zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences10.47612/0514-7506-2023-90-2-156-164zhps-1259Research ArticleЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯLASER SPECTROSCOPYВысокочувствительная колебательная спектроскопия с использованием наноструктур и ее применение в исследовании произведений живописиHigh-Sensitive Vibrational Spectroscopy Using Nanostructures and Its Application to Art Painting ResearchГапоненкоС. Н.GaponenkoS. V.

Минск

Minsk

Шабуня-КлячковскаяЕ. В.Shabunya-KlyachkovskayaE. V.

Гродно

Grodno

elena.shabunya@gmail.comБельковМ. B.BelkovM. V.

Минск

Minsk

Институт физики НАН БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusГродненский государственный университет им. Янки КупалыYanka Kupala Grodno State University202323032023902156164Copyright © Гапоненко С.Н., Шабуня-Клячковская Е.В., Бельков М.B., 20232023Гапоненко С.Н., Шабуня-Клячковская Е.В., Бельков М.B.Gaponenko S.V., Shabunya-Klyachkovskaya E.V., Belkov M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1259

 

Представлен краткий обзор теории гигантского комбинационного рассеяния с использованием металлодиэлектрических наноструктур и результатов применения этого явления для исследования объектов культурного наследия на примере произведений живописи. Успешно детектированы 20 неорганических пигментов в микрокристаллической форме с повышением чувствительности детектирования в 10—100 раз и использовании для анализа проб массой до 1 мкг.

A brief review is presented on theory of surface enhanced Raman scattering (SERS) with metaldielectric structures and results of its application for cultural heritage studies with paintings as the representative example. Successful SERS application to 20 inorganic pigments detection in microcrystalline form is reported with 10—100-fold sensitivity enhancement using 1 μg probes.

