Nel campo dei Beni Culturali, la caratterizzazione dei materiali risulta fondamentale per la loro conservazione. Tra questi, i coloranti organici rappresentano la sfida analitica più difficoltosa, in quanto la loro complessa determinazione in un oggetto d'arte, congiunta alla necessità di conservazione dello stesso, ha imposto la ricerca di procedure estrattive sempre meno invasive, al fine di ridurre la quantità di materiale da campionare e garantire la stabilità del pattern molecolare estratto. In questa prospettiva, l'obiettivo di AGLAIA è l'individuazione di protocolli di estrazione controllata su gel di coloranti organici da manufatti artistici, che siano anche substrati versatili per l'analisi multi-tecnica ed eliminino il campionamento invasivo.
Nel progetto verranno testati gel commerciali, i Nanorestore Gel®, per l'estrazione di coloranti diversi da matrici pittoriche differenti e si valuterà la loro compatibilità con più soluzioni estraenti. Il fine ultimo è la creazione di un protocollo di estrazione mediante gel rigido che permetta di avere un'azione localizzata unicamente sull'area di interesse, impedisca una diffusione lesiva del solvente nelle zone limitrofe dell'opera e consenta un'estrazione dell'ordine dei nanogrammi, sufficiente per analisi ad alta sensibilità.
Il substrato di estrazione avrà una duplice funzione: in primo luogo, farà da supporto per le indagini diagnostiche non invasive, quali tecniche spettroscopiche (Fourier Transformed InfraRed - FTIR; fluorescenza; Surface Enhancement Raman Scattering - SERS), eseguite direttamente sul gel. Tramite la ri-estrazione del colorante e il clean up, si procederà poi alla caratterizzazione completa del pattern molecolare con cromatografia liquida interfacciata a spettrometria di massa (UHPLC-MS). Alla fine del progetto, si arriverà all'identificazione della migliore procedura estrattiva, con potenzialità per il design di nuovi device di campionamento, utilizzabili per i beni culturali e non solo.
L'utilizzo di soft matter per il campionamento e l'analisi di composti organici da matrici di interesse storico-artistico rappresenta una linea di ricerca recente, che ha mosso i primi passi circa un decennio fa. Va tuttavia sottolineato che gli studi si sono concentrati sull'utilizzo di idrogel caricati con nanoparticelle metalliche per la successiva detection mediante SERS [8-9]. In questo ambito, inoltre, la maggior parte delle ricerche si sono focalizzate su matrici di tipo tessile o, al più, inchiostri [8-10], cioè tipologie di oggetti in cui il colorante è maggiormente esposto all'aria (e dunque generalmente più facilmente estraibile), invece che disperso come specie insolubile in un legante polimerico che lo intrappola in una rete, come avviene in una matrice pittorica. Alcune ricerche si sono focalizzate su matrici di tipo pittorico, ma i loro risultati evidenziano un campionamento basato sul prelievo meccanico di micro-frammenti di pellicola pittorica contenenti lacche-pigmento [11], piuttosto che di un'estrazione diffusiva locale dovuta all'interazione solvente-analita estremamente localizzata. Da questo punto di vista, AGLAIA promuove un avanzamento ambizioso: minimizzare il prelievo meccanico a favore di un'estrazione omogenea in fase liquida, che possa, in quanto tale, risultare notevolmente meno invasiva per l'opera, eviti variazioni ottiche e morfologiche della superficie pittorica e minimizzi il rischio di danneggiamenti. Tale approccio di campionamento, inoltre, presenta una notevole versatilità analitica che non deve essere limitata alla sola rilevazione SERS. Una volta estratto, infatti, il campione può essere prima analizzato con una serie di tecniche direttamente ON-GEL (cioè applicate sul substrato polimerico di campionamento), per poi essere riestratto e sottoposto ad altre tipologie di analisi in liquido EX-GEL, quale ad esempio quelle che implicano la separazione cromatografica. Chiaramente, i vantaggi di un simile approccio multi-tecnica sono diversi. In primo luogo, la rilevazione ON-GEL non viene limitata ad una sola tecnica (il SERS) ma è estesa a più approcci spettroscopici, dalla riflettanza nel Visibile alla fluorescenza allo FTIR. Alcune di queste tecniche, inoltre, sono notevolmente più economiche e, in quanto tali, disponibili a più laboratori: ciò rende l'approccio di analisi ON-GEL utilizzabile in più realtà analitiche e, dunque, più vantaggioso dal punto di vista della sua trasferibilità tecnologica. La combinazione con l'approccio EX-GEL, invece, va ad aumentare notevolmente il contenuto di informazioni ottenibile dal micro-campione: se infatti l'utilizzo di tecniche spettroscopiche permette di individuare generalmente la classe chimica o il tipo di colorante, l'utilizzo di un approccio separativo permette la discriminazione di molecole diverse, che possono fornire informazioni sulla specie vegetale o animale di origine, sul processo degradativo subito dalla matrice o sulla presenza di coloranti in miscela. Il protocollo che costituisce il risultato di AGLAIA rappresenta dunque. a tutti gli effetti, un approccio integrato tra tecniche analitiche diverse a partire dal campionamento all'analisi preliminare fino alla caratterizzazione qualitativa e quantitativa. Esso va, inoltre, a colmare quello che è un "vuoto tecnologico" nella diagnostica per i beni culturali, ovvero l'assenza di tecniche applicabili in situ e altamente performative per i materiali organici. Il substrato gel minimizza in modo drastico l'invasività del campionamento e permette di effettuare una serie di analisi altamente sensibili senza danneggiamento dell'opera pittorica. L'avanzamento che il progetto propone è misurabile anche con riferimento ai Livelli di Maturità Tecnologica (Technology Readiness Level, TRL). Per quanto riguarda l'approccio ON-GEL, infatti, se l'applicazione del SERS su substrati gel è stata sperimentata come prova di concetto sperimentale (TRL3), per altre tecniche non è stata ancora mai effettivamente testata (TRL1). L'applicazione dell'intero set di tecniche, dunque, permetterà di arrivare a un livello di maturità tecnologica pari a TRL4, con la verifica di fattibilità di nuove applicazioni per le tecniche analitiche previste nel progetto. Per quanto riguarda invece la sperimentazione EX-GEL, la ri-estrazione e preconcentrazione tramite dLLME da gel e successiva analisi coincide con il passaggio da un livello di maturità tecnologica TRL2 a un livello TRL4, in quanto la fattibilità del protocollo è stata formulata solo in base a prove preliminari. Alla fine del progetto, dunque, si fornisce una tecnologia che è in tutti i suoi aspetti salienti validata a livello laboratoriale.
[8]M. Leona et al., Anal. Chem., 83 (2011), 3990-3993.
[9]C. Lofrumento et al., J. Raman Spectrosc., 44 (2013), 47-54.
[10]G. Germinario et al., Microchem. J., 155 (2020), 104780.
[11]B. Doherty et al., J. Raman Spectrosc.42 (2011), 1932-1938.