


Terpenic Varnish




25 luglio 2011 25

Sala Albani Parete Ovest trattato opd piede campione5 dx.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

Absorb

ance U

nits

Cleaning Test:Varnish and CaSO4Removed

Calcium Sulfate Removed

Calcium Carbonate





25 luglio 2011 26

Sala Albani Parete Ovest prova pulitura opd campione4 sx.0

Calcium Oxalate Monohydrate C2CaO4 H2O 98percento Wehwellite.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

Absorb

ance U

nits

Cleaning TestDifferent treatment,CaSO4 and varnish removed,Oxalate present

Calcium Oxalate,TR Reference Sectrum





25 luglio 2011 27

Cooperation with F. Monti and L. Olivato, University of Verona, and G. Poldi, University of Bergamo (1)


Italy, Verona, San Bernardino Church (XV

Century), Sala Morone – Apr, 2010

25 luglio 2011 28

M Gradino verde scuro.0

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

Absorb

ance U

nits

Malachite





25 luglio 2011 29

Sample, KK converted

Beewax, Abs Ref Spectrum

25 luglio 2011 30






Sample, KK converted Green Earth, Abs

Ref Spectrum

CalciumOxalate, Abs Ref Spectrum

25 luglio 2011 31






Italy, Bologna, San Colombano Church - May 2010

Still not attributed, XIII Century

25 luglio 2011 32


Quantification of CaCO3 and CaSO4 on the surface in order to evaluate different restoration treatments


Italy, Bologna, San Colombano Church - May 2010

Still not attributed, XIII Century

25 luglio 2011 33

Cooperation with M. Positano, EmmeBi Arte - Roma

In situ FT-IR analysis: Mural PaintingsItaly, Rome, Chiesa del Gesù - Dec 2010

F. Zuccari, La cacciata degli angeli ribelli, XVI-XVII Century

25 luglio 2011 34

Cooperation with M. Positano, EmmeBi Arte - Roma

Sample, RawRefl Spectrum

Lapislazzuli, Abs Ref Spectrum

In situ FT-IR analysis: Mural PaintingsItaly, Rome, Chiesa del Gesù - Dec 2010

F. Zuccari, La cacciata degli angeli ribelli, XVI-XVII Century

25 luglio 2011 35


In situ FT-IR analysis: Oil Paintings

Italy, Bologna, Restoration Lab - Aug, 2009

Nunzio Rossi, Chiesa della Certosa, XVII Century

25 luglio 2011 36

Tempera pulita Punto1 Cielo centrale.0

Tempera Bianco Piombo.0

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

Absorb

ance U

nits

Sample

Lead White Reflectance Reference Spectrum

Identification


25 luglio 2011 37

In situ FT-IR analysis: Oil Paintings

Italy, Bologna, Restoration Lab - Aug, 2009

Nunzio Rossi, Chiesa della Certosa, XVII Century

Cooperation with P.P. Lottici, D. Bersani, A. Casoli, University of Parma (5)

In situ FT-IR analysis: Modern Paintings

Italy, Parma, CSAC - Gen, 2010

Mario Schifano, Notte tempo, 1986

25 luglio 2011 38


Quadro1 - Blu.0

Quadro1 - Bianco.0

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

1.6

01.7

01.8

01.9

02.0

02.1

02.2

02.3

0

Absorb

ance U

nits

Blue Pigment

White Pigment

Raw Reflection Data

25 luglio 2011 39




Quadro1 - Bianco KK Converted.0

Alkyd Basell.0

600800100012001400160018002000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Absorb

ance U

nits

White Pigment Sample,KK converted

Spectral Sum:Nitrocellulose + Alkidic Resin+ Titanium White PigmentRef Spectra


25 luglio 2011 40




Quadro1 - Blu KK Converted.0

Poly(methyl methacrylate-ethyl acrylate).0

400600800100012001400160018002000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Absorb

ance U

nits

Blue Pigment Sample,KK converted

Spectral Sum:Poly(methyl methacrylate:ethylacrylate),3:2 + Cobalt Blue Ref Spectra


25 luglio 2011 41




In situ FT-IR analysis:

Italy, Bologna, Pinacoteca Nazionale - May, 2009

Polittico di Giotto, XIV Century

25 luglio 2011 42

Bibliografy:“Il polittico di GIOTTO nella Pinacoteca Nazionale di Bologna. Nuove letture”, D. Cauzzi, C. Seccaroni – Centro Di, 2009

Cooperation with Diego Cauzzi, Soprintendenza BSAE di Bologna (3, 4, 6)





25 luglio 2011 43

Analysis integrationwith handled XRF





25 luglio 2011 44

Madonna Punto1.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

Absorb

ance U

nits

Lapis, (Ultramarine Blue)