гигантское комбинационное рассеяниеплазмоникаплотность фотонных состоянийкультурное наследиеsurface enhanced Raman scatteringplasmonicsphoton density of statescultural heritageReferencesМ. В. Волькенштейн, М. А. Ельяшевич, Б. И. Степанов. Колебания молекул, ГИТТЛ (1949)М. В. Волькенштейн, М. А. Ельяшевич, Б. И. Степанов. Колебания молекул, ГИТТЛ (1949)M. Fleischmann, P. J. Hendra, A. J. McQuilaan. Chem. Phys. Lett., 26 (1974) 163—166M. Fleischmann, P. J. Hendra, A. J. McQuilaan. Chem. Phys. Lett., 26 (1974) 163—166K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld. Chem. Rev., 99 (1999) 2957—2976K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld. Chem. Rev., 99 (1999) 2957—2976B. Sharma, R. R. Frontiera, A. I. Henry, E. Ringe, R. P. Van Duyne. Mater. Today, 15 (2012) 16—25B. Sharma, R. R. Frontiera, A. I. Henry, E. Ringe, R. P. Van Duyne. Mater. Today, 15 (2012) 16—25N. Strekal, A. Maskevich, S. Maskevich, J. C. Jardillier, I. Nabiev. Biopolymers, 57 (2000) 325—328N. Strekal, A. Maskevich, S. Maskevich, J. C. Jardillier, I. Nabiev. Biopolymers, 57 (2000) 325—328A. M. Michaels, J. Jiang, L. Brus. J. Phys. Chem. B, 104 (2000) 11965—11971A. M. Michaels, J. Jiang, L. Brus. J. Phys. Chem. B, 104 (2000) 11965—11971P. A. Mosier-Boss. Nanomaterials, 7 (2017) 142—171P. A. Mosier-Boss. Nanomaterials, 7 (2017) 142—171J. Langer, D. Jimenez de Aberasturi, J. Aizpurua, R. A. Alvarez-Puebla, B. Auguié, J. J. Baumberg, G. C. Bazan, S. E. Bell, A. Boisen, A. G. Brolo, J. Choo. ACS Nano, 14 (2019) 28—117J. Langer, D. Jimenez de Aberasturi, J. Aizpurua, R. A. Alvarez-Puebla, B. Auguié, J. J. Baumberg, G. C. Bazan, S. E. Bell, A. Boisen, A. G. Brolo, J. Choo. ACS Nano, 14 (2019) 28—117A. K. Sarychev, A. Sukhanova, A. V. Ivanov, I. V. Bykov, N. V. Bakholdin, D. V. Vasina, V. A. Gushchin, A. P. Tkachuk, G. Nifontova, P.S. Samokhvalov, A. Karaulov, I. Nabiev. Biosensors, 12 (2022) 300—310A. K. Sarychev, A. Sukhanova, A. V. Ivanov, I. V. Bykov, N. V. Bakholdin, D. V. Vasina, V. A. Gushchin, A. P. Tkachuk, G. Nifontova, P.S. Samokhvalov, A. Karaulov, I. Nabiev. Biosensors, 12 (2022) 300—310Y. Liu, Y. Zhang, M. Tardivel, M. Lequeux, X. Chen, W. Liu, J. Huang, H. Tian, Q. Liu, G. Huang, R. Gillibert. Plasmonics, 15 (2020) 743—752Y. Liu, Y. Zhang, M. Tardivel, M. Lequeux, X. Chen, W. Liu, J. Huang, H. Tian, Q. Liu, G. Huang, R. Gillibert. Plasmonics, 15 (2020) 743—752A. Y. Panarin, I. A. Khodasevich, O. L. Gladkova, S. N. Terekhov. Appl. Spectr., 68 (2014) 297—306A. Y. Panarin, I. A. Khodasevich, O. L. Gladkova, S. N. Terekhov. Appl. Spectr., 68 (2014) 297—306O. S. Kulakovich, E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, A. S. Matsukovich, K. Rasool, K. A. Mahmoud, S. V. Gaponenko. Opt. Exp., 24 (2016) A174—A179O. S. Kulakovich, E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, A. S. Matsukovich, K. Rasool, K. A. Mahmoud, S. V. Gaponenko. Opt. Exp., 24 (2016) A174—A179Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications, Eds. K. Kneipp, M. Moskovits, H. Kneipp, Springer Science & Business Media (2006)Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications, Eds. K. Kneipp, M. Moskovits, H. Kneipp, Springer Science & Business Media (2006)S. V. Gaponenko. Phys. Rev. B, 65 (2002) 140303S. V. Gaponenko. Phys. Rev. B, 65 (2002) 140303В. С. Зуев, А. В. Францессон. Опт. и спектр., 93 (2002) 117—127 [V. S. Zuev, A. V. Frantsesson. Opt. and Spectr., 93 (2002) 108—117]В. С. Зуев, А. В. Францессон. Опт. и спектр., 93 (2002) 117—127 [V. S. Zuev, A. V. Frantsesson. Opt. and Spectr., 93 (2002) 108—117]E. M. Purcell. Phys. Rev., 69 (1946) 681—681E. M. Purcell. Phys. Rev., 69 (1946) 681—681S. V. Gaponenko. J. Nanophotonics, 8 (2014) 087599S. V. Gaponenko. J. Nanophotonics, 