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Pigments et colorants de l’Antiquité et du Moyen Âge

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Institut de recherche et d'histoire des textes
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Centre de recherche sur les collections
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Équipe Étude des pigments, histoire et archéologie

Session D. Mise en œuvre d'une recherche pluridisciplinaire : l'échange des informations et l'exploitatioin des résultats obtenus

L’analyse de colorants organiques naturels par chromatographie liquide haute performance et traitement des données par ordinateur

Jan Wouters

Résumé

L’analyse de colorants peut compléter des considérations géographiques et historico-culturelles sur une œuvre d’art.
La technique de chromatographie liquide haute performance est relativement nouvelle dans ce domaine. Elle combine une grande vitesse à une grande sensibilité, un grand pouvoir séparatif et une quantification facile. Le détecteur diode array, couplé à un ordinateur, augmente encore les possibilités analytiques : on peut enregistrer plusieurs fois par seconde le spectre, couvrant la plus grande partie de la région ultraviolette et visible, de l’échantillon qui passe par la cellule de détection. Les données, enregistrées sur un disque dur, peuvent être manipulées selon la quantité et la nature des produits séparés.
L’analyse comparative de différentes cochenilles est donnée comme exemple. La cochenille américaine (Dactylopius coccus), la cochenille polonaise (Porphyrophora polonica) et la cochenille arménienne (Porphyrophora hamelii) ont en commun le contenu en acide carminique d’au moins 90 %. Afin de pouvoir identifier et quantifier les composés mineurs, dont les rapports sont très importants pour reconnaître chaque espèce individuelle, il est absolument nécessaire de rechercher chaque composé important à son propre maximum de sensibilité. Ainsi, on est parvenu à distinguer ces trois espèces par un traitement graphique des résultats analytiques quantitatifs du contenu global en acide flavokermésique et acide kermésique, et le contenu en un colorant jaune encore inconnu, mais appelé dcII. Un bon système de quantification permet aussi de distinguer différentes espèces de Rubiaceae, comme la Rubia tinctorum (la garance), la Rubia peregrina (la garance sauvage), la Rubia munjista, et d’autres. A l’aide d’analyses d’extraits de sources naturelles primaires avant et après hydrolyse acide, de teintures de laine exécutées au laboratoire, et d’une méthode standardisée pour la récupération des colorants, il est possible d’obtenir des tolérances de rapports entre différents composés. Ainsi, il devient possible, non seulement d’attribuer un résultat analytique à une source naturelle spécifique avec une certaine probabilité, mais aussi de reconnaître dans une analyse des mélanges de plusieurs sources primaires.
A l’heure actuelle, il est possible de séparer et de reconnaître la plupart des colorants naturels rouges et jaunes, et les tanins hydrolysables, dans une seule analyse.
Bien que conçue pour et la plupart du temps appliquée à l’analyse de colorants sur textiles, la méthodologie s’applique très bien aussi aux peintures et enluminures (laques).

Texte intégral

1L’analyse de colorants naturels est importante pour les raisons suivantes : elle peut être employée à reconnaître des traditions de choix et de technique dans un contexte historique et géographique ; si l’interprétation des résultats est suffisamment détaillée , elle complète des considérations techniques, géographiques et historico-culturelles ; elle peut illustrer l’existence d’importation et d’échange de produits entre plusieurs régions du monde.

Méthode d’analyse

  • 1 SCHWEPPE, H. “Identification of dyes in historic textile materials", in ”Advances in Chemistry Seri (...)
  • 2 TAYLOR, G.W., “Detection and identification of dyes on Anglo-Scandinavian textilesStudies in Conser (...)
  • 3 MASSCHELEIN-KLEINER, L., “Microanalysis of hydroxyquinones in red lakes“,Microchimica Acta 6 (1967) (...)

2Dans le passé, différentes méthodes ont été employées pour l’analyse de colorants organiques naturels, comme la solubilisation des colorants depuis leur substrat dans différents solvants1, l’analyse spectrale de ces solutions2 et la séparation des composés par la chromatographie couche mince3. L’information la plus complète devrait donner le résultat de façon, à la fois, qualitative et quantitative ; c’est-à-dire : quels sont les produits présents dans l’échantillon qui peuvent contribuer à la couleur ? Et quel est le rapport entre eux ?