25 luglio 2011 45

Gabriele Punto4.0

Calcium Sulfate CaSO4G.0

Dammar.0

WEWELL-2.SPC

40060080010001200140016001800

Wavenumber cm-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Absorb

ance U

nits

Measured Point Terpenic Varnish Ref

Sample

Calcium Oxalate Ref

Calcium Sulfate Ref





25 luglio 2011 46

Cooperation with Opificio delle Pietre Dure (Florence) and CNR-Florence

In lab FT-IR analysis: Test samples

Pigments and ligands

25 luglio 2011 47

Cooperation with Opificio delle Pietre Dure (Florence) and CNR-Florence

Preeparazione con vernice 2 Oro.0

Preeparazione con vernice 2.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Absorb

ance U

nits

Ground Layer with varnish

Ground Layer with varnish(gold leaf substrate)



25 luglio 2011 48

Cooperation with Opificio delle Pietre Dure (Florence) and CNR-Florence Preeparazione con vernice 2 Oro.0

Preeparazione con vernice 2.0

Dammar.0

40060080010001200140016001800

Wavenumber cm-1

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Absorb

ance U

nits

Ground Layer with varnish(KK converted)

Ground Layer with varnish(gold leaf substrate)

Terpenic varnish Ref Spectrum



25 luglio 2011 49

Cooperation with Maurizio Aceto, University of Piemonte Orientale

In lab FT-IR analysis: Inks and papers

Ancient papers and manuscripts

25 luglio 2011 50


Pergamena e Inchiostro Ferro Gallico 10.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

Absorb

ance U

nits

Iron Gall Ink



25 luglio 2011 51

100020003000400050006000

Wavenumber cm-1

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

Tra

nsm

ittan

ce [

%]




25 luglio 2011 52

Parchment and Sepia inkReflectance spectrum

100015002000250030003500

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0




25 luglio 2011 53

Parchment and Sepia inkRed: ATR (Ge Crystal)Black: KK converted spectrum

100015002000250030003500

Wavenumber cm-1

-0.0

04-0

.002

0.00

00.

002

0.00

4

Abs

orba

nce

Uni

ts




25 luglio 2011 54

Ultramarine Blue (synthetic)Red: ATR (Ge crystal)Black: KK converted spectrum


In situ FT-IR and Raman analysis:

Italy, Bologna, Pinacoteca Nazionale - Feb, 2010

Francesco Francia, Mural Painting, XVI Century

25 luglio 2011 55

Pigmento Blu.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

Absorb

ance U

nits

Azzurrite





25 luglio 2011 56

Cooperation with Diego Cauzzi, Soprintendenza BSAE di Bologna25 luglio 2011 57




Francia 8 rosa manica.0

Francia 1 rosso.0

20040060080010001200

010000

20000

30000

40000

50000

Ram

an I

nte

nsity

Senterra, 785nmRed:Red PigmentBlack: Pink pigmentCorrected Baseline

Vermilion Pigment Identified


25 luglio 2011 58




Courtesy of Gallery Moshe Tabibnia

Cooperation with MATAM Cultural Association (Milan), G. Poldi, University of Bergamo and S. Bruni, University of Milan (2)

In situ FT-IR analysis: TapestriesItaly, Milan, Gallery Moshe Tabibnia, Headquarters of MATAM (Museum

of Antique Textile Arts in Milan) Cultural Association – April, 2010

Kaitag from MATAM Collection

25 luglio 2011 59




25 luglio 2011 60




Av.27

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

2.0

2.5

3.0

3.5

Absorb

ance U

nits

Sample21A: Cotton


25 luglio 2011 61




Av.28

10002000300040005000

Wavenumber cm-1

2.0

2.5

3.0

3.5

Absorb

ance U

nits

Sample21F: Silk


25 luglio 2011 62





In Lab FT-IR analysis: Woods

Test samples – Feb, 2010

25 luglio 2011 63

Pero.0

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

Absorb

ance U

nits


25 luglio 2011 64

In Lab FT-IR analysis: Woods

Test samples – Feb, 2010

Cooperation with V. Maggi, University of Milano Bicocca and A. Marcelli, INFN LNF

Boxing the ALPHA…

High-End Applications:

Analysis on ice: ALPHA at low temperature! –

July, 2010

25 luglio 2011 65

Cooperation with V Maggi, University of Milano Bicocca and A. Marcelli, INFN LNF

ALPHA Boxed!

