Proyecto de grado
Espectroscop´ıa Raman y Microscop´ıa de fluorescencia de
pigmentos en complejos cer´
amicos de Nari˜
no
Presentado por:
Liliana Margarita Ramos Moreno
C´
od. 200923609
Asesora:
PhD. Yenny Rocio Hern´
andez Pico
Mayo del 2015 - Bogot´
a D.C.
Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de F´ısica
´
Indice general
III
0.1. Resumen . . . iii
0.2. Abstract . . . iii
1. Introducci´on 1 2. Marco te´orico 4 2.1. Arqueolog´ıa . . . 4
2.1.1. Fundamentos arqueol´ogicos . . . 4
2.1.2. Estilos cer´amicos Nari˜no . . . 5
2.2. T´ecnicas de caracterizaci´on en arqueolog´ıa . . . 6
2.2.1. Espectroscop´ıa Raman . . . 7
2.2.2. Espectroscop´ıa Infrarroja con Transformada de Fourier: FTIR . . . 7
2.2.3. Difracci´on de Rayos X: XRD . . . 7
2.2.4. Fluorescencia de Rayos X: XRF . . . 8
2.3. Espectroscop´ıa Raman . . . 8
2.3.1. Fen´omeno Raman . . . 8
2.3.2. An´alisis de polarizabilidad . . . 9
2.3.3. Reglas de selecci´on y Espectroscop´ıa Infrarroja (IR) . . . 10
2.3.4. Obtenci´on de los espectros Raman . . . 12
2.4. Microscop´ıa de Fluorescencia . . . 15
3. Muestras Arqueol´ogicas 17 4. Trabajo Experimental 20 4.1. Espectroscop´ıa Raman . . . 20
4.1.1. Condiciones experimentales . . . 20
4.1.2. Metodolog´ıa de An´alisis . . . 21
4.1.3. Resultados y Discusi´on . . . 21
4.1.4. Consideraciones finales . . . 32
4.2. Miroscop´ıa de Fluorescencia . . . 32
4.2.1. Primera etapa: microscopio Olympus IX71 . . . 32
4.2.2. Segunda etapa: microscopio confocal Olympus FluoViewTM . . . 40
5. Conclusiones 43
Bibliograf´ıa 45
A.4.1. Lado A - Regi´on de color Caf´e Claro (Claro) . . . 86
A.4.2. Lado B - Regi´on de color Caf´e Oscuro (Oscuro) . . . 90
A.4.3. Lado B -Regi´on de color Caf´e Claro (Claro) . . . 94
A.4.4. Lado B - Regi´on de color Caf´e Oscuro (Oscuro) . . . 98
A.5. Muestra 5 . . . 102
A.5.1. Lado A . . . 102
A.5.2. Lado B- Blanco . . . 106
A.5.3. Lado B-Caf´e . . . 107
A.6. Muestra 6 . . . 109
A.6.1. Lado A . . . 109
A.7. Lado B-Blanco . . . 113
A.7.1. Lado B ?egro . . . 114
A.7.2. Lado B -Rojo . . . 116
A.8. Consideraciones finales . . . 117
B. An´alisis 120 B.1. Correcci´on de l´ınea base . . . 120
La espectroscop´ıa Raman se basa en el fen´omeno de dispersi´on inel´astica de la luz, que es un fen´omeno de interacci´on luz-materia por el que la radiaci´on incidente altera la polarizabilidad de la nube electr´onica de un material. De esta se genera un estado excitado denominado virtual, que mezcla la energ´ıa de la radiaci´on incidente y los estados vibracionales de la mol´ecula; al desexcitarse la mol´ecula vuelve a uno de sus estados vibracionales permitidos, pero de diferente nivel de energ´ıa al que ten´ıa al ser irradiada. Se trata de un evento de dos-fotones conectados por un fen´omeno cu´antico y depende completamente de la estructura de la mol´ecula a analizar. Por lo que los espectros obtenidos permiten una identificaci´on bastante precisa de los compuestos.
El presente trabajo de grado explora el uso de la espectroscop´ıa Raman en la identificaci´on de pigmentos en cer´amicas arqueol´ogicas de la regi´on de Nari˜no, Colombia. En ´el se usaron muestras provenientes de tres estilos cer´amicos distintos, con el prop´osito de identificar diferencias entre complejos y similitudes entre muestras de un mismo complejo. Las mediciones fueron tomadas con dos l´aseres distintos, lo que gener´o variaciones en los espectros. Algunas de estas son atribuidas al fen´omeno de autofluorescencia de las muestras arqueol´ogicas y por ello se hizo un an´alisis de fluorescencia.
0.2.
Abstract
Raman spectroscopy is based in the inelastic dispersion of light, which is a light-matter interaction phenomenon where the incident radiation changes the polarizability of the electronic cloud of the mole-cule. When the incident light interacts with matter, a virtual state of energy is formed, which does not last long; the de-excitation of the molecule leads it to a vibrational state different from the one before radiation came, therefore with a different energy. It is a 2-photon event connected by a quantic pheno-menon, which depends completely on the structure of the analyzed molecule. Thus, the spectra obtained allow the identification of the analyzed compounds.
The present work explores the use of the Raman spectroscopy on the identification of pigments in ar-chaeological ceramics, from the region of Nari˜no in Colombia. Seven samples from different material cultures where chosen, so that differences between cultures and similarities among samples of the same culture could be identified. The measurements were taken with two different lasers, condition that gene-rated variations on the spectra obtained. Some of these differences are attributed to the fluorescence of the archaeological samples, therefore this works includes a fluorescence analysis.
El uso de la espectroscop´ıa Raman para caracterizar material arqueol´ogico ha aumentado en los ´
ultimos a˜nos. Se trata de una t´ecnica muy atractiva para este tipo de estudios debido a su car´acter no-destructivo, pues al trabajar en el espectro visible, las energ´ıas con que se irradian las muestras no son tan altas y preservan al material de su deterioro. Debido a esto, diferentes trabajos alrededor del mundo la han incluido en el proceso de identificar compuestos, tanto en cer´amicas como en material ´
oseo y art´ıstico. [1]
La espectroscop´ıa Raman se basa en el fen´omeno de dispersi´on inel´astica de la luz. Esta t´ecnica debe su nombre a Sir Chandrasehra Venkata [2] [3]; quien en 1928, junto a su colaborador, K.S. Krishnan, comprob´o experimentalmente la dispersi´on inel´astica que hab´ıa sido predicha te´oricamente por distintos f´ısicos desde el siglo anterior [4]. Este trabajo le mereci´o el premio nobel en 1930.
El fen´omeno Raman presenta una muy baja probabilidad, pues ocurre una vez por cada 106
-108eventos [2]. Este hecho retras´o la popularizaci´on de la espectroscop´ıa Raman como t´ecnica de an´alisis,
ya que ´esta debi´o esperar la implementaci´on de Tubos Fotomultiplicadores, l´aseres y detectores, entre muchas otras herramientas [3]. No obstante, en la actualidad, esta se ha popularizado gracias a la imple-mentaci´on de la tecnolog´ıa necesaria para su uso eficiente (e.g. l´aseres, fotomultiplicadores y detectores) y a sus m´ultiples aplicaciones, especialmente en ciencia de materiales. Es por esto que su estudio en s´ı mismo es una de las principales preocupaciones en este proyecto.
En este trabajo se hizo uso de un espectr´ometro XPlora Raman Horiba confocal con tres l´aseres de distinta longitud de onda (532nm, 638nm y 785nm). Sin embargo, fue necesario descartar la informaci´on obtenida con el l´aser de 785nm. De igual manera, se encontr´o que los espectros obtenidos con el l´aser de 532nm presentaban picos m´as definidos y pod´ıan ajustarse mejor con curvas de lorentz. Es decir, se busc´o identificar las variaciones entre los espectros obtenidos y con ellas sus razones f´ısicas. Una de las hip´otesis, que fue comprobada, fue la fluorescencia de las muestras arqueol´ogicas. Y para ello se realizaron an´alisis de fluorescencia, que permitieron evaluar este fen´omeno en un rango aproximado de 400 a 720nm.
A pesar de las dificultades presentadas para la mayor´ıa de las muestras, se logr´o identificar la
sencia de ´oxidos ferrosos y compuestos con silicatos en varias de las muestras. El contraste entre los resultados permiti´o corroborar la clasificaci´on estil´ıstica dada por los criterios arqueol´ogicos, pero no fue suficiente para identificar todos los compuestos presentes.
La clasificaci´on de la cer´amica en arqueolog´ıa se basa en criterios est´eticos de forma y funci´on, y en criterios relacionados con los materiales y su tratamiento. Dado que esta clasificaci´on est´a basada principalmente en la observaci´on, es pertinente conocer la composici´on molecular de los pigmentos. As´ı, la contribuci´on de esta investigaci´on consiste en constatar si la diferenciaci´on estil´ıstica corresponde con una diferenciaci´on en el plano composicional.