  • 4 WOUTERS, J., “High performance liquid chromatography of anthraquinones : analysis of plant and inse (...)

3La chromatographie liquide haute performance (HPLC) combine de façon parfaite séparation et quantification4.

La combinaison HPLC-détecteur à diodes (UV-VIS)

4L’introduction du détecteur « diode-array » augmente encore les possibilités analytiques : il devient possible d’enregistrer plusieurs fois par seconde l’analyse spectrale complète de l’échantillon dans la cellule de détection et de garder toutes ces données sur un disque dur d’un ordinateur. Après analyse, les résultats peuvent être sélectivement présentés, manipulés, copiés et imprimés.

5La combinaison de la séparation par HPLC, de la détection par le système diode-array et du traitement des données par ordinateur permet la détection des composés, chacun à son propre maximum de sensibilité à l’aide d’une injection unique d’un échantillon. La limite de détection qui a été obtenue, notamment pour l’acide carminique est de l’ordre de grandeur de quelques dizaines de nanogrammes dans un volume injecté de 20 µl.

6Un schéma de l’installation complète est donné dans la figure 1. La pompe (P) peut mélanger jusqu’à quatre solvants différents (S) dans un rapport quelconque. Puisqu’un changement de ce rapport volumétrique est programmable dans le temps (Pr), la formation de gradients de toutes sortes est possible. L’échantillon est introduit dans la phase mobile par l’injecteur (I). La colonne employée (C) est du type phase inverse C18 ; les particules de la phase stationnaire ont un diamètre de 3 µm et le volume total de la colonne est de 830 µl. A un débit de 1. 2 ml par minute, une pression de 150 à 250 bars est générée. Le détecteur (D) mesure les caractéristiques spectrales de l’éluant entre 200 et 600 nm, et ceci toutes les 1. 7 secondes. Ces valeurs des paramètres donnent un compromis entre pouvoir de résolution et travail pratique ; en effet, pendant une analyse qui dure 34 minutes, un total de 640 Kb de données est reçu par l’ordinateur (Or), tout près du maximum qui peut être copié sur un disque souple dans notre installation. Finalement, le chromatogramme et tous les types d’analyse, dérivés de celui-ci, peuvent être générés et contrôlés sur l’écran (E), avant d’être imprimés sur un enregistreur (Enr).

Fig. 1. Représentation schématique de l’analyse HPLC telle qu’elle est employée à l’Institut Royal du Patrimoine Artistique à Bruxelles. P : pompe ; S : réservoirs sous pression d’hélium pour quatre solvants ; Pr : unité de programmation et de contrôle de la pompe ; I : injecteur ; C : colonne de séparation ; D : détecteur ;Or : ordinateur ; E : écran ; Enr : enregistreur.

L’analyse de rouges d’insectes

  • 5 VERHECKEN, A. and WOUTERS, J., “The Coccid insect dyes. Historical, geographical and technical data (...)
  • 6 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The Coccid dyes (Homoptera, Coccoidea), Species recognition by HPLC (...)

7La figure 2a montre l’analyse d’un extrait aqueux de l’insecte Porphyrophora hamelii, qui est natif de l’Arménie et dont le colorant est appelé la cochenille arménienne5et6. L’axe vertical représente l’intensité d’absorption de rayons UV à 275 nm ; l’axe horizontal donne le temps d’élution. Le pic principal dans ce chromatogramme représente l’acide carminique, qui est un composé important dans d’autres espèces de Coccidés aussi. Des composés mineurs peuvent être visualisés plus clairement par une multiplication électronique ou par une variation de la longueur d’onde d’analyse.

Fig. 2. Analyse d’un extrait aqueux de Porphyrophora hamelii ; (a) : chromatogramme à 275 nm ; (b) : analyse iso-absorption après multiplication électronique de dix fois.

8Il est aussi possible d’obtenir en une seule image, l’information spectrale totale concernant les composés séparés. A partir du chromatogramme de la figure 2a, une multiplication électronique de dix fois a généré la figure 2b. Ici, l’axe horizontal représente le temps d’élution ; l’axe vertical, la variation de la longueur d’onde entre 200 et 600 nm ; et un troisième axe virtuel doit être imaginé perpendiculaire au plan de la figure ; sa graduation est représentée par des cercles concentriques qui unissent des points d’absorption égale (iso-absorption). A l’acide carminique peuvent être associées les caractéristiques spectrales suivantes : des maxima d’absorption à 280, 310 et 500 nm environ.

