Plakat - Wydział Chemii UW

Oznaczanie barwników naturalnych i pigmentów w obiektach zabytkowych
Katarzyna Pawelec
Kierownik pracy: prof. dr hab. Marek Trojanowicz, Opiekun pracy: mgr Izabella Surowiec
Pracownia Analizy Przepływowej i Chromatografii
Barwniki w tkaninach
Analiza obiektów zabytkowych pod kątem związków zawartych w barwnikach służy do
ustalenia faktów dotyczących życia naszych przodków. Pomaga odpowiedzieć na pytania o
źródło i sposób wybarwienia tkanin używanych przez różne grupy społeczne w różnych
regionach świata i w różnym czasie na przestrzeni wieków. Dzięki tym informacjom można
wnioskować o obyczajach, charakterystyce i upodobaniach kolorystycznych oraz sposobie
dekorowania domów. Znajomość pierwotnej barwy obiektu pomaga zrekonstruować obiekt i
ustalić warunki jego ekspozycji.
Barwniki naturalne otrzymywano głównie z roślin i owadów. Związki z grupy flawonoidów
są składnikami żółtych barwników a pochodne antrachinonu czerwonych.
Barwniki syntetyczne stosowano dopiero po 1856 r. Jest to data syntezy pierwszego
barwnika – purpury anilinowej.
R1
R5
O
R4
OH
Produkty degradacji flawonoidów,
kwasy hydroksybenzoesowe
Żółte barwniki,
flawonoidy
Kwasy hydroksybenzoesowe
Alizaryna
Luteolina
Kwas 4-hydroksybenzoesowy
Purpuryna
Apigenina
Kwas 2,4-dihydroksybenzoesowy
Purpuroksantyna
Moryna
Kwas 3,4-dihydroksybenzoesowy
Kwas karminowy
Ramnetyna
Emodyna
Kwercytyna
13
7
H
O
O
H
59,2
56,4
53,6
50,8
48
45,1
42,3
39,5
36,7
33,9
31
28,2
25,4
N
N
N
H
O
Analiza pigmentów w próbkach ikon
O
H
Indyrubina
Indygotyna
Cel badań
Celem badań było zoptymalizowanie metody oznaczenia składników purpury tyryjskiej.
Zbadano wpływ fazy stacjonarnych o różnej zawartości procentowej węgla na ogonowanie piku
6,6’-dibromoindygotyny oraz wpływ filtrowania na odzysk badanych związków. Optymalizacja fazy
ruchomej objęła rodzaj modyfikatora organicznego, dodatek kwasu do fazy ruchomej, prędkość
przepływu eluentu oraz temperaturę prowadzenia rozdzieleń.
Zoptymalizowaną metodę zastosowano do analizy ekstraktów purpury z różnych gatunków
ślimaków z włókien bawełnianych i jedwabnych.
Kolekcja tkanin dwuosnowowych ze zbiorów Muzeum Podlaskiego w Białymstoku
pochodzi z drugiej połowy XIX w. i pierwszej połowy XX w. z terenów północno-wschodniej
Polski. W tym okresie w zachodniej części kraju stosowano już barwniki syntetyczne. Ze
względu na słabszy rozwój gospodarczy białostocczyzny, uważano, iż te unikatowe tkaniny były
barwione według lokalnej tradycji i receptur barwnikami naturalnym.
22,6
Najlepsze rozdzielenie wzorców uzyskano dla następującego składu elektrolitu podstawowego: 30 mM Na2B4O7 · 10 H2O / H3BO3 , pH 9,0, 20% acetonitrylu.
Otrzymane granice wykrywalności były około trzy rzędy wielkości wyższe niż te uzyskiwane
za pomocą HPLC i nie pozwoliły na identyfikację barwników w badanych ekstraktach z włókien
historycznych.
N
Analiza ekstraktów z dwuosnowowych tkanin ze zbiorów Muzeum
Podlaskiego w Białymstoku
19,7
Wnioski
6,6'-dibromoindygotyna
H
1- kwas 2,4-dhba
2- histazaryna
3- alizaryna
4- purpuroksantyna
5- emodyna
6- ramnetyna
7- purpuryna
8- kwercytyna
9- moryna
10-apigenina
11- luteolina
12- kwas 4-hba
13- kwas karminowy
14- kwas 3,4-dhba
Rozdzielenie 14 wzorców w warunkach optymalnych: 30 mM Na2B4O7 · 10 H2O / H3BO3 , pH 9,0, 20% acetonitrylu; kapilara I.D. 75 µm,
dł. do detektora 50,3 cm, dł. całkowita 60,8 cm, napięcie 20 kV, temp. = 25°C, wstrzykiwanie hydrodynamiczne 25 mbar przez 5 s.