8 (2014) 087599S. Guddala, S. A. Kamanoor, A. Chiappini, M. Ferrari, N.R. Desai. J. Appl. Phys., 112 (2012) 084303S. Guddala, S. A. Kamanoor, A. Chiappini, M. Ferrari, N.R. Desai. J. Appl. Phys., 112 (2012) 084303K. Inoue, H. Oda, A. Yamanaka, N. Ikeda, H. Kawashima, Y. Sugimoto, K. Asakawa. Phys. Rev. A, 78 (2008) 011805K. Inoue, H. Oda, A. Yamanaka, N. Ikeda, H. Kawashima, Y. Sugimoto, K. Asakawa. Phys. Rev. A, 78 (2008) 011805H. Sumikura, E. Kuramochi, H. Taniyama, M. Notomi. Appl. Phys. Lett., 102 (2013) 231110H. Sumikura, E. Kuramochi, H. Taniyama, M. Notomi. Appl. Phys. Lett., 102 (2013) 231110S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Proc. IEEE, 108 (2020) 704—720S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Proc. IEEE, 108 (2020) 704—720Y. Chen, K. Munechika, I. Jen-La Plante, A. M. Munro, S. E. Skrabalak, Y. Xia, D. S. Ginger, Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 053106Y. Chen, K. Munechika, I. Jen-La Plante, A. M. Munro, S. E. Skrabalak, Y. Xia, D. S. Ginger, Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 053106V. V. Klimov, M. Ducloy, V. S. Letokhov. Euro. Phys. J. D, 20 (2002) 133—148V. V. Klimov, M. Ducloy, V. S. Letokhov. Euro. Phys. J. D, 20 (2002) 133—148G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. Centini, M. Scalora, M. J. Bloemer. Phys. Rev. E, 69 (2004) 057601G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. Centini, M. Scalora, M. J. Bloemer. Phys. Rev. E, 69 (2004) 057601P. Bharadwaj, B. Deutsch, L. Novotny. Adv. Opt. Photon., 1 (2009) 438—483P. Bharadwaj, B. Deutsch, L. Novotny. Adv. Opt. Photon., 1 (2009) 438—483A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, P. A. Belov, Y. S. Kivshar. Opt. Exp., 20 (2012) 20599—20604A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, P. A. Belov, Y. S. Kivshar. Opt. Exp., 20 (2012) 20599—20604S. V. Gaponenko, P. M. Adam, D. V. Guzatov, A. O. Muravitskaya, Sci. Reports, 9 (2019) 7138—7146S. V. Gaponenko, P. M. Adam, D. V. Guzatov, A. O. Muravitskaya, Sci. Reports, 9 (2019) 7138—7146Д. В. Гузатов. Влияние нанообъектов сложной конфигурации на характеристики спонтанного испускания атомов и молекул, дис. … д-ра физ. мат. наук, Гродно (2019)Д. В. Гузатов. Влияние нанообъектов сложной конфигурации на характеристики спонтанного испускания атомов и молекул, дис. … д-ра физ. мат. наук, Гродно (2019)D. V. Guzatov, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, A. Ya. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. V. Gaponenko. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 10723—10733D. V. Guzatov, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, A. Ya. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. V. Gaponenko. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 10723—10733S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Chem. Phys. Lett., 477 (2009) 411—414S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Chem. Phys. Lett., 477 (2009) 411—414E. V. Klyachkovskaya, D. V. Guzatov, N. D. Strekal, S. V. Vaschenko, A. N. Harbachova, V. Belkov, S. V. Gaponenko. J. Raman Spectr., 43 (2012) 741—744E. V. Klyachkovskaya, D. V. Guzatov, N. D. Strekal, S. V. Vaschenko, A. N. Harbachova, V. Belkov, S. V. Gaponenko. J. Raman Spectr., 43 (2012) 741—744A. Rumyantseva, S. Kostcheev, P. M. Adam, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, O. S. Kulakovich, A. A. Ramanenka, D. V. Guzatov, D. Korbutyak, V. Dzhagan, A. Stroyuk. ACS Nano, 7 (2013) 3420—3426A. Rumyantseva, S. Kostcheev, P. M. Adam, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, O. S. Kulakovich, A. A. Ramanenka, D. V. Guzatov, D. Korbutyak, V. Dzhagan, A. Stroyuk. ACS Nano, 7 (2013) 3420—3426В. В. Климов. Наноплазмоника, Москва, Физ-мат. лит. (2009)В. В. Климов. Наноплазмоника, Москва, Физ-мат. лит. (2009)S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov, N. D. Strekal. