Molecular characterisation of the Mesoamerican traditional dye extracted from the Justicia spicigera plant
Caractérisation moléculaire du colorant traditionnel mésoaméricain extrait de la plante Justicia spicigera
Résumé
Due to their complex composition and their instability over time, the identification of organic natural dyes in historical artefacts is a challenging task. Chromatographic methods hyphenated to UV-Vis absorption, fluorescence detection or mass spectrometry are particularly adapted for the characterisation of complex natural products; however, these techniques face limitations in their application in the cultural heritage field due to the sampling possibilities. The identification relies thus mainly on the use of non-invasive spectroscopic techniques giving global spectral fingerprint of the studied coloured material. This approach requires a preliminary in-depth knowledge of the chemical composition of the dyes to link the recorded spectral features to compounds from the natural extracts.This work focused on the characterisation of a natural dye used in the Codex Borbonicus, a 16th century. Aztec manuscript. The dye extracted from Justicia spicigera leaves, a tinctorial plant from Central America, was tentatively identified in the paint layers of the manuscript by comparison of the recorded Raman and UV-Vis fluorescence emission signals with published data. However, this dye is poorly characterised and the lack of knowledge about its chemical composition make it impossible to ensure that the compounds responsible for the spectral features are specific to this plant species. Besides, to the author's knowledge, this is the unique identification of the use of this traditional textile dyestuff in a Mesoamerican codex and no historical sources describe its preparation to produce paint layers.The main objective of the project is to broaden the knowledge regarding the natural dye from the Justicia spicigera leaves through the structural elucidation of the compounds responsible for its colour and the characterisation of paint layers mock-ups, some of them being artificially aged. In particular, this will allow to confirm its identification in the Codex Borbonicus.First, a preparative liquid chromatographic method was developed for the purification of the main coloured compounds from the Justicia spicigera extract. The ionisability of these target compounds enabled the optimisation of an off-line bidimensional separation with the same stationary phase and based on a pH change of the mobile phase; the orthogonality between the dimensions was quantitatively evaluated. Then, a multi techniques approach involving high-resolution mass spectrometry, nuclear magnetic resonance, vibrational (infrared absorption and Raman) and electronic (ultraviolet-visible absorption and fluorescence) spectroscopies was carried out to propose a molecular structure of the purified compounds. In addition, model paint layers were produced from Justicica spicigera leaves and were artificially aged under light exposition to evaluate whether the protocol for the preparation or the degradation state of the dye could prevent its identification.The molecular and spectral characterisations gathered in this work provide a solid base of knowledge for the identification of the Justicia spicigera dye in other Mesoamerican artefacts.
L'identification des colorants organiques naturels dans les matériaux du patrimoine est un défi analytique considérable, notamment dû à la complexité de leur composition chimique et à leur faible stabilité dans le temps. Si les méthodes chromatographiques couplées à des détecteurs d'absorption, de fluorescence ou de spectrométrie de masse sont particulièrement adaptées à l'analyse de ces mélanges complexes, leur utilisation pour l'analyse des objets du patrimoine est limitée par les possibilités de prélèvement de matière. L'identification est ainsi majoritairement réalisée par des techniques spectroscopiques non-invasives donnant accès à des signatures spectrales globales du matériau coloré analysé. Cette approche repose sur une connaissance préalable de la composition chimique des colorants susceptibles d'être rencontrés afin de relier les empreintes spectrales enregistrées aux composés présents dans les extraits naturels.Ces travaux de thèse ont porté sur la caractérisation d'un colorant naturel employé dans le Codex Borbonicus, un manuscrit aztèque du 16ème siècle. Celui-ci a été hypothétiquement identifié comme extrait des feuilles de Justicia spicigera, une plante tinctoriale originaire d'Amérique Centrale, par des techniques spectroscopiques non-invasives (spectroscopies Raman et d'émission de fluorescence) et la comparaison des signaux enregistrés pour les couches picturales du manuscrit avec des spectres publiés dans la littérature. Cependant, ce colorant a été très peu caractérisé et le manque de connaissances quant à sa composition chimique ne permet pas d'attester si les composés à l'origine de ces signaux lui sont spécifiques. Par ailleurs, ce colorant est traditionnellement employé dans le domaine de la teinture de textiles. Son identification dans un codex mésoaméricain est unique à ce jour et aucune source historique ne relate son mode de préparation pour son utilisation en tant que peinture.L'objectif du projet est d'enrichir les connaissances sur le colorant extrait des feuilles de Justicia spicigera via l'élucidation structurale des composés responsables de sa couleur et la caractérisation de reproductions de couches picturales, notamment vieillies artificiellement. Cela permettra notamment de valider l'identification faite dans le Codex Borbonicus.Dans un premier temps, une méthode de purification par chromatographie préparative en phase liquide des principaux composés colorés de l'extrait de Justicia spicigera a été développée. Le caractère ionisable de ces molécules cibles a permis d'envisager une séparation bidimensionnelle hors-ligne sur une même phase stationnaire et basée sur un changement de pH de la phase mobile ; l'orthogonalité entre les dimensions a été quantitativement évaluée. Puis, une approche multi techniques impliquant la spectrométrie de masse à haute-résolution, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, des spectroscopies vibrationnelles (absorption infrarouge et Raman) et électroniques (absorption et fluorescence dans l'ultraviolet et le visible) a été mise en œuvre afin de proposer une structure moléculaire des composés purifiés. D'autre part, des couches picturales modèles ont été réalisées à partir du colorant extrait de Justicia spicigera et ont ensuite été soumises à un vieillissement accéléré à la lumière, afin de mettre en évidence d'éventuelles limites d'identification du colorant selon son mode de préparation ou son état de dégradation.L'ensemble des caractérisations moléculaires et spectrales réalisées dans ce travail constitue un socle de connaissances solides pour l'identification du colorant extrait de Justicia spicigera dans les objets du patrimoine culturel mésoaméricain.
Domaines
Chimie analytique
Origine : Version validée par le jury (STAR)