H
O
Flawonoidy
Br
N
Br
Izatyna
Antrachinoidy
23
9 10
8
-0,0005
O
N
Czerwone barwniki,
pochodne antrachinonu
1
0,0005
14
H
N
OH
O
56
16,9
O
R2
R2
11
0,001
14,1
R3
4
0
O
R6
0,0015
R1
O
12
0,002
11,3
R3
0,0025
8,46
R2
R7
COOH
Celem badań elektroforetycznych była optymalizacja metody rozdzielenia głównych
składników barwników naturalnych - związków z grupy antrachinoidów i flawonoidów oraz
produktów ich degradacji – kwasów hydroksybenzoesowych. Opracowaną metodę porównano z
metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej pod względem wykrywalności badanych
związków. Zbadano wpływ następujących parametrów na rozdzielenie elektroforetyczne: pH
elektrolitu podstawowego, jego stężenie oraz dodatek acetonitrylu.
5,64
R1
Cel badań
2,82
O
OH
Purpura Tyryjska jest jednym z najstarszych barwników w historii ludzkości. Pierwszym
ośrodkiem produkującym i barwiącym purpurą była Tyria. Najstarsze tkaniny wybarwione tym
barwnikiem pochodzą z 1900 r p.n.e. Barwiono nią szaty najbogatszych członków społeczeństw,
manuskrypty jak np. Codex Alexandrinus, czy grecki tekst Biblii Codex aureus datowany na VIII/IX
w. p.n.e. Kolor uzyskiwano w wyniku przemian, którym ulegał prekursor w trakcie wybarwiania
tkaniny roztworem ekstraktu ze ślimaków. Prekursor pozyskiwano z gruczołów ślimaków z rodziny
Murex.
Głównym składnikiem Purpury Tyryjskiej jest 6, 6’-dibromoindygotyna. Jej wodny roztwór nie
jest stabilny w czasie. Związek ten trudno też rozpuszcza się w rozpuszczalnikach stosowanych w
chromatografii w odwróconym układzie faz. Utrudnia to analizę innych związków purpury,
będących w znacznie mniejszych ilościach niż związek główny, a mogących być kluczowymi w
identyfikacji poszczególnych gatunków ślimaków. Związkami tymi są na przykład bromowane
pochodne izatyny, indyrubiny i indygotyny.
0
R8
Elektroforeza kapilarna w oznaczaniu barwników naturalnych w
próbkach historycznych
Wysokosprawna chromatografia cieczowa w oznaczeniach składu
Purpury Tyryjskiej
mAU
Obiektem badań były ikony z ikonostasu zamieszczonego w złotych wrotach ołtarza kościoła
w Ognianowie, małej wiosce na południu Bułgarii, charakteryzujące się niesamowicie dokładnym
wykonaniem oraz realizmem przedstawionych na nich postaci. Kościół wybudowano w 1835 roku, a
ołtarz powstał w 1836 roku. Miejscowość ani kościółek nie są szczególnym miejscem kultu ani
atrakcją turystyczną, a tamtejsze ikony wykonane są przez miejscowego malarza Dimitara Molerova
i/lub być może jego syna Simeona. Uzyskane informacje mają wartość historyczno-poznawczą.
Cel badań
Potrzeba konserwacji tak cennych zabytków wywołała konieczność analizy chemicznej
zawartych w nich pigmentów oraz stosowanych spoiw. Wyniki analiz mogą być pomocne w
ustaleniu pochodzenia pigmentów i historii powstawania ikon. Do analizy pigmentów użyto
spektrometru fluorescencji rentgenowskiej oraz skaningowego mikroskopu elektronowego.