  • 7 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The chemical nature of flavokermesic acid”, Tetrahedron Letters 28 (...)

9A l’aide de curseurs, qui sont positionnés aux endroits où se trouvent les maxima des pics et à plusieurs points de référence, on parvient à générer des spectres nets de pics très faibles, grâce à une correction électronique de l’absorption du fond. L’analyse spectrale en combinaison avec le temps de rétention d’un produit donné, donne l’évidence absolue de sa nature chimique. Ainsi, le pic n° 8 a pu être caractérisé comme le colorant jaune dcII. La structure chimique de ce colorant, qui est aussi présent dans le Dactylopius coccus, est encore inconnue . Le pic n° 12 est l’acide flavokermésique7 et le pic n° 13 est l’acide kermésique.

  • 8 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The Coccid insect dyes. HPLC and computerized diode-array analysis (...)

10Nous avons appliqué cette méthode à l’analyse de colorants rouges produits par différents Coccidés. Afin de pouvoir faire la distinction entre trois espèces très importantes, il fallait tenir compte du montant relatif des colorants dcII, acide flavokermésique et acide kermésique, chaque fois par rapport au contenu en acide carminique. Ainsi, il est devenu possible de reconnaître une composition en colorants qui est spécifique pour le Dactylopius coccus ou cochenille américaine, la Porphyrophora hamelii ou cochenille arménienne et la Porphyrophora polonica ou cochenille polonaise8.

Analyses d’échantillons historiques

11Dès que l’on dispose de résultats quantitatifs concernant les colorants présents dans une teinture ou dans une laque fabriquée à partir d’une source naturelle unique, on peut alors reconnaître des mélanges de plusieurs sources. Bien que notre connaissance des producteurs animaux et végétaux de colorants soit loin d’être complète, nous supposons que l’emploi de mélanges a été plus fréquent que ce que l’on a cru jusqu’à maintenant.

12Les rapports relatifs qui seront donnés dans les exemples ont été obtenus après corrections. En effet, selon le coefficient molaire d’absorption de chaque produit, son intégration est corrigée en fonction de la longueur d’onde d’analyse. Les facteurs de correction sont calculés à partir de l’analyse spectrale de produits purs dans des solutions étalonnées.

13Dans le tableau 1 sont données les analyses de fils rouges provenant de vêtements de l’évêque espagnol Ximénez de Rada, mort au 13e siècle. Il est clair que, à côté du kermes pur (le colorant produit par le Kermes vermilio), il y a aussi des combinaisons avec de la garance et même avec des tannins hydrolysables. Le fait que cette variation dans l’emploi de colorants soit trouvée dans le même tissu, prouve que les mélanges étaient faits pour obtenir une gamme de nuances.

14Le tableau 2 montre les résultats d’une série d’analyses d’anciens matériaux de peinture, collectionnés dans la première moitié du 19e siècle. Les produits sont caractérisés par une nomenclature triviale, au lieu d’une terminologie systématique latine. Néanmoins, l’analyse quantitative permet de déterminer au moins l’origine différente d’espèces familières.

15Les pigments jaunes, appelés « from England » et « English pink » sont quasi identiques et très probablement préparés à partir de l’arbre Quercus tinctoria.

16Au contraire, les pigments appelés « from Holland » et « dark », montrent une composition qui suggère l’emploi d’une espèce de Rhamnus comme source de colorant.

17L’analyse d’une laque rouge de la peinture de Rubens « L’érection de la Croix » figure dans le tableau 3 : le produit principal est l’acide carminique ; dans ce cas, il est important de déterminer les quantités relatives de dcII et des acides flavokermésique et kermésique. La teneur en dcII est inférieure à 0. 1 % ; les deux acides sont présents à raison de 7 % , un chiffre qui est trop élevé pour attribuer cette laque à la cochenille américaine ; il est plus probable que la cochenille polonaise ait été employée comme source naturelle pour cette laque .

  • 9 WOUTERS, J., “Analyse des colorants des tapisseries brugeoises des xvie et xviie siècles dans “Brug (...)