Figura 1.1: Cer´amica Tuza. Tomado de[5]
En el caso espec´ıfico de la regi´on del altiplano Carchi-Nari˜nense (v´ease figura 1.2), el registro ar-queol´ogico y los estudios etnohist´oricos dan cuenta de relaciones de intercambio frecuentes entre los habitantes de esta zona, y habitantes de regiones geogr´aficas y culturales aleda˜nas. Dado que la regi´on de estudio es una zona de confluencia cultural, el estudio de la composici´on de los pigmentos en la cer´amica es un mecanismo alternativo para rastrear posibles intercambios de materias primas entre los diferentes grupos que la habitaron.
Cap´ıtulo 2
Marco te´
orico
2.1.
Arqueolog´ıa
2.1.1.
Fundamentos arqueol´
ogicos
La arqueolog´ıa estudia las sociedades (pasadas o presentes) a trav´es del an´alisis de su cultura mate-rial. La cultura material debe entenderse como los objetos f´ısicos que han sido usados o transformados por los seres humanos, en los que queda plasmado el corpus de conocimientos, creencias y relaciones que hacen o hicieron parte de la comunidad humana asociada a ellos. ´Esta incluye objetos ornamentales, suntuarios y cotidianos; materiales y espacios que han sufrido alguna transformaci´on antr´opica; lugares usados por una sociedad para ocupaci´on, extracci´on de recursos o cualquier otra actividad. De esta manera, el registro arqueol´ogico recorre un amplio espectro de materiales que incluye, pero no est´a li-mitado a, textiles, l´ıticos (elaborados a partir de piedras), ´oseos, metal´urgicos y cer´amicos.
A partir de los restos arqueol´ogicos es posible identificar las relaciones econ´omicas propias de una sociedad; el an´alisis de composici´on de estos puede dar cuenta de los procesos de elaboraci´on, adem´as la homogeneidad en los productos (o la ausencia de ´esta) puede indicar una posible estandarizaci´on. Tal estandarizaci´on tiene que ver con lo que podr´ıa entenderse como una tradici´on, la cual encierra a su vez unas din´amicas de transmisi´on de conocimiento propias de la comunidad humana asociada; su distribuci´on permite formular hip´otesis sobre la estructura social y su mayor o menor grado de jerar-quizaci´on. En un marco regional, la distribuci´on del material arqueol´ogico permite rastrear rutas de intercambio, de manera que puede servir para identificar las relaciones entre distintas comunidades a nivel inter e intrarregional. Vale recordar que los intercambios de objetos o materias primas no son s´olo un mecanismo para suplir necesidades, sino que adem´as dan cuenta de un consecuente intercambio de conocimientos.
El insumo principal de la arqueolog´ıa es el registro arqueol´ogico; sin embargo, se trata de un tipo de investigaci´on interdisciplinar por antonomasia, por lo que tradicionalmente ha vinculado resultados de ´areas como la historia, la etnohistoria y la etnograf´ıa. ´estas proveen herramientas para formular analog´ıas al momento de analizar el objeto arqueol´ogico en t´erminos de forma y de funci´on, adem´as, aun cuando la asociaci´on entre cultura material y sociedad hist´orica no sea inmediata, estas disciplinas dan fundamentos para la delimitaci´on de Regiones culturales en t´erminos de dicha cultura material.
El proceso de identificaci´on de una sociedad hist´orica relacionada con el registro arqueol´ogico (ha-ciendo uso del material de tipo textil, metal´urgico y cer´amico), se ha llevado a cabo mediante la definici´on de estilos. Esta herramienta cognitiva asocia un grupo de artefactos a un periodo y a una regi´on de ocupaci´on determinados, con el fin de aproximarse paulatinamente a los grupos humanos que hicieron o hacen uso de ellos. En particular, los estilos cer´amicos se apoyan en diferenciaciones estil´ısticas,
))[7]
Este trabajo de investigaci´on se centra en el ´ultimo elemento mencionado por Groot, la pintura. Sin embargo, es fundamental identificar la posibilidad de que los dem´as estratos anteriores figuren en los datos y an´alisis obtenidos.
Alejandra Matresse y su equipo [8] discuten el concepto de pigmentos antes de comenzar estudio sobre pigmentos minerales en contextos arqueol´ogicos, definiendo los pigmentos se definen como subs-tancias sin mayor procesamiento de distinta naturaleza que tienen la capacidad de agregar color. Siendo este concepto el principal elemento de reflexi´on para el presente trabajo.
La aproximaci´on de este documento se inscribe dentro de lo que se conoce como arqueometr´ıa, esta es una disciplina que usa m´etodos f´ısicos, qu´ımicos y geol´ogicos para obtener informaci´on sobre el registro arqueol´ogico. La arqueometr´ıa ha permitido caracterizar con mayor detalle los materiales usados y los ambientes en el que los objetos debieron ser fabricados. Con lo anterior se contribuye a la comprensi´on del proceso de manufactura y as´ı se accede a la tradici´on propia de la comunidad.
Esta disciplina ha permitido estudiar la procedencia de objetos y de materias primas, aportando a la comprensi´on del sistema de relaciones entre comunidades. En esta l´ınea se encuentran, por ejemplo, t´ecnicas para la obtenci´on de fechas de –C-14 para material org´anico y EPR (Electronic Paramagnetic Resonance)–; an´alisis de procedencia de materiales –EPR para rastrear canteras–; y caracterizaci´on de pigmentos. ´Este ´ultimo es el caso que nos ata˜ne: caracterizaci´on de pigmentos a trav´es de la espectros-cop´ıa Raman. Por ´ultimo, esta perspectiva ha reafirmado o dado nuevos par´ametros para el proceso de clasificaci´on del material arqueol´ogico.
2.1.2.
Estilos cer´
amicos Nari˜
no
La regi´on de inter´es en este proyecto es la del altiplano Carchi-Nari˜nense (figura 1.2), particular-mente el departamento de Nari˜no en Colombia. La visi´on integral corresponde a una mirada regional que ha comprobado efectivamente que se trata de una regi´on cultural definida, mediante la compara-ci´on estil´ıstica y cronol´ogica. La divisi´on de los complejos cer´amicos Capul´ı, Piartal y Tuza se propuso en Colombia para dar continuidad al trabajo de Alice Enderton Francisco, quien en 1968 propuso tal divisi´on estil´ıstica [9]. Esto, con el fin de dar consistencia a dicha mirada regional.
Sin embargo, en la d´ecada de 1970 Mar´ıa Victoria Uribe reformul´o la hip´otesis seg´un la cual se trataba de una secuencia de estilos (precisamente en el orden Capul´ı, Piartal y Tuza), sugiriendo que s´ı hab´ıa una evoluci´on Piartal-Tuza pero que el complejo Capul´ı era paralelo a estas dos [9]. Con las fechas absolutas (de la prueba de C-14) obtenidas hasta ese momento, se asoci´o a los complejos Capul´ı,
Piartal y Tuza con los siguientes periodos: 850-1500 d.C, 750-1250 d.C y y 1250-1500 d.C, respectiva-mente.
Los complejos han sido establecidos con base en sus motivos decorativos, tanto en formas geom´etricas como en las t´ecnicas decorativas. En t´erminos generales, al complejo Capul´ı se le asocia una decoraci´on de pintura negativa negro sobre rojo; al Piartal una decoraci´on negativa negro sobre crema con sobre-pintura positiva roja; y al complejo Tuza se le asocia con una decoraci´on positiva sobre crema, negro y rojo. En esta decoraci´on, la pintura positiva es aquella aplicada directamente para definir las formas decorativas, mientras que la negativa es aquella que deja de aplicar pintura sobre las formas decorativas y la aplica en sus alrededores (similar al est´encil contempor´aneo). Esta diferenciaci´on hace evidente la relevancia de los pigmentos en la clasificaci´on de la cer´amica de la regi´on.
Esta aproximaci´on te´orica sirvi´o de fundamento a las investigaciones etnohist´oricas de Mar´ıa Vic-toria Uribe. En ellas, la investigadora estableci´o que podr´ıa asociarse el complejo Tuza a la sociedad hist´orica de los Pastos, identificada en cr´onicas y documentos, y quienes eran el grupo humano presente a la llegada de los conquistadores a la regi´on. De manera an´aloga asoci´o el complejo Piartal, con el grupo humano de los llamados Protopastos.
Investigaciones recientes rebaten esta aproximaci´on y la cronolog´ıa propuesta por Mar´ıa Victoria Uribe [6]: haciendo un an´alisis regional y utilizando nuevas fechas absolutas, se ha retrocedido al menos 600 a˜nos en el tiempo de inicio del periodo de ocupaci´on. No obstante, la diferencia entre estilos sigue vigente, manteni´endose la distinci´on en coloraci´on y formas geom´etricas. Por esta raz´on, esta investiga-ci´on se acoger´a a la clasificaci´on de los complejos Capul´ı, Piartal y Tuza, quedando como perspectiva futura el contrastar los resultados de este proyecto con las nuevas clasificaciones propuestas.