3.5
Cel badań
czerwony – 608 nm,
3
Analiza związków barwiących tkanin dwuosnowowych miała na celu potwierdzenie
hipotezy o stosowaniu barwników naturalnych w farbiarstwie przełomu wieków XIX i XX na
terenie białostocczyzny. Analizy ekstraktów z włókien z tkanin wykonano metodą HPLC.
niebieski – 548 nm
2.5
Nr
Barwa próbki
Spektrometr
fluorescencyjny
Mikroskop elektronowy
Pigment
9.
Czerwony
Pb
Pb, C, O
Pb3O4
13.
Ciemno niebieski
brak
C, O, Ba, Pb, Zn, ślady Fe
Ilość Fe jest zbyt mała by stanowić podstawę
pigmentu nadającego barwę
Fe(OH)3, PbO, As2S3, Pb3(SbO4)2, CdS,
K3[Co(NO2)6], PbCrO4, PbCrO4 · PbSO4, ZnCrO4, CaCrO4,
Barwnik naturalny C19H16O11Mg · 5H2O
Złocenie na gipsie z dodatkiem
tlenku żelaza, Fe2O3.
2
1.5
A
B
1
150
1 – kwas karminowy
2-4 - niezidentyfikowane
związki barwiące
2
Żółta
brak
2
22.
Złoto na czerwonym
podłożu
Se, Ag, Sb
Au, Fe, Si,
Ca, S, O,
0.5
180
100
50
17.
C, O, Ca, Cu, Pb, S,
As, Si, ślady Ba, Fe i Zn
220
200
Absorbancja (mAU)
Absorbancja (mAU)
200
1
3
4
160
0
3
140
-0.5
120
0
100
5
10
15
20
25
30
35
min
Chromatogram ekstraktu z włókna barwionego Heksaplex trunculus
zarejestrowany w warunkach optymalnych.
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
Czas (min.)
Dywan o wymiarach 155-210 cm „Gałązka dębu”, Ludgarda Sieńko
Crystal Violet
0
50
250
300
350
400
450
500
550
600
Dlugosc fali (nm)
A: Chromatogram otrzymany dla ekstraktu z fioletowego włókna z tkaniny z 1890
roku pochodzącej z Łempic.
B: Widma związków niezidentyfikowanych wskazują na zastosowanie
syntetycznych barwników.
Wnioski
Wyniki analizy 65 próbek wykazały, iż do barwienia tkanin dwuosnowowych stosowano
głównie barwniki syntetyczne. Głównym naturalnym źródłem barwnika był w tym przypadku
jeden z gatunków koszenili.
Wnioski
Warunki optymalne do oznaczenia głównych składników Purpury Tyryjskiej to: faza
stacjonarna Alltima C18, 3µm, 7,5 x 2,1 mm, gradient: acetonitryl, 0,1 % kwasu metanosulfonowego,
temp. 70˚C, prędkość przepływu 0,3 ml/min i objętość nastrzyku 15 µl. Składniki purpury są
częściowo zatrzymywane na filtrach, co niekorzystnie wpływa na analizę związków o niskich
stężeniach.
Analiza ekstraktów z włókien barwionych różnymi gatunkami ślimaków wykazała obecność
niezidentyfikowanych dotąd związków. Związki te mogą być charakterystyczne dla gatunku ślimaka,
którego użyto jako źródła prekursora barwnika, a ich występowanie może być również zależne od
sposobu wybarwiania tkaniny. Analiza z detekcją metodą spektrometrii mas pozwoli określić
strukturę tych związków.
Spektrometr fluorescencji
rentgenowskiej
„Wniebowzięcie” D., S. Molerov
Skaningowy mikroskop
elektronowy
Próbka nr 22
Obraz próbki nr 22 pod
mikroskopem
elektronowym
Wnioski
Ze względu na niewielkie ilości próbek analiza spektrometrem w wielu przypadkach nie dała
wyników, skaningowy mikroskop elektronowy umożliwił w większości przypadków detekcję
charakterystycznych pierwiastków oraz identyfikację zastosowanych pigmentów.
Badania Purpury Tyryjskiej wykonano w ramach programu polsko-francuskiego POLONIUM «Characterisation of antique purple in the cultural property artefacts by HPLC-PDA and HPLC-MS» pod opieką mgr Witolda Nowika.
Badania próbek ikon metodą fluorescencji rentgenowskiej wykonano na Wydziale Chemii Uniwersytetu Sofijskiego w ramach programu CEEPUS pod opieką prof. dr Ivelina Kuleffa