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 27654—27660S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov, N. D. Strekal. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 27654—27660Y. C. Chen, G. Bahl. Optica, 2 (2015) 893—899Y. C. Chen, G. Bahl. Optica, 2 (2015) 893—899Технология, исследование и хранение произведений станковой и настенной живописи, под ред. Ю. И. Гренберга, Москва, Изобразительное искусство (1987)Технология, исследование и хранение произведений станковой и настенной живописи, под ред. Ю. И. Гренберга, Москва, Изобразительное искусство (1987)J. M. Madariaga. Anal. Meth., 7 (2015) 4848—4876J. M. Madariaga. Anal. Meth., 7 (2015) 4848—4876P. Vandenabeele, H. G. Edwards, L. Moens. Chem. Rev., 107 (2007) 675—686P. Vandenabeele, H. G. Edwards, L. Moens. Chem. Rev., 107 (2007) 675—686K. Chen, K.-C. Vo-Dinh, F. Yan, M. B. Wabuyele, T. Vo-Dinh. Anal. Chim. Acta, 569 (2006) 234—237K. Chen, K.-C. Vo-Dinh, F. Yan, M. B. Wabuyele, T. Vo-Dinh. Anal. Chim. Acta, 569 (2006) 234—237K. L. Wustholz, C. L. Brosseau, F. Casadio, R. P. Van Duyne. Phys. Chem. Chem. Phys., 11 (2009) 7350—7359K. L. Wustholz, C. L. Brosseau, F. Casadio, R. P. Van Duyne. Phys. Chem. Chem. Phys., 11 (2009) 7350—7359C. L. Brosseau, K. S. Rayner, F. Casadio, C. M. Grzywacz, R. P. Van Duyne. Anal. Chem., 81 (2009) 7443—7447C. L. Brosseau, K. S. Rayner, F. Casadio, C. M. Grzywacz, R. P. Van Duyne. Anal. Chem., 81 (2009) 7443—7447A. G. Milekhin, L. L. Sveshnikova, T. A. Duda, N. V. Surovtsev, S. V. Adichtchev, Yu. M. Azhniuk, C. Himcinschi, M. Kehr, D. R. T. Zahn. J. Phys., Conf. Ser., 245 (2010) 012045A. G. Milekhin, L. L. Sveshnikova, T. A. Duda, N. V. Surovtsev, S. V. Adichtchev, Yu. M. Azhniuk, C. Himcinschi, M. Kehr, D. R. T. Zahn. J. Phys., Conf. Ser., 245 (2010) 012045J. T. Hugall, J. J. Baumberg, S. Mahajan. Appl. Phys. Lett., 95 (2009) 141111J. T. Hugall, J. J. Baumberg, S. Mahajan. Appl. Phys. Lett., 95 (2009) 141111M. V. Chursanova, V. M. Dzhagan, V. O. Yukhymchuk, O. S. Lytvyn, M. Ya. Valakh, I. A. Khodasevich, D. Lehmann, D. R. T. Zahn, C. Waurisch, S. G. Hickey. Nanoscale Res. Lett., 5 (2010) 403—409M. V. Chursanova, V. M. Dzhagan, V. O. Yukhymchuk, O. S. Lytvyn, M. Ya. Valakh, I. A. Khodasevich, D. Lehmann, D. R. T. Zahn, C. Waurisch, S. G. Hickey. Nanoscale Res. Lett., 5 (2010) 403—409A. Rumyantseva, S. Kostcheev, P. M. Adam, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, O. S. Kulakovich, A. A. Ramanenka, D. V. Guzatov, D. Korbutyak, V. Dzhagan, A. Stroyuk. ACS Nano, 7 (2013) 3420—3426A. Rumyantseva, S. Kostcheev, P. M. Adam, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, O. S. Kulakovich, A. A. Ramanenka, D. V. Guzatov, D. Korbutyak, V. Dzhagan, A. Stroyuk. ACS Nano, 7 (2013) 3420—3426E. Klyachkovskaya, N. Strekal, I. Motevich, S. Vaschenko, A. Harbachova, M. Belkov, S. Gaponenko, Ch. Dais, H. Sigg, T. Stoica, D. Grutzmacher. Plasmonics, 6 (2011) 413—418E. Klyachkovskaya, N. Strekal, I. Motevich, S. Vaschenko, A. Harbachova, M. Belkov, S. Gaponenko, Ch. Dais, H. Sigg, T. Stoica, D. Grutzmacher. Plasmonics, 6 (2011) 413—418Е. В. Клячковская, Н. Д. Стрекаль, И. Г. Мотевич, С. В. Ващенко, М. Я. Валах, А. Н. Горбачева, М. В. Бельков, С. В. Гапоненко. Опт. и спектр., 110 (2011) 53—59 [E. V. Klyachkovskaya, D. Strekal, I. G. Motevich, S. V. Vashchenko, M. Ya. Valakh, A. N. Gorbacheva, M. V. Belkov, S. V. Gaponenko. Opt. and Spectr., 110 (2011) 48—54]Е. В. Клячковская, Н. Д. Стрекаль, И. Г. Мотевич, С. В. Ващенко, М. Я. Валах, А. Н. Горбачева, М. В. Бельков, С. В. Гапоненко. Опт. и спектр., 110 (2011) 53—59 [E. V. Klyachkovskaya, D. Strekal, I. G. Motevich, S. V. Vashchenko, M. Ya. Valakh, A. N. Gorbacheva, M. V. Belkov, S. V. Gaponenko. Opt. and Spectr., 110 (2011) 48—54]Е. В. Шабуня-Клячковская, С. В. Гапоненко, С. В. Ващенко, В. В. Станкевич, Н. П. Степина, А. С. Мацукович. Журн. прикл. спектр., 81 (2014) 378—382 [E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, N. P. Stepina, A. S. Matsukovich. J. Appl. Spectr., 81 (2014) 399—403]Е. В. Шабуня-Клячковская, С. В. Гапоненко, С. В. Ващенко, В. В. Станкевич, Н. П. Степина, А. С. Мацукович. Журн. прикл. спектр., 81 (2014) 378—382 [E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, S. V. Gaponenko, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, N. P. Stepina, A. S. Matsukovich. J. Appl. Spectr., 81 (2014) 399—403]E. Shabunya-Klyachkovskaya, O. Kulakovich, S. Vaschenko, D. Guzatov, S. Gaponenko. Eur. J. Sci. Theol., 12, N 3 (2016) 211—220E. Shabunya-Klyachkovskaya, O. Kulakovich, S. Vaschenko, D. Guzatov, S. Gaponenko. Eur. J. Sci. Theol., 12, N 3 (2016) 211—220Е. В. Шабуня-Клячковская, Е. В. Корза, Л. Л. Троцюк, А. С. Мацукович, О. С. Кулакович. Опт. и спектр., 122, N 1 (2017) 66—70Е. В. Шабуня-Клячковская, Е. В. Корза, Л. Л. Троцюк, А. С. Мацукович, О. С. Кулакович. Опт. и спектр., 122, N 1 (2017) 66—70E.V. Shabunya-Klyachkovskaya, O. S. Kulakovich, S. V. Gaponenko. Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectr., 222 (2019) 117235E.V. Shabunya-Klyachkovskaya, O. S. Kulakovich, S. V. Gaponenko. Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectr., 222 (2019) 117235O. Kulakovich, E. Shabunya‐Klyachkovskaya, L. Trotsiuk, A. Matsukovich, Y. Korza. J. Raman Spectr., 50, N 7 (2019) 936—944O. Kulakovich, E. Shabunya‐Klyachkovskaya, L. Trotsiuk, A. Matsukovich, Y. Korza. J. Raman Spectr., 50, N 7 (2019) 936—944О. С. Кулакович, Е. В. Шабуня-Клячковская, А. С. Мацукович, Л. Л. Троцюк, С. В. Гапоненко. Журн. прикл. спектр., 83, № 5 (2016) 824—828 [O. S. Kulakovich, E. V. ShabunyaKlyachkovskaya, A. S. Matsukovich, L. L. Trotsiuk, S. V. Gaponenko. J. Appl. Spectr., 83 (2016) 860—863]О. С. Кулакович, Е. В. Шабуня-Клячковская, А. С. Мацукович, Л. Л. Троцюк, С. В. Гапоненко. Журн. прикл. спектр., 83, № 5 (2016) 824—828 [O. S. Kulakovich, E. V. ShabunyaKlyachkovskaya, A. S. Matsukovich, L. L. Trotsiuk, S. V. Gaponenko. J. Appl. Spectr., 83 (2016) 860—863]E.V. Shabunya-Klyachkovskaya, O. S. Kulakovich, A. G. Mitskevich, Y. F. Moiseev, V. V. Kiris, A. S. Matsukovich, A. G. Karoza, L. L. Sysoeva, M. V. Belkov. J. Cult. Heritage, 28 (2017) 158—163E.V. Shabunya-Klyachkovskaya, O. S. Kulakovich, A. G. Mitskevich, Y. F. Moiseev, V. V. Kiris, A. S. Matsukovich, A. G. Karoza, L. L. Sysoeva, M. V. Belkov. J. Cult. Heritage, 28 (2017) 158—163Е. В. Клячковская, Н. М. Кожух, В. А. Розанцев, С. В. Гапоненко. Журн. прикл. спектр., 72, № 3 (2005) 348—351 [E. V. Klyachkovskaya, N. M. Kozhukh, V. A. Rozantsev, S. V. Gaponenko. J. Appl. Spectr., 72 (2005) 371—375]Е. В. Клячковская, Н. М. Кожух, В. А. Розанцев, С. В. Гапоненко. Журн. прикл. спектр., 72, № 3 (2005) 348—351 [E. V. Klyachkovskaya, N. M. Kozhukh, V. A. Rozantsev, S. V. Gaponenko. J. Appl. Spectr., 72 (2005) 371—375]Е. В. Шабуня-Клячковская, В. В. Кирис, А. Н. Шимко, М. В. Бельков, С. Н. Райков. Журн. прикл. спектр., 80 (2014) 920—927 [E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, V. V. Kiris, A. N. Shimko, M. V. Belkov, S. N. Raikov. J. Appl. Spectr., 80 (2014) 922—929]Е. В. Шабуня-Клячковская, В. В. Кирис, А. Н. Шимко, М. В. Бельков, С. Н. Райков. Журн. прикл. спектр., 80 (2014) 920—927 [E. V. Shabunya-Klyachkovskaya, V. V. Kiris, A. N. Shimko, M. V. Belkov, S. N. Raikov. J. Appl. Spectr., 80 (2014) 922—929]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.