18Dans le tableau 4 est présenté un résultat spécifique obtenu par l’analyse de tapisseries brugeoises des 16e et 17e siècles9. Dans un grand nombre de teintures rouges on a identifié l’alizarine et la purpurine, deux colorants de type anthraquinone qui se trouvent dans des plantes de l’espèce Rubia. Si de grandes quantités d’alizarine sont présentes, il est peu probable qu’il ne s’agisse pas de Rubia tinctorum, la garance bien connue. Dans une trentaine d’analyses, nous avons trouvé des rapports entre alizarine et purpurine, variant entre 90/10 et 15/85. Il est peu probable que cette variation analytique soit due, soit à la mauvaise reproductibilité du système puisque chaque phase est exécutée de façon identique, soit aux effets du vieillissement naturel, puisque la grande variation du rapport se présente aussi dans la même œuvre d’art. Une conclusion préliminaire pourrait être que des variations dans le produit de base ou dans le procédé de production du colorant ou encore dans la méthode de teinture aient pu se trouver à la base du phénomène décrit ; une autre possibilité serait que selon l’apport du genre de matériau brut et selon les circonstances économiques, le Rubia tinctorum aurait été mélangé à d’autres plantes, comme le Rubia peregrina, munjista et d’autres.

Conclusion

19L’analyse de colorants organiques d’origine naturelle par la combinaison HPLC-détecteur à diodes donne des résultats quantitatifs concernant tous les produits qui contribuent à la couleur obtenue. Cette quantification est importante pour faire la distinction entre des espèces très voisines de Coccidés, producteurs de rouges et pour la détection de mélanges de plusieurs sources primaires.

20La méthode présentée permet de caractériser chaque produit par une analyse spectrale dans tout le domaine de rayonnement UV et visible, avec une très grande sensibilité.

21Au cours d’une analyse unique, la plupart des colorants de nature anthraquinonique ou flavanoïde, ainsi que des tannins hydrolysables, peuvent être séparés et quantifiés.

Notes

1 SCHWEPPE, H. “Identification of dyes in historic textile materials", in ”Advances in Chemistry Series”, n° 212 (1986) 153-174.

2 TAYLOR, G.W., “Detection and identification of dyes on Anglo-Scandinavian textilesStudies in Conservation 28 (1983) 153-160.

3 MASSCHELEIN-KLEINER, L., “Microanalysis of hydroxyquinones in red lakes“,Microchimica Acta 6 (1967) 1080-1085.

4 WOUTERS, J., “High performance liquid chromatography of anthraquinones : analysis of plant and insect extracts and dyed textiles", Studies in Conservation 30, (1985) 119-128.

5 VERHECKEN, A. and WOUTERS, J., “The Coccid insect dyes. Historical, geographical and technical data“, Bulletin KIK/IRPA, a paraître.

6 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The Coccid dyes (Homoptera, Coccoidea), Species recognition by HPLC and diode-array analysis of the dyestuffs”, Annales de la Société Entomologique de France, a paraître.

7 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The chemical nature of flavokermesic acid”, Tetrahedron Letters 28 (1987) 1199-1202.

8 WOUTERS, J. and VERHECKEN, A., “The Coccid insect dyes. HPLC and computerized diode-array analysis of dyed yarns”, Studies in Conservation, 34, (1989), p. 189-200.

9 WOUTERS, J., “Analyse des colorants des tapisseries brugeoises des xvie et xviie siècles dans “Bruges et la Tapisserie”, Bruges, Mouscron, 1987, p. 515-526.

Table des illustrations

Légende Fig. 1. Représentation schématique de l’analyse HPLC telle qu’elle est employée à l’Institut Royal du Patrimoine Artistique à Bruxelles. P : pompe ; S : réservoirs sous pression d’hélium pour quatre solvants ; Pr : unité de programmation et de contrôle de la pompe ; I : injecteur ; C : colonne de séparation ; D : détecteur ;Or : ordinateur ; E : écran ; Enr : enregistreur.
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/8194/img-1.jpg
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Légende Fig. 2. Analyse d’un extrait aqueux de Porphyrophora hamelii ; (a) : chromatogramme à 275 nm ; (b) : analyse iso-absorption après multiplication électronique de dix fois.
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Titre Tableau 1
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Titre Tableau 2
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Titre Tableau 3
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Titre Tableau 4
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Auteur

© CNRS Éditions, 2002

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