Figura 2.1: a) Cer´amica Capul´ı b) Cer´amica Piartal c) Cer´amica Tuza. Tomado de[5]
2.2.
T´
ecnicas de caracterizaci´
on en arqueolog´ıa
Las t´ecnicas de caracterizaci´on usadas en estudios arqueol´ogicos incluyen: Microscop´ıa ´optica, espec-troscop´ıa Raman, µ-especespec-troscop´ıa Raman, especespec-troscop´ıa FT-IR, Microscop´ıa electr´onica de barrido (SEM), Cromatograf´ıa en gases-Espectrometr´ıa de masa (GC-MS), Difracci´on de Rayos X (XRD), µ-XRD, Fluorescencia de Rayos X (XRF). El uso de t´ecnicas como la GC-MS y FTIR en modo trans-misi´on, implican un cierto grado de destrucci´on del material arqueol´ogico, pues la preparaci´on de las muestras implica la remoci´on de pigmentos y su posterior pulverizaci´on [10] [11] [12], raz´on por la cual han sido descartadas en las perspectivas que supone este trabajo. Este tipo de consideraciones, aunadas a la disponibilidad de equipos en la Universidad de Los Andes, ha dado como resultado la escogencia de las siguientes cuatro t´ecnicas para, en un futuro cercano, continuar con esta investigaci´on.
algunos de ellos (identificados para los compuestos puros). No obstante, la mayor intensidad de algunos picos asociados con determinados compuestos se debe a una respuesta Raman m´as intensa por parte de estos y no con una mayor o menor presencia de los mismos, constituyendo ´esta una t´ecnica principal-mente cualitativa.
De igual modo, existen dificultades que impiden la identificaci´on de compuestos a trav´es de la es-pectroscop´ıa Raman. Tal es el caso de los ´oxidos de Manganeso, asociados a los pigmentos negros, que presentan baja respuesta Raman [? ] o son muy susceptibles de transformarse con la iluminaci´on l´aser [23], por lo que son dif´ıciles de identificar a trav´es de esta t´ecnica.
2.2.2.
Espectroscop´ıa Infrarroja con Transformada de Fourier: FTIR
Existen modos vibracionales propios de algunos compuestos que no son activos en Raman pero s´ı lo son en Infrarrojo, debido a las reglas de selecci´on de estos fen´omenos, por lo que los resultados de ambas t´ecnicas suelen entenderse como complementarias [2] [3]. Por tal raz´on, varios de los estudios ar-queol´ogicos que utilizan Raman tambi´en aplican FT-IR [20] [11] [14] [12], apoyando con ello su selecci´on. Los resultados de an´alisis de FTIR-ATR directamente sobre las muestras arqueol´ogicas han sido exi-tosos para la identificaci´on de compuestos [10] [20]. La elecci´on de la t´ecnica en el modo de Reflectancia Total Atenuada (ATR por sus siglas en ingl´es) obedece a dos factores. En primer lugar, este modo no requiere una preparaci´on especial de la muestra evitando la destrucci´on del material arqueol´ogico requerido en los otros modods: difusi´on de reflectancia (DRIFT), transmisi´on y µ-ATR [10]. En segundo lugar, el trabajo comparativo de Mariateresa Lettieri ha mostrado que este modo permite identificar compuestos org´anicos e inorg´anicos que se encuentran conjuntamente, se˜nalando que es el tipo de an´ ali-sis m´as apropiado para material cer´amico.
2.2.3.
Difracci´
on de Rayos X: XRD
Esta t´ecnica tambi´en figura en varios de los estudios revisados sobre espectroscop´ıa Raman [24] [18] [19] [21] y ha sido utilizada con anterioridad a la espectroscop´ıa Raman para estudios arqueol´ogicos [1]. Su uso conjunto permite verificar la presencia de ciertos compuestos, contribuyendo a la robustez de los resultados.
2.2.4.
Fluorescencia de Rayos X: XRF
En la revisi´on bibliogr´afica s´olo figura en el trabajo de Silvia Centeno [14], en el que se combinan con espectroscop´ıa Raman, FTIR y XRD. Sin embargo, el car´acter cuantitativo de sus resultados fortalece la comprensi´on de la composici´on de los distintos pigmentos, puesto que, como se ha visto, se trata de mezclas de muchos compuestos.
2.3.
Espectroscop´ıa Raman
2.3.1.
Fen´
omeno Raman
Se trata de un fen´omeno de interacci´on luz-materia donde un fot´on incidente es dispersado inel´ asti-camente resultando en un fot´on con energ´ıa distinta a la del incidente. La radiaci´on incidente perturba la nube electr´onica del compuesto observado modificando con ello su polarizabilidad, es decir, su ten-dencia a dejarse polarizar [2] [25] [3]. Esta modificaci´on induce a la mol´ecula en unos niveles excitados moment´aneos conocidos como estados virtuales[2].
El cambio en la configuraci´on de la nube electr´onica no es permanente pues los estados virtuales no son estables, por lo que la nube vuelve a uno de sus estados vibracionales permitidos y emite un segundo fot´on. Si la energ´ıa del fot´on dispersado es igual a la del incidente, es decir, si la longitud de onda del fot´on emitido es la misma que la del fot´on incidente, se trata de una colisi´on donde no hubo absorci´on de energ´ıa. En este caso la luz fue dispersada el´asticamente. Sin embargo, si la longitud de onda del fot´on emitido var´ıa respecto a la del incidente, se dir´a el fen´omeno ocurrido es la dispersi´on inel´astica y se tratar´a, entonces, de un fen´omeno de dos fotones, conectados por un fen´omeno cu´antico [3].
Como se observa en la Figura 2.2 el caso de colisiones el´asticas, se denomina Dispersi´on de Rayleigh (donde la longitud de onda no ha sido alterada). En el caso de colisiones inel´asticas, el nombre del fen´omeno dispersivo depende de si la muestra ha sufrido ganancias o p´erdidas energ´eticas. Si la longi-tud de onda del fot´on dispersado es menor respecto a la longitud de onda de la radiaci´on incidente (la muestra ha ganado energ´ıa), el fen´omeno se conoce como Stokes. Si, por el contrario, la longitud de onda del fot´on dispersado es mayor (la muestra ha cedido energ´ıa) el fen´omeno se conoce como anti-Stokes [2] [25] [3].
Figura 2.2: Diagrama de los procesos de dispersi´on. Tomado de[2]
En particular, las intensidades del espectro detectado para el fen´omeno anti-Stokes son significa-tivamente menores que las obtenidas para el fen´omeno Stokes. Esto se debe a que la ocurrencia del fen´omeno anti-Stokes exige que el compuesto a analizar se encuentre en un estado vibracional excitado (m´as energ´etico que el estado base), lo que es poco probable a temperatura ambiente. De esta forma, se hace evidente que a temperatura ambiente y temperaturas inferiores es m´as probable que la muestra gane energ´ıa y no que la ceda, favoreciendo con ello los eventos Stokes sobre los anti-Stokes, lo cual hace que generalmente sea este el fen´omeno analizado. Sin embargo, en casos donde el material presenta fluorescencia, el espectro del fen´omeno anti-Stokes evita esta interferencia en el registro. [2]
Figura 2.3: Ejemplo de espectro Raman anti-Stokes (a la izquierda) y Stokes (a la derecha) de una mol´ecula de ciclohexano. Tomado de[2]
2.3.2.
An´
alisis de polarizabilidad
Para tener un evento Raman, es necesario que la radiaci´on incidente modifique la polarizabilidad del material o la mol´ecula a analizar. La diferencia energ´etica entre la radiaci´on incidente y la dispersada corresponde a la necesaria para excitar o desexcitar determinados modos vibracionales de la estructura que se est´a analizando. As´ı, no todos los modos de vibraci´on de una mol´ecula son activos en Raman,
es decir, no todos responden a este fen´omeno. Esta secci´on presenta c´omo la radiaci´on incidente genera esa modificaci´on energ´etica.
La radiaci´on incidente debe entenderse como un dipolo oscilante que se propaga y puede interac-tuar con la nube electr´onica de la mol´ecula que se quiere observar [2]. Ese instante de interacci´on de la radiaci´on y la nube electr´onica crea un nuevo nivel energ´etico moment´aneo, los llamados estados virtuales. En el caso de un fen´omeno Raman la radiaci´on no se absorbe pues no se promueve un electr´on a un estado m´as excitado y el estado virtual alcanzado es de corta duraci´on. Cuando simult´aneamente se alteran la nube electr´onica y la posici´on del n´ucleo, ocurre un cambio sensible en la energ´ıa de la mol´ecula y un cambio en su estado vibracional.
