La radiazione elettromagnetica al servizio dell’analisi chimica in campo forense e dei beni culturali

Nel 1970, l’invenzione dei rivelatori ibridi (CCD) ha rappresentato il punto di svolta per il progresso dell’imaging iperspettrale (HSI). Questa tecnologia ha consentito a una fotocamera di registrare informazioni sia spaziali che spettrali per lunghezze d’onda oltre 1.000 nm. Ma è solo dopo il progresso dell’elettronica, dell’hardware e del software nei successivi 20 anni che la comunità scientifica ha iniziato ad applicare l’HSI in una gamma più ampia di applicazioni, a partire dal telerilevamento per scopi militari. Da questo punto di partenza, la crescente qualità delle immagini spettrali, abbinata ai progressi nell’informatica, ha consentito l’applicazione dell’elaborazione delle immagini e dell’analisi statistica multivariata e ha aperto le porte al fiorire della ricerca HSI.
Nel campo della chimica analitica, i sistemi HSI possono operare nelle regioni UV (ultravioletto), VIS (visibile), NIR (vicino infrarosso) o IR (infrarosso medio), con numerose applicazioni in agricoltura, chimica degli alimenti, scienze ambientali, beni culturali e scienze forensi. Lo scopo di questo lavoro è presentare i vantaggi nell’applicazione dell’HSI per risolvere problemi analitici impiegando, in combinazione, il segnale analitico ottenuto mediante spettroscopia vibrazionale, nella regione NIR, con le informazioni relative alla distribuzione spaziale degli analiti di interesse. Inoltre, verrà evidenziata l’importanza di una visione multivariata nello sviluppo di una corretta strategia di elaborazione dei dati, concentrandosi su come sfruttare le informazioni spaziali provenienti dal cubo di dati HSI.
L’identificazione, la mappatura e la quantificazione delle sostanze chimiche in modo non distruttivo verranno presentate grazie a due casi studio: 1) Identificazione e datazione di tracce biologiche invisibili su campioni forensi; 2) Mappatura e quantificazione del collagene in ossa archeologiche.

In 1970, the invention of the hybrid area array detectors (CCDs) was the turning point for the advancement of hyperspectral imaging (HSI). This technology allowed a camera to record both spatial and spectral information of wavelengths beyond 1,000 nm. But it is only after the advancement of electronics, hardware, and software in the following 20 years that the scientific community starts to apply HSI in a wider range of applications, starting from remote sensing for military purposes. From this starting point, the increasing spectral image quality paired with the advances in desktop computing allowed the application of image processing and multivariate statistical analysis and opened doors for HSI research to flourish.
In the field of analytical chemistry, HSI systems may operate in UV (ultraviolet), VIS (visible), NIR (near infrared) or IR (medium infrared) regions, with the VIS and NIR regions being most popular for application in agriculture, food chemistry, environmental science, cultural heritage, and forensics science. The aim of this work is to present the advantages in applying HSI for solving analytical problems by empowering the chemical signature obtained by means of vibrational spectroscopy, in the NIR region, with the information related to the spatial distribution of the analytes of interest. Moreover, the importance of a multivariate vision in developing a proper data processing strategy will be highlighted, focusing on how to exploit the spatial information from the HSI data cube. In more detail, practical indication on how to choose between working at an image level, at an object level or at a pixel level will be provided.
Identification, mapping, and quantification of the chemicals in a non-destructive (even contactless) way will be presented thanks to two case-studies: 1) Identification and age estimation of invisible biological traces on forensic evidence; 2) Mapping and quantification of collagen in archaeological bones.