Abstract: At or below the surface of painted works of art, valuable information is present that provides insights into an object’s past, such as the artist’s technique and the creative process that was followed or its conservation history, but also on its current state of preservation. Typically, a (very) limited set of small paint samples is taken which provide direct access to the individual paint layers. The chemical build-up of these layers can then be investigated in great detail using various microscopic analytical methods. However, in recent years a new trend towards both elemental and chemical imaging techniques has been set which are capable of visualizing the (often) heterogeneous composition of painted objects on a macroscopic scale. In this dissertation, various forms of specificity attainable with X‑ray powder diffraction (XRPD) imaging are explored: at the chemical, material and spatial level. This high specificity is illustrated throughout several applications stemming from the field of cultural heritage, both at the macroscopic (MA) and microscopic (µ) scale. As a first step, XRPD imaging was transformed to a transportable instrument that can be employed for the in situ investigation of artworks, e.g., inside museums and conservation workshops. With this unique instrument large‑scale maps (cm2 – dm2) reflecting the distribution of crystalline phases on/below the surface of flat painted artefacts can be visualized in a noninvasive manner. In this way compound-specific information was attained which can be related to original pigments or materials that have been added in a later stage and even degradation/secondary products that have formed spontaneously inside the paint layers. Additionally, with MA‑XRPD imaging it was possible to link quantitative information of pigment compositions and preferred orientation effects to the 2D compound‑specific distribution images, allowing for a further distinction between very similar artists’ materials. Furthermore, promising results for the limited depth-selectivity of this technique, obtained by exploiting the small shift in the position of the diffraction signals originating from the layered sequence of the pigments, are shown. Finally, a minute paint sample from Wheat stack under a cloudy sky by Van Gogh was investigated at a synchrotron radiation facility with tomographic µ‑XRPD imaging at the microscopic scale. The high chemical and spatial specificity of this imaging method was exploited to further elucidate the degradation pathway of the red lead pigment.

Abstract: In the past years, and also within the framework of this CRP, we have used a combination of several nuclear and non-nuclear techniques in fundamental research and especially in various applications. Most work has been done with energy-dispersive X ray fluorescence in combination with electron probe X ray microanalysis, but several other more common analysis techniques have been used as well. The applications have included mostly preventive conservation (e.g. characterisation of damaging atmospheric particles in many museums) and environmental monitoring (e.g. for atmospheric particles in relation to their health effects in outdoor and especially indoor environments). Fundamental aspects have been in the optimising of interfaced electron microprobe and Raman microprobe analysis and the evaluation of the potential of such an instrument for atmospheric aerosols; quite a few unexpected and unpredicted problems have appeared in the latter study.

Abstract: Dit onderzoek presenteert een overzicht van de mogelijkheden van LA-ICP-MS als een techniek voor kwantitatieve analyse, bepalen van isotoopverhoudingen en elementaire beeldvorming. Hiervoor wordt de techniek zelf voorgesteld en worden de belangrijkste parameters die een invloed hebben op de kwaliteit van een LA-ICP-MS meting beschreven. Voor kwantitieve analyse worden de huidige calibratiestrategieën voor LA-ICP-MS toegelicht, zowel op het vlak van selectie en bereiding van standaarden als op het vlak van dataverwerking. Daarnaast werd een nieuwe calibratiestrategie voorgesteld, gebaseerd op een lineaire combinatie van standaarden. Een case study met de traditionele calibratiestrategie uit de literatuur werd uitgevoerd en vergeleken met data van SEM-EDX om een referentiekader te schetsen voor de performantie van de techniek. In een tweede case study werd onze nieuwe calibratiestrategie toegepast en werd er uitsluitend gebruik gemaakt van LA-ICP-MS, wat uitstekende resultaten opleverde. Met het oog op het bepalen van isotoopverhoudingen, werd er onderzocht wat de limieten zijn van het gebruik van een lage resolutie quadrupool massaspectrometer voor deze bepaling. Dit stelde ons in staat om de te verwachten accuraatheid en precisie in te schatten. De performantie bleek goed genoeg te zijn om weapon-grade plutonium te onderscheiden van global fall-out, zoals het werd aangetoond in de case study omtrent dit onderwerp. Uiteindelijk hebben we ook LA-ICP-MS geëvalueerd als een techniek voor elementaire beeldvorming, waarbij we tevens de meest courante multivariate data analyse hebben beschreven. Om de techniek te plaatsen tegenover andere elementaire technieken, werd een historisch verffragment geanalyseerd dat in het verleden reeds geanalyseerd was met SEM-EDX and μ-XRD. Op die manier konden we de resultaten accuraat vergelijken met de andere technieken.