Ya se ha dicho que el fen´omeno Raman es poco probable. Sin embargo, la intensidad de la dispersi´on Raman puede modificarse a trav´es de la radiaci´on incidente:
I = Klα2ω4 (2.1)
Donde K recoge una serie de constantes como la velocidad de la luz, l es la potencia del l´aser, α es la polarizabilidad de la nube electr´onica, ω la frecuencia angular de la radiaci´on incidente [2] [3]. Lo que significa que al usar un l´aser con menor longitud de onda, mayor ω, se obtienen espectros de mayor intensidad.
La polarizabilidad α, esa capacidad de modificar su polarizaci´on, se representa como un tensor con dos componentes, uno para el fot´on incidente y otro para el fot´on dispersado. La interacci´on de la radiaci´on con campo el´ectrico E con la mol´ecula, genera un momento de dipolo µ , tal que:
µ = αE (2.2)
A lo largo del siguiente tratamiento matem´atico se asociar´a el sub´ındice b con el componente de la radiaci´on incidente y el sub´ındice a con la radiaci´on dispersada. Se tiene entonces que el tensor de polarizabilidad est´a dado por la expresi´on de Kramer Heisenberg Dirac [2] [3]:
ααβ= 1 ~ X j6=m,n < m|µα|j >< j|µβ|n > ωjn− ω0+ iΓj +< m|µβ|j >< j|µα|n > ωjm+ ω0+ iΓj (2.3) Donde m y n son estados excitados que difieren entre s´ı por un cuanto vibracional; ωjn es la
dife-rencia de frecuencia entre los estados j y n; Γj, son los t´erminos imaginarios proporcionales al ancho
del estado vibracional j (que es inversamente proporcional al tiempo de vida del mismo).
Para resolver esta ecuaci´on se usa la aproximaci´on de Born-Openheimer seg´un la cual es posible separar la Funci´on de Onda Total en una funci´on de dos componentes: una para la descripci´on del movimiento electr´onico y otra para la del movimiento nuclear. Esta separaci´on permite hallar las com-ponentes < me|µα|j >=< me|µα|je>< mn|jn >, pues el momento dipolar s´olo afecta las componentes
electr´onicas de la funci´on de onda. Con este tipo de desarrollo es posible identificar qu´e se necesita para que un estado sea activo en Raman, es decir, sea excitado a trav´es de este fen´omeno. A continuaci´on, ser´an expuestas las reglas de selecci´on.
2.3.3.
Reglas de selecci´
on y Espectroscop´ıa Infrarroja (IR)
Desde el modelo de Spring and Ball, cada ´atomo puede ser representado por una bola y cada enlace entre ´atomos como resortes. De manera que un modo vibracional es la manera en que se mueven los
Figura 2.4: Modos vibracionales para el H2O y el CO2. Tomado de[2]
A partir del desarrollo del an´alisis del cambio en la polarizabilidad en funci´on de la radiaci´on inci-dente, se han identificado las reglas de selecci´on. La primera establece que entre mayor perturbaci´on haya de la nube electr´onica, mayor ser´a la intensidad de la dispersi´on Raman [2]. La segunda de ellas establece una relaci´on importante entre la espectroscop´ıa Raman y la espectroscop´ıa Infrarroja (IR) si una mol´ecula es centro-sim´etrica, no puede ser activa en Raman y en IR simult´aneamente [2][25]. Es importante tener en cuenta que para que una mol´ecula se active en IR la radiaci´on incidente debe cambiar el momento dipolar de la mol´ecula, mientras para que se active en Raman debe cambiar la polarizabilidad. As´ı, Raman es activo preferentemente en los modos asim´etricos, pues ellos permiten la modificaci´on de la polarizabilidad.
Figura 2.5: Modos vibracionales del CO2 con el modelo de nube electr´onica. Tomado de[2]
Esta asociaci´on entre espectroscop´ıa Raman y espectroscop´ıa IR es encontrada en la mayor´ıa de referencias bibliogr´aficas, siendo una herramienta de apoyo a la hora de explicar el significado de la dispersi´on inel´astica propia del fen´omeno Raman. La espectroscop´ıa IR es una t´ecnica basada en la resonancia entre la frecuencia de la radiaci´on IR incidente y la frecuencia de los modos normales de la mol´ecula irradiada. En este caso, lo que ocurre es que mol´eculas con un momento dipolar intr´ınseco, ven alterado tal momento respecto al modo vibracional [3].
Sin embargo, hay grandes diferencias entre estas dos t´ecnicas. La m´as evidente de ellas es que la espectroscop´ıa IR hace incidir en la muestra un haz de fotones cuyas longitudes de onda var´ıan en un rango (en el Infrarrojo, en el cercano o en el lejano); mientras que la espectroscop´ıa Raman hace incidir radiaci´on a una sola longitud de onda. Por otra parte, el espectro IR muestra las regiones de absorci´on como regiones activas, mientras que en el espectro Raman las regiones de dispersi´on son las activas. La espectroscop´ıa IR se fundamenta en un evento de un fot´on, la Raman en un evento de dos fotones, aunque ambas se registran en unidades de cm−1, la espectroscop´ıa IR registra para qu´e n´umero de onda hay absorci´on, mientras que la espectroscop´ıa Raman registra el cambio en el n´umero de onda de la radiaci´on incidente y dispersada.
Algunas de las diferencias resultan en una ventaja para la espectroscop´ıa Raman respecto a la espectroscop´ıa IR. La espectroscop´ıa Raman tiene una resoluci´on del orden de 10−6m y no necesita una preparaci´on de muestras; adem´as, con cantidades m´ınimas, es posible tomar buenos espectros. Sin embargo, los equipos Raman suelen ser m´as caros y su resoluci´on espectral disminuye al tiempo que aumenta la longitud de onda de la radiaci´on incidente.
2.3.4.
Obtenci´
on de los espectros Raman
Los espectros Raman presentan el cambio en el n´umero de onda de la radiaci´on incidente y la dis-persada. Tal diferencia es conocida como el raman shift y est´a dado en unidades de n´umero de onda (cm−1), el cual corresponde al cuanto de vibraci´on excitado en el material. La muestra es iluminada con radiaci´on monocrom´atica mientras la radiaci´on dispersada presenta un rango de longitudes de onda. El espectr´ometro registra la diferencia entre sus n´umeros de leyendo el n´umero de eventos detectados en el rango de raman shift seleccionado.
La diferencia energ´etica entre el fot´on incidente y el dispersado est´a asociada a la estructura mole-cular de la muestra. La cantidad de energ´ıa ganada o cedida, es la necesaria para alcanzar determinado modo vibracional, caracter´ıstico del material con el que se est´a trabajando. Lograr la excitaci´on de estos modos y su consecuente registro depende de la estructura molecular, de su simetr´ıa y polarizaci´on [? ]; por lo que cada compuesto tiene un espectro Raman caracter´ıstico a partir del cual es posible identificarlo.
Los equipos Raman se han popularizado en los ´ultimos tiempos no s´olo por sus aplicaciones a las ciencias de materiales y al an´alisis espectrosc´opico, sino tambi´en gracias al desarrollo y comercializaci´on de nuevas tecnolog´ıas, especialmente sistemas de iluminaci´on y detecci´on.
Fuentes de iluminaci´on
Esta t´ecnica depende del uso de una fuente de radiaci´on monocrom´atica. Entre m´as monocrom´ ati-ca mejor ser´a la resoluci´on obtenida para diferenciar los picos de los espectros Raman. Para lograr una fuente monocrom´atica, inicialmente se usaban l´amparas de mercurio a baja presi´on, cuya l´ınea de emisi´on era seleccionada con un filtro. Esta metodolog´ıa no s´olo introduc´ıa incertidumbre, sino que tambi´en reduc´ıa la intensidad del fen´omeno por su baja potencia para inducir un fen´omeno con bajas probabilidades en s´ı mismo. Por lo anterior, el desarrollo de los l´aseres a comienzos de la d´ecada de 1960 marc´o uno de los primeros momentos de la llamada revoluci´on Raman [3].
El uso de l´aseres como fuentes de emisi´on fue introducido por Charles Hard Townes en 1961. En primer lugar se us´o el l´aser de rub´ı pulsado y luego el de HeNe cuya longitud de onda es 633nm. A partir de all´ı se ha experimentado con distintos l´aseres (incluidos A+ y KR+) que, seg´un su longitud de onda, mejoran la resoluci´on espacial o la resoluci´on espectral. Adem´as, la dispersi´on inel´astica var´ıa de manera proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia de la radiaci´on incidente. Por tal raz´on,
Eliminaci´on de la dispersi´on el´astica del espectro
Dado que la dispersi´on inel´astica (Raman) s´olo ocurre una vez por cada 106-108 eventos, por lo
que la dispersi´on el´astica tendr´a una intensidad mucho mayor. De este modo, uno de los requisitos fundamentales para la extensi´on del uso de la t´ecnica fue la eliminaci´on efectiva de la dispersi´on el´astica en el espectro. As´ı, se hacen necesarios monocromadores o grupos de estos que eliminen la radiaci´on dispersada de la misma longitud de onda de la radiaci´on incidente. Tales dispositivos permiten generar picos cuya anchura a altura media (FWHM) est´a alrededor de los 3cm−1 y logran l´ıneas cercanas a la l´ınea de excitaci´on l´aser en el raman shift [3].