25 luglio 2011 66



July, 2010


Into the cold chamber

25 luglio 2011 67



July, 2010


The Experiment

25 luglio 2011 68



July, 2010


\\tsclient\C\Users\Diego Sali\Desktop\Alpha-R\Maggi - Milano\MilliQ1.2 MilliQ1 ALPHA-R, -18°C 20/07/2010

1000200030004000500060007000

Wavenumber cm-1

0.00.5

1.01.5

2.0Tr

ansm

ittanc

e [%]

Page 1/1

Reflection Raw Data

25 luglio 2011 69



July, 2010


\\tsclient\C\Users\Diego Sali\Desktop\Alpha-R\Maggi - Milano\MilliQ1.2 MilliQ1 ALPHA-R, -18°C

5001000150020002500300035004000

0.00.2

0.40.6

0.81.0

Page 1/1

Absorption spectrum (KK converted)

25 luglio 2011 70



July, 2010

Bruker Optics Milan would like to thank all the colleagues and customers involved into the development of these applications.

A special mention goes to:

• Costanza Miliani and her group pushing us into the right direction and for sharing her experience

• Stella Nunziante Cesaro for all the time spent together and for the idea of the application of such a technique on gems and stones

• Diego Cauzzi for all the useful discussions and for giving us the possibility to directly test the ALPHA-R on many famous art works

25 luglio 2011 71

Acknowledgment

Publications

Ref Title Author Reference ALPHA-R Year Editor

1Storia, conservazione e tecniche nella libreria

Sagramoso in San Bernardino a VeronaM . Molteni

pagg 152-163, Efficacia delle analisi

spettroscopiche integrate – FTIR, XRF

e vis-RS – sulle pitture della Libreria

Sagramoso. G. Poldi, D. Sali

2011 ZeL Edizioni

2Kaitag, arte per la vita. Tessuti ricamati del

DaghestanAAVV

pagg 121-136, Sul colore dei Kaitag.

S. Bruni, E. De Luca, V. Guglielmi, G.

Poldi, F. Pozzi

2010 Silvana Editoriale

3

Ricerche per lo studio e la valorizzazione dei beni

culturali - Sperimentazioni in Emilia-Romagna - Atti

del Convegno, Ferrara 26 Marzo 2010

Ministero per i beni e le

attività culturali

Cover + pagg 8-19, Il Polittico di Giotto

della Pinacoteca Nazionale di

Bologna: primo caso di applicazione di

una nuova strumentazione per l'analisi

FT-IR in situ. D. Cauzzi, D. Sali

2010Ministero per i beni e le attività

culturali

4

Restauro: sinergie tra pubblico e privato - XVII

Salone dell'Arte del Restauro e della

Conservazione dei Beni Culturali a Ambientali -

Ferrara 24-27 Marzo 2010

Ministero per i beni e le

attività culturali

Pagg 173-175, Il Polittico di Giotto

della Pinacoteca Nazionale di

Bologna: primo caso di applicazione di

una nuova strumenazione per l'analisi

FT-IR in situ. D. Cauzzi, D. Sali

2010Ministero per i beni e le attività

culturali

5

Studio mediante tecniche spettroscopiche delle

opere pittoriche Notte Tempo (In Italia) e Senza

Titolo di Mario Schifano

K. Tama, Tesi di Laurea.

Relatori: A. Casoli, P. P.

Lottici. Correlatore: D. Sali

2010

Università degli Studi di Parma,

Corso di Laurea Specialistica

in Scienze per i Beni Culturali

6Il Polittico di Giotto nella Pinacoteca di Bologna -

Nuove lettureD. Cauzzi, C. Seccaroni

Pagg. 52-57, Analisi FT-IR in situ con

strumentazione portatile. D. Cauzzi, D.

Sali

2009 Centro Di

25 luglio 2011 72

Bibliography

• Bands for the Analysis of the CaSO4–H2O System by Mid-Infrared ReflectionSpectroscopy, F. Rosi et al., App. Spec. 64, 8 (2010)

• CO2 entrapment in natural ultramarine blue, C. Miliani et al., Chem. Phys.Lett. 466, 148-151 (2008)

• Indagini FTIR in Riflettanza, C. Miliani et al., in Raffaello: la rivelazione delcolore. Il restauro della “Madonna del Cardellino” della Galleria degli Uffizi,a cura di M. Ciatti, C. Frosinini, A. Natali, P. Riitano, Firenze (2008)

• Fiber-Optic Fourier Transform Mid-Infrared Reflectance Spectroscopy: ASuitable Technique for in Situ Studies of Mural Paintings, C. Miliani et al.,Appl. Spec. 61, 293 (2007)

• Reflection anomalies related to n=1, A. Roeseler and E-H Korte, Vibr.Spec. 43, 145-163 (2007)

• Mid-Infrared Fiber Optics Reflectance Spectroscopy: a Non-InvasiveTechnique for Remote Analysis of Painted Layers. Part I – Technical Set Up,Fabbri et al., Appl. Spec. 55 (2001) 420

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alpha-r in situ and in lab applications...mario schifano, notte tempo, 1986 quadro1 - blu kk...

Documents