Por otra parte se han desarrollado equipos con sistemas de un monocromador y un filtro hologr´afico tipo Notch [3]. La reducci´on en el n´umero de monocromadores representa una reducci´on en el tama˜no de los equipos, lo cual es una gran ventaja aun cuando se pierda en la cercan´ıa a la l´ınea de excitaci´on. Un filtro hologr´afico tipo Notch es un filtro cuya elaboraci´on espec´ıfica para una longitud de onda elimina los defectos peri´odicos que se obten´ıan con los gratings elaborados con herramientas de diamante. Esto significa que presentan una superficie m´as lisa que disminuye la cantidad de luz dispersada.
Los espectros Raman suelen medirse a partir de 100 − 200cm−1. Esto se debe a que un raman
shift cercano a cero, constituir´ıa una diferencia muy peque˜na entre el n´umero de onda de la radiaci´on incidente y la dispersada, lo que significar´ıa una diferencia energ´etica muy peque˜na tambi´en cercana a cero que corresponder´ıa a la dispersi´on el´astica de la luz.
Detecci´on de la se˜nal Raman
Al inicio de la implementaci´on de este tipo de equipos se usaban pel´ıculas fotogr´aficas, donde se pod´ıa evidenciar la intensidad en cada l´ınea. Esta tecnolog´ıa no s´olo ten´ıa menor precisi´on que los mecanismos actuales, sino que adem´as tomaban un tiempo considerablemente mayor en la toma de los espectros. Por lo anterior, en la d´ecada de 1960, junto a la introducci´on de los l´aseres, el desarrollo de los fotomultiplicadores –PMT por sus siglas en ingl´es– contribuy´o a la revoluci´on de la espectroscop´ıa Raman [3].
Un fotomultiplicador es un detector muy sensible a la luz UV, visible e IR. El dispositivo tiene un fotoc´atodo que usa materiales con una funci´on de trabajo baja (la de los metales emisores es superior a los 3eV); ´este, al recibir la radiaci´on, emite electrones debido al efecto fotoel´ectrico. A continuaci´on, sigue una cascada de dinodos que multiplican la cantidad de portadores de carga (electrones) hasta que generan una corriente perceptible, como se ilustra en el esquema 2.6. Con esto, se aumenta diez veces la eficiencia de una pel´ıcula fotogr´afica. Los fotomultiplicadores pueden amplificar la se˜nal en 103-108´ordenes de magnitud, aumentando enormemente la sensibilidad del aparato. Por ´ultimo tienen
un tiempo de respuesta muy r´apido del orden de los 10−10sec.[3].
Figura 2.6: Esquema de funcionamiento de un tubo fotomultiplicador Tomado de[26]
Uno de los ´ultimos avances en los fotomultiplicadores ha sido el uso de materiales semiconductores para los fotoc´atodos. Para generar electrones mediante el efecto fotoel´ectrico, la energ´ıa de los fotones incidentes debe superar la energ´ıa del Bandgap, lo cual lo logran con facilidad el arseniuro de silicio o de galio pues sus bandgaps est´an entre el visible y el infrarrojo. Estos materiales presentan adem´as una afinidad electr´onica menor a cero, lo que se traduce en mayor cantidad de electrones desprendidos. [3] Finalmente, la se˜nal recogida por los fotomultiplicadores se lleva a detectores multicanal y a dispo-sitivos Charge Coupled Devices (CCD). [3] El primero de ellos permite un barrido simult´aneo de las se˜nales Raman obtenidas, reduciendo el tiempo de exposici´on de la muestra y de obtenci´on del espectro. El segundo de ellos corresponde a detectores ´opticos de pixeles de 10µm, basados en una tecnolog´ıa MOS (Metal-Oxide-Semiconductor). A pesar de que estos equipos fueron desarrollados hacia 1978, no fue sino hasta la d´ecada de 1990 que su comercializaci´on gener´o una segunda revoluci´on Raman. Antes de su introducci´on se usaban mecanismos arreglos de fotodiodos basados en una tecnolog´ıa bipolar, es decir, junturas p-n [3].
Figura 2.7: Fen´omeno de etaloning espectral. Tomado de[27]
No obstante, los avances en la implementaci´on de c´amaras CCD han generado algunos inconvenien-tes a la hora de obtener espectros. Tal es el caso del efecto de etaloning, por el que la CCD act´ua
Al interior de los fluor´oforos est´an los estados energ´eticos electr´onicos, que se subdividen en niveles de energ´ıa vibracionales y rotacionales. Ambos niveles, que dependen de los grados de libertad de la mol´ecula, est´an poco espaciados entre s´ı. Esta corta distancia hace que al absorber determinado fot´on, ocurre un proceso de conversi´on interna donde se pierde energ´ıa de modo no radiativo, dejando la mol´ecula en niveles vibracionales menos energ´eticos. A continuaci´on, la mol´ecula debe volver al estado electr´onico base, y este proceso ocurre en forma de radiaci´on. Tal radiaci´on emitida es lo que se conoce como fluorescencia y es una emisi´on menos energ´etica que la absorbida, por lo que tiene una longitud de onda mayor. Un esquema de los posibles mecanismos para la ocurrencia del fen´omeno se muestra en la figura 2.8. [29]
Figura 2.8: Diagrama de Jablonski donde se observa c´omo ocurre el fen´omeno de fluorescencia. Tomado de[29]
La microscop´ıa de fluorescencia opera haciendo incidir radiaci´on en una longitud de onda y detec-tando la radiaci´on emitida en un rango de longitudes de onda mayor. Esto lo hace a trav´es de un sistema de cubos de filtros ubicados en el camino ´optico, con un espejo dicroico modifica el camino que sigue
la luz (desde o hacia la muestra) en funci´on de su longitud de onda. Para el rayo incidente, el filtro excitador permite pasar un rango de longitudes de onda a las que se espera que la muestra responda. La luz que va desde la muestra hacia el detector se encuentra con un filtro barrera que s´olo permite el paso de radiaci´on en ciertos rangos de longitudes de onda. Dado que no todos los fluor´oforos absorben ni emiten en todas las longitudes de onda, existen distintos tipos de filtros seg´un el tipo de muestra con el que se trabaje. Sin embargo, en este caso se desconoc´ıan las caracter´ısticas de la muestra, por lo cual fue necesario experimentar con distintos filtros.
Con el prop´osito de corroborar la ocurrencia el fen´omeno de fluorescencia en las muestras cer´amicas, se realizaron los an´alisis pertinentes. En primera instancia, se busc´o detectar el fen´omeno, para lo que se us´o el microscopio Olympus IX71, el cual cuenta con cuatro juegos de filtros. En segunda instancia, se quiso identificar la variaci´on de este fen´omeno al avanzar en la profundidad de las muestras; para ello se utiliz´o un microscopio confocal de fluorescencia, el Olympus FluoViewTM.
largo del trabajo, el lado convexo de las muestras ser´a identificado como A y el lado c´oncavo como B. A continuaci´on, se presentan las im´agenes de las muestras usadas para esta investigaci´on.
Las muestras 1 y 2, figuras 3.1 y 3.2, est´an asociadas al complejo cer´amico Capul´ı. Estas fueron obtenidas en excavaciones realizadas en el sitio de La Esperanza, departamento de Nari˜no. Su informe asociado [7] permiti´o asocial la muestra 1 al estilo Negativo Negro sobre Rojo y, la muestra 2, al Cua-sapud Negro pulido. En la muestra 1 se identificaron dos colores en el lado B (Rojo y Negro) y uno en el lado A; mientras que en la muestra 2 apenas se identific´o un color en cada lado.
Figura 3.1: Muestra 1-Fragmento cer´amico asociado al complejo Capul´ı
Figura 3.2: Muestra 2-Fragmento cer´amico asociado al complejo Capul´ı
Las muestras 3 y 4, figuras 3.3 y 3.4 est´an asociadas al complejo cer´amico Capul´ı. Estas fueron obtenidas en excavaciones realizadas hacia la d´ecada de 1970 en el departamento de Nari˜no. Su informe asociado [9] permiti´o asociar ambas muestras al estilo Negro desvanecido sobre Crema. En ambos se identificaron tres coloraciones: Caf´e claro (corresponde al color crema), caf´e oscuro (corresponde al color negro desvanecido) y Rojo.
Figura 3.3: Muestra 3-Fragmento cer´amico asociado al complejo Piartal
Figura 3.4: Muestra 4-Fragmento de borde asociado al complejo Piartal
La muestra 5, figura 3.5, fue hallada en la misma ubicaci´on que las muestras 3 y 4, sin embargo, la revisi´on de los estilos cer´amicos de la regi´on permiti´o identificarla con el estilo Rojo Sobre Crema, que hace parte del complejo Tuza. Por esta raz´on, tambi´en se quiere enfatizar en su comparaci´on las muestras 6 y 7.
mismas excavaciones realizadas hacia la d´ecada de 1970 en el departamento de Nari˜no que las piezas 3,4 y 5. Su informe asociado [9] permiti´o asociar ambas muestras al estilo Negro y Rojo sobre Crema. Identificando tambi´en tres coloraciones: rojo, blanco (corresponde al color crema) y negro.
Figura 3.6: Muestra 6-Fragmento cer´amico asociado al complejo Tuza
Cap´ıtulo 4
Trabajo Experimental
4.1.
Espectroscop´ıa Raman
4.1.1.
Condiciones experimentales
Las mediciones fueron realizadas con el equipo del departamento de Qu´ımica de la Universidad de Los Andes, un Espectr´ometro XPlora Raman Horiba. Este equipo se encuentra acoplado a un Microscopio Olympus BX41. En cada medici´on se enfoc´o la regi´on de inter´es usando el microscopio´optico con el objetivo de 100X. En cada muestra se eligieron las distintas regiones de color y por cada una se hicieron las mediciones, de distintos l ˜A¡seres, en un mismo punto. Para esto no fue necesario preparar de las muestras, salvo realizar una limpieza superficial sin usar ninguna sustancia. Como se ve en la figura 4.1, las muestras fueron colocadas directamente bajo el microscopio ´optico para elegir la regi´on de color de inter´es.
Figura 4.1: Muestra arqueol´ogica dispuesta para el an´alisis con el espectr´ometro XPlora Raman Horiba y su microscopio acoplado Olympus BX41
Los l´aseres con que cuenta el equipo son tres: 785nm, 638nm y 532nm. El primero es un l´aser diodo 20
4.1.2.
Metodolog´ıa de An´
alisis
Los espectros de las muestras fueron corregidos en dos pasos con el fin de identificar sus picos: co-rrecci´on de la l´ınea base e identificaci´on de picos, realizando el ajuste con funciones de lorentz. Para la primera parte se us´o el programa LabSpec6 y para la segunda parte el programa Origin8 (Una descrip-ci´on detallada del proceso se encuentra en el Ap´endice A). Por cada regi´on de color distinto se analizaon los resultados obtenidos con los l´aseres de 532nm y 638nm. Los datos obtenidos en los espectros fueron comparados con los datos de los compuestos de referencia. ´Estos son los principales compuestos hallados en la bibliograf´ıa y algunos compuestos hallados preliminarmente con la identificaci´on autom´atica del programa LabSpec6 en el laboratorio. Estos compuestos son:
Hematita (Fe2O3)
Magnetita (Fe3O4) y Magnetita calentada
Cuarzo (SiO2)
Anatasa (TiOO2)
Burnt Umber (Ocre)( Fe2O3+xMnO)
Enstatite((Mg,Fe)SiO3)
Rodonita ((Mn2,Fe2, Mg, Ca) SiO 3)
Calcita (CaCO3)
Carb´on amorfo
4.1.3.
Resultados y Discusi´
on
A continuaci´on usaremos la siguiente notaci´on: Mx-y-Znm. Donde ((x ))representa el n´umero de la muestra,((y ))el lado (sea A convexo o B c´oncavo), ((z ))la longitud de onda del l´aser.
Los resultados obtenidos con el l´aser de 785nm fueron descartados del an´alisis, pues presentaban una serie de estructuras peri´odicas alrededor de los 1450cm−1, que no correspond´ıan a informaci´on estructural de la muestra. Aunque en un inicio se pens´o que podr´ıa tratarse de la identificaci´on de es-tructuras en materiales arcillosos, la informaci´on de otros usuarios del equipo mostr´o que la estructura formada al final del espectro, era independiente de la muestra analizada. Esto se ve en la figura 4.2, donde para distintas muestras y distintas regiones de la muestra se tienen espectros de comportamiento pr´acticamente id´entico.
Figura 4.2: Comparaci´on espectros obtenidos con el l´aser de 785nm
De manera que s´olo se trabaj´o con datos obtenidos con los l´aseres de 638nm y 532nm para identificar los picos de cada muestra, con los que se compararon los picos de los compuestos de referencia. Entre estos dos tipos de espectros encontramos diferencias que llevar´ıan a preferir los espectros obtenidos con el l´aser de 532nm. Por ejemplo, varios de los espectros tomados con el l´aser de 638nm presentan perio-dicidad. Se sugiere que esto puede deberse a la geometr´ıa de la pieza, pues se trata de fragmentos muy c´oncavos. Aun cuando se procur´o elegir regiones m´as uniformes y preferentemente los m´ınimos o m´ axi-mos de curvatura, estas condiciones no siempre coincid´ıan con las regiones de inter´es de distintos colores. Lo anterior tiene que ver con ciertas estructuras peri´odicas que aparecen en varios de los espectros obtenidos con el l´aser de 638nm. Como se ve en la figura 4.3, entre los 550-1200cm−1 se observa una serie de estructuras peri´odicas; ´estas son analizadas con mayor detalle en el Ap´endice A. Lo que podr´ıa deberse al efecto del etaloning mencionado anteriormente [27] [28] o a la geometr´ıa de las muestras que impedir´ıan el an´alisis adecuado. Sin embargo, la aparici´on de una serie de dobles estructuras en la regi´on entre 400-550cm−1 y entre 1500-1700cm−1, permite identificar enlaces de tipo C-C, Fe-O y Si-O-Si. Lo cual ha sido asociado a Carb´on, ´oxidos ferrosos (en especial hematita) y al cuarzo. De manera que podr´ıa tambi´en tratase de un problema de enfoque que llevara a observar estructuras en la pasta de las cer´amicas arqueol´ogicas, m´as que en la superficie.
Figura 4.3: Comparaci´on espectros obtenidos con el l´aser de 638nm
Por otra parte, es de esperarse una mejor respuesta para el l´aser de 532nm, pues la teor´ıa se˜nala que la intensidad de la se˜nal Raman es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia de la radiaci´on incidente (Iα4). El ensanchamiento del pico inicial en los espectros obtenidos con el l´aser de 638nm,
puede relacionarse con el fen´omeno de fluorescencia que presentan las muestras, el cual ser´a analizado en una secci´on posterior.
Complejo Capul´ı
Con este complejo se identificaron las muestras 1 y 2, asociadas a los estilos Negativo Negro sobre Rojo y Cuasapud Negro pulido, respectivamente. En ambos casos es muy dif´ıcil la identificaci´on exitosa de los compuestos de los pigmentos analizados.
El fragmento 1, muestra una clara coincidencia entre los espectros obtenidos con el l´aser de 638nm en los lados A (Negro) y B. Los picos identificados entre 200-550 cm−1 aparecen asociados al Cuarzo (pico muy intenso alrededor de 462 cm−1) y Hematita (picos intensos en 219, 285, 403, 494 cm−1). Mientras que una doble estructura al final del espectro se asocia con el Carb´on Amorfo (pico doble entre 1355-1566 cm−1). La presencia de Hematita implica cocci´on a temperaturas superiores a 400 C [14], que es f´acil de alcanzar.
Figura 4.4: Muestra 1 - Comparaci´on espectros obtenidos con el l´aser de 638nm en distintas regiones de la muestra
Sin embargo, los resultados de los ajustes lorentzianos no son concluyentes. Y la periodicidad de los espectros entre 550-1450cm−1 no permite establecer con seguridad estas asociaciones. De esta forma, se hacen m´as complicados los ajustes para los espectros obtenidos con el l´aser de 638nm.
Figura 4.5: Muestra 1- Lado A- Regi´on Negra: Comparaci´on en el proceso de ajuste de los espectros obtenidos con el l´aseres de a) 532nm y b) 638n
El an´alisis de la primera regi´on del espectro, haciendo ´enfasis en el primero de los picos, m´as ancho para el l´aser de 638nm sugiere la presencia de Hematita, Carb´on y Cuarzo. Los ajustes se ven en la figura 4.5. No obstante, los problemas de periodicidad de estos espectros, como en la figura 4.6 hacen que los resultados no sean concluyentes.
Figura 4.6: Muestra 2- Lado A- Espectro obtenido con el l´aser de638nm Complejo Piartal
Las muestras 3 y 4 son asociadas a este complejo; ambas pertenecen al estilo Negro desvanecido sobre Crema. En ambos casos se identificaron tres coloraciones: Caf´e Claro (denotado como C.C o Claro), Caf´e Oscuro (denotado como C.O u Oscuro) y Rojo.
Figura 4.7: Muestras 3 y 4- Lados A y B - Regi´on color Caf´e Claro: Comparaci´on entre espectros obtenidos con el l´aseres de a) 532nm y b) 638nm
Nuevamente, la periodicidad de los espectros no permite obtener resultados concluyentes. Sin em-bargo, la deconvoluci´on de los picos iniciales (rango entre 50-550cm−1) sugiere la presencia general de Anatasa, Enstatita y Hematita. Nuevamente, se presenta la doble estructura asociada con el Carb´on, en todos los espectros. La presencia de Anatasa significa la cocci´on a temperaturas por debajo de los
800C [15].
El trabajo de Kiruba y Ganesa [30] muestra que el pico alrededor de 469cm−1 corresponde a una banda de Si-O-Si, lo que explicar´ıa su presencia permanente en todos los espectros, pues se trata de un tipo de enlace presente en silicatos, constituyentes de las arcillas con las que se elaboran las cer´amicas.
Figura 4.8: Muestra 4 - Lado B - Regi´on de color Caf´e Claro
No hay una identificaci´on particular de los espectros con determinado compuesto, sino que en todos pueden identificarse algunos de los picos para la muestra 3. No obstante, los espectros de la muestra 4 resultaron en picos m´as definidos, en casi todos se presenta Anatasa (TiO2) y Enstatita ((Mg,Fe) SiO3).
En esta muestra la regi´on Caf´e Claro se asocia con la presencia de Calcita y Rodonita. Por su parte, la regi´on Caf´e Oscuro presenta m´as Hematita y Rodonita. Finalmente, la regi´on Roja con Magnetita calentada. Sin embargo, la identificaci´on, no es contundente.
Figura 4.9: Muestra 4 - Lado B - Regi´ond e color Caf´e Oscuro
Complejo Tuza
Las muestras 5, 6 y 7 fueron identificadas con el complejo cer´amico Tuza. Las muestras 6 y 7 corresponden al estilo Negro y Rojo sobre Crema y fueron halladas en el sitio arqueol´ogico de San Luis, asociado a este estilo. Pero la muestra 5, si bien fue identificada estil´ısticamente con el complejo cer´amico Tuza y el estilo Rojo Sobre Crema, fue hallada en el sitio La Esperanza en el mismo sitio que las muestras 3 y 4.
En estas muestras aparecieron picos m´as definidos en la regi´on inicial del espectro, a partir de la cual se identific´o la presencia de Anatasa, Hematita y Burnt Umber (Fe2O3+xMnO). Efectivamente,
las muestras 5 y 7 presentan una composici´on muy similar: una abundante presencia de Hematita, evidenciada en los picos m´as intensos alrededor 219cm−1 y 285cm−1, y un pico menos intenso sobre 403cm−1(que junto al pico sobre 612cm−1 corresponden a un enlace Fe-O). Sin embargo, los picos son m´as definidos para los espectros tomados con el l´aser de 532nm.
Figura 4.11: Muestra 5 - Lado A - l´aser 532nm
A pesar de la diferencia en los espectros obtenidos con el l´aser de 532nm y de 638nm en la mues-tra 7, es posible identificar elementos como la Hematita en ambos espectros, especialmente el pico en 403.81cm−1. La hematita aparece en mayor proporci´on que la magnetita, que tambi´en fue identificada, que tiene un pico caracter´ıstico est´a alrededor de los 663 cm−1 [31]. Esto significa que la cer´amica fue cocida en una atm´osfera oxidante [15] [31]. De igual manera se sugiere la presencia Anatasa, mejor identificada con el l´aser de 532nm, y Cuarzo; en menor medida se detect´o la presencia de Carb´on.
En estos casos, s´olo en las regiones blancas puede detectarse la presencia m´ınima de Magnetita (por el pico alrededor de 663cm−1). No obstante no es tan abundante como en la muestra 6 en la regi´on Negra del lado c´oncavo B. En ´el se identifica una menor presencia de Hematita. Esto significar´ıa, la cocci´on en una atm´osfera no-oxidante y una transformaci´on incompleta de la magnetita en hematita[15].
Figura 4.14: Muestra 6 - Lado B - Regi´on de color Negro-l´aser 532nm
Sin embargo, la presencia de Hematita en las dem´as regiones de color de esta muestra, sugieren la aplicaci´on posterior del pigmento Negro, variando condiciones de temperatura y atm´osfera.
Figura 4.15: Muestra 6 - Lado B - Comparaci´on presencia de a) Magnetita en la regi´on de color Negro y de b) Hematita en la regi´on de color Rojo
4.1.4.
Consideraciones finales
Las coincidencias de los espectros entre las piezas 1 y 2; 3 y 4; y 5,6 y 7 sugiere que su agrupaci´on como parte de un mismo complejo cer´amico es correcta. No obstante, la identificaci´on de los espectros de las muestras asociadas a los complejos Capul´ı y Piartal no es realmente concluyente. Principalmente de-bido a la periodicidad de los espectros y al ensanchamiento de los picos en la primera regi´on del espectro. La presencia de Hematita y Anatasa en las piezas asociadas al complejo Tuza, sit´uan las tempera-turas de cocci´on entre 400-800 grados centr´ıgrados. La presencia abundante de Magnetita en la regi´on negra de la muestra 6, da cuenta de un doble proceso de cocci´on en condiciones distintas (atm´osfera no-oxidante).
En t´erminos generales, la identificaci´on de los compuestos fue m´as efectiva al analizar los espectros obtenidos con el l´aser de 532nm. Se sugiere que el ensanchamiento del pico inicial en los espectros obte-nidos con el l´aser de 638nm se debe a la fluorescencia de las muestras. Como se ver´a m´as adelante, las part´ıculas emitir´ıan en longitudes de onda alrededor de los 538nm; cuyo registro en el espectro Raman se ve distribuida homog´enea en la primera parte del espectro.
De este modo se explica que la intensidad de los picos m´aximos obtenidos con el l´aser de 638nm su-pere la de los obtenidos con el de 532nm, a pesar de la predicci´on que la teor´ıa hace sobre la intensidad. De igual manera, la coincidencia de las longitudes de onda usadas con las transiciones requeridas en la fluorescencia podr´ıa relacionarse con fen´omenos de resonancia. No obstante este punto queda abierto como perspectiva para continuar la investigaci´on en un futuro.
4.2.
Miroscop´ıa de Fluorescencia
4.2.1.
Primera etapa: microscopio Olympus IX71
Condiciones experimentales
El microscopio Olympus IX71, bajo la supervisi´on de la Vicerrector´ıa Acad´emica e La Universidad de Los Andes, cuenta con un juego de cuatro filtros que permiten ver el fen´omeno de fluorescencia entre 400-550nm.
regi´on central est´a enfocada.
Figura 4.16: Muestra 1A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 1, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.17: Muestra 1B: Corresponde al lado A (c´oncavo) de la muestra 1, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
En la figura 4.16 se han incluido algunas de las mediciones realizadas sobre part´ıculas fluorescentes, midiendo su tama˜no en la direcci´on de su longitud m´axima. Se observa entonces que las estructuras fluorescentes var´ıan desde los 5.76µm hasta los 35.53µm. En ambas im´agenes se tiene un fondo fluores-cente, con poco contraste respecto a las part´ıculas m´as fluorescentes. Sin embargo, la mayor respuesta est´a en las im´agenes obtenidas para los filtros 1 y 4 (esto es figuras 4.16 a y b); ´estos tienen el rango de emisi´on entre 576nm y 510-550nm, respectivamente. Estas longitudes de onda coinciden con las usadas en el equipo Raman. La tendencia descrita anteriormente para la muestra 1, tambi´en se presenta en la muestra 2, con la salvedad de que esta ´ultima presenta algunas estructuras fluorescentes de mayor tama˜no. Como se observa en la figura 4.18.
Figura 4.18: Muestra 2A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 2, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.19: Muestra 3A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 3, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.20: Muestra 3B: Corresponde al lado A (c´oncavo) de la muestra 3, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Las figuras 4.20 y 4.21 son de particular inter´es, porque sugieren una diferencia en el fen´omeno de fluorescencia con el aumento de la profundidad. El lado c´oncavo B de la muestra 3 (figura 4.20) muestra
una serie de fisuras en la regi´on enfocada que pudieran corresponder a la topograf´ıa de la superficie. El lado convexo A de la muestra 4 (figura 4.21, im´agenes a, b y d) muestra lo que pudiera ser una misma estructura, pero que responde verticalmente de manera diferenciada en regiones distintas seg´un el filtro usado.
Figura 4.21: Muestra 4A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 4, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.22: Muestra 4B: Corresponde al lado A (c´oncavo) de la muestra 4, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Para la muestra 5, las figuras 4.23 y 4.24 muestran lo que podr´ıa ser una mayor granulaci´on. La falta de enfoque, a´un para el lado convexo A, se debe a la superficie muy curvada y poco homog´enea de la muestra correspondiente. No obstante, las mediciones de las estructuras fluorescentes est´an entre 8.25-48.09µm y, nuevamente, desaparecen las estructuras no-fluorescentes.
Figura 4.23: Muestra 5A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 5, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.24: Muestra 5B: Corresponde al lado A (c´oncavo) de la muestra 5, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
La muestra 6 s´olo pudo ser examinada por el lado convexo A (figura 4.25), debido a su gran tama˜no y curvatura. En ella se identific´o una estructura fluorescente de gran tama˜no, 91.46µm, que presenta un fuerte contraste para los filtros 1 y 3, pero no para los 2 y 4. En la figura 4.25 (b) aparecen regiones que podr´ıan estar m´as granuladas, aunque no al punto de las de la muestra 5.
Figura 4.25: Muestra 6A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 6, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Por ´ultimo, la muestra 7 (figuras 4.26 y 4.27) presenta estructuras fluorescentes de gran tama˜no, un fondo fluorescente y puntos brillantes (alrededor de 2µm, es decir, 200nm) distribuidos aleatoriamente por la superficie.
Figura 4.26: Muestra 7A: Corresponde al lado A (convexo) de la muestra 7, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Figura 4.27: Muestra 7B: Corresponde al lado A (c´oncavo) de la muestra 7, usando el a)Filtro 1 b) Filtro 2 c)Filtro 3 d)Filtro 4
Este an´alisis inicial permitir´ıa efectivamente asociar las muestras 1 y 2, con su baj´ısima respuesta al filtro 3 y su poco contraste con el fondo. Igualmente, las muestras 3 y 4, se caracterizan por las estructuras no-fluorescentes de forma rectangular y por un fondo m´as homog´eneo. Y las muestras 6 y 7, con su distribuci´on no homog´enea de abundantes puntos brillantes. No obstante, es dudosa la posible asociaci´on de la muestra 5.
Este an´alisis permite ver un comportamiento general que presenta fluorescencia. Sin embargo, este an´alisis no permite identificar las diferencias entre las regiones de distintos colores dentro de cada fragmento, pues la geometr´ıa y la posibilidad de controlar el objetivo lo restringen.
En el proceso de medici´on del tama˜no de las part´ıculas hubo dificultades para enfocar la muestra y para escoger la direcci´on de la medici´on. No obstante la figura 4.28 muestra un histograma que muestra la distribuci´on de tama˜nos.
Figura 4.28: Histograma del tama˜no de las estructuras fluorescentes
4.2.2.
Segunda etapa: microscopio confocal Olympus FluoViewTM
Para acabar de hacer el barrido de absorci´on y emisi´on de fluorescencia cercano a las longitudes de onda del espectr´ometro Raman (532nm y 638nm) se us´o el microscopio confocal Olympus FluoViewTM. La geometr´ıa de las s´olo permiti´o tomar datos para las muestras 1 y 4, s´olo por el lado convexo A, en ambos caso se us´o una iluminaci´on de 635nm, en la emisi´on denominada Alexa Fluor, haciendo una lectura de la emisi´on entre 650 y 750nm. Dado que se quer´ıa identificar la variaci´on de la fluorescencia con la profundidad en cada muestra, en ambos casos se hizo un barrido, seleccionando manualmente los puntos de inicio y finalizaci´on, seg´un el primer y el ´ultimo punto en el eje Z en los que fue identificada la fluorescencia.
Para la muestra 1 se realiz´o un barrido de 36 slices, con un step de 1.22µm, iniciando en -4060.81µm y terminando en -4103.51µm. La imagen 4.29 muestra la regi´on donde la part´ıcula de en medio y el fondo presentan mayor contraste. La variaci´on entre las im´agenes obtenidas cuadro a cuadro, permi-ti´o hacer una reconstrucci´on tridimensional del recuadro observado, la cual se presenta en la imagen 4.30.
Figura 4.29: Muestra 1A- Corresponde al slice n´umero 26 de 36
Figura 4.30: Muestra 1A - Reconstrucci´on tridimensional del barrido en el eje Z
Para la muestra 4 se realiz´o un barrido de 46 slices, tambi´en con un step de 1.22µm, iniciando en -2548.50µm y terminando en -2603.40µm. La imagen 4.31 muestra la regi´on donde la part´ıcula no-fluorescente y el fondo presentan mayor contraste. Tal tipo de part´ıculas no-fuorescentes vuelven a aparecer como lo hicieron en la microscop´ıa de fluorescencia sin tratamiento confocal. La reconstrucci´on tridimensional del recuadro observado, la cual se presenta en la imagen 4.32.
Figura 4.31: Muestra 4A- Corresponde al slice n´umero 15 de 46
Figura 4.32: Muestra 4A -Reconstrucci´on tridimensional del barrido en el eje Z
La comparaci´on entre las reconstrucciones tridimensionales, permite ratificar la mayor homogenei-dad de las part´ıculas en la muestra 4 respecto a la muestra 1. Es importante se˜nalar que a medida que el pinhole cambia el plano de lectura, descendiendo en el eje Z, no est´a necesariamente sincronizado con las capas de la cer´amica. Por esta raz´on calcular el tama˜no de las part´ıculas con esta t´ecnica no dar´ıa resultados confiables.
Sin embargo, al comparar la muestra 1 (figura 4.30) y 4 (figura 4.32) es posible identificar un menor tama˜no en las part´ıculas de la muestra 4 y, la consecuente homogeneidad de la muestra 4 respecto a la 1. Esto se corresponde con el mayor ensanchamiento de los picos Raman al comienzo de los espectros de las muestras 3 y 4, respecto al resto de muestras (inclusive las 1 y 2).
superficies observadas en la microscop´ıa de fluorescencia permitieron confirmar la clasificaci´on estil´ıstica sugerida inicialmente: Capul´ı (muestras 1y 2), Piartal (muestras 3 y 4) y Tuza (muestras 5, 6 ,7). Las dudas existentes sobre la filiaci´on de la muestra 5 (asociada en estilo con el complejo Tuza, pero proveniente del mismo lugar que las muestras 3 y 4) quedaron disipadas al observar la correspondencia de los espectros, tanto de las tonalidades rojizas como de las crema, de ´esta y de la muestra 7.
Los espectros obtenidos usando el l´aser de 532nm facilitaron el proceso de identificaci´on de com-puestos y presentaron, en t´erminos generales, picos m´as definidos. Esto se explica por dos razones: por la mayor respuesta Raman predicha por la teor´ıa y por la fluorescencia de las muestras. El an´alisis de fluorescencia mostr´o que las muestras emiten principalmente en la regi´on entre 510-560nm y entre 650-750nm; y son m´as fluorescentes en el rango que incluye al l´aser de 638nm. La comparaci´on entre la fluorescencia (en el microscopio confocal) de las muestras 1 y 4, muestra c´omo el menor contraste entre el fondo y las part´ıculas fluorescentes genera mayor intensidad en el fen´omeno de fluorescencia observado en Raman. Esto es, el ensanchamiento de los picos en la regi´on de 50-200cm−1 de los espectros Raman para las muestras 3 y 4, por contraposici´on a lo que ocurre con el resto de muestras. Sin embargo, la dependencia exclusiva de la geometr´ıa de la muestra para realizar estas mediciones no permite extrapolar ninguna conclusi´on hacia la diferencia entre pigmentos.
Los espectros que presentan periodicidad pueden ser producto de la geometr´ıa de las muestras o de la imposibilidad de enfocar en una regi´on m´as uniforme al variar de coloraci´on. A pesar de la periodicidad de algunos espectros, hay tres factores que indican que es posible que lo que se est´e observando sean efectivamente estructuras propias de los materiales arcillosos. El primero se apoya en la muestra 7 en el an´alisis para el lado B en la regi´on de color rojo. En este an´alisis el l´aser de 638nm presenta gran periodicidad, mientras que el de 532nm presenta picos bien definidos. El segundo hecho consiste en que a´un en casos donde el enfoque ´optico fue bastante exitoso, no desaparece por completo. El tercero se basa en la coincidencia de las estructuras dobles (alrededor de 400-550cm−1 y 1500-1700 cm−1) con los picos asociados a los enlaces C-C, Fe-O y Si-O-Si. Los cuales han sido asociados, a lo largo de este trabajo con los compuestos Carbono,
Hematita/Magnetita y Cuarzo. Esto podr´ıa ser comprobado o descartado con el uso de otras t´ecnicas para el an´alisis y la caracterizaci´on de pigmentos.
El uso de las t´ecnicas mencionadas en el marco te´orico se propone como continuaci´on de esta investigaci´on, con el ´animo de completar la identificaci´on en los complejos en los que no fue posible y de reafirmar los resultados en el complejo Tuza. Se ha visto c´omo en otras investigaciones el uso de la t´ecnica XRD puede descartar o comprobar la presencia de magnetita. Adem´as FT-IR brindar´ıa informaci´on sobre los modos inactivos en Raman. Por ´ultimo, XRF permitir´ıa conocer la composici´on porcentual de los elementos.
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