Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 12, стр. 1806-1812

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря развитию методов синтеза усиливающих поверхностей низкоинтенсивный по своей природе метод комбинационного рассеяния (КР) света расширяет свою функциональность и выходит на большой спектр прикладных задач за счет явления гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) [1–9]. Одним из ярких применений метода ГКР является анализ состава красок при изучении произведений искусства [10–18]. Наиболее важным вопросом при таком анализе является создание эффективного неразрушающего метода для определения состава красок в сложных комплексных смесях, способного заменить собой комплекс методов, использующихся в лабораториях в настоящее время. Использование усиливающих поверхностей, так называемых ГКР-подложек, открывает перспективы для адаптации, методики усиленной спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа следовых концентраций компонентов в смесях.

В настоящее время датировка картин проводится благодаря анализу связующих в краске, т.к. эволюция связующих является причиной эволюции красок. На эволюцию связующего влияли несколько факторов, таких как доступность и стоимость ингредиентов, развитие технологий и научных исследований, изменение моды и вкусов заказчиков [19]. Самыми простыми и доступными всегда были натуральные связующие, такие как яичный желток, молоко, растительные масла, животный жир и смола [20]. Такие компоненты были доступны всегда, но были не особенно устойчивы к воздействию времени и окружающей среды. В Средние века и эпоху Возрождения художники стали экспериментировать с более стойкими связующими, такими как животный клей или масляная основа, которые позволяли создавать более стойкие и долговечные краски, которые могли сохранять свою яркость и красоту на протяжении многих лет. В 19 и 20 веках появились новые технологии и химические связующие, такие как синтетические смолы, акрил и латекс, которые позволили создавать более высококачественные и прочные краски, которые устойчивы к погодным условиям, механическим воздействиям и износу [21].

Исследование пигментов и компонентов краски позволяет установить, какие материалы использовал художник [22]. Это же может помочь определить возраст или происхождение картины [23]. В практике применяется несколько методов анализа красок, чаще всего – совокупность этих методов. Наиболее распространенный – радиоуглеродная датировка, основанная на углеродном анализе, которая позволяет установить время создания картины за счет измерения содержания радиоактивного изотопа углерода C-14 (этот метод, однако, дает точность в сотни-тысячи лет). Еще один метод анализа состава красок – это хроматография. Этот метод анализа заключается в разделении компонентов, составляющих краски, и определении их химического состава. Таким образом, можно определить, были ли использованы современные химические соединения, которых не было на момент создания картины, что может свидетельствовать о подделке. Хроматография может также помочь определить происхождение красок, что может помочь установить, где была создана картина и кем, что в свою очередь также поможет и при реставрации картин. В последнее время активно развиваются методы неразрушающего анализа, такие как ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия [24–26]. Эти методы позволяют быстро определить состав пигментов и связующих веществ, используемых при написании картины.

Метод КР-спектроскопии не эффективен при изучении малого количества исследуемого вещества, а также при наличии сильной флуоресценции пигментов. Для усиления слабоинтенсивных спектров, получаемых методом КР-спектроскопии, используют метод ГКР на плазмонных наноструктурах. Поверхности с плазмонными наноструктурами позволяют повысить чувствительность и точность анализа, позволяя зарегистрировать спектры молекул, которые невозможно выделить при обычных условиях [27]. Существуют два фактора, объясняющих усиление сигнала КР вблизи плазмонных наноструктур: химический и электродинамический, основанный на локализации электромагнитного поля вблизи острий и шероховатостей плазмонных наноструктур, а также в нанометровых зазорах между ними [28]. Химический же эффект связывают с особым механизмом сцепления вещества с ГКР-подложкой, а также с увеличением концентрации молекул изучаемого вещества в локальной области, что характерно для гидрофобных ГКР-подложек [29]. Отдельно стоит отметить факт тушения флуоресценции изучаемого вещества вблизи плазмонных наноструктур, что также расширят границы применения метода ГКР [30].

Самым простым и доступным методом получения ГКРС спектров с использованием плазмонных структур является использование коллоидных растворов наночастиц благородных металлов в качестве усиливающих поверхностей [31]. В этом случае раствор с коллоидными частицами наносят на исследуемую поверхность или смешиваются с маленькими фрагментами соскобов [32]. Недостатком такого подхода является проблема сильной агломерации наночастиц и, как результат, нестабильность получаемого сигнала.

Одним из вариантов решения проблемы агломерации является внесение наночастиц внутрь полимерной матрицы. Например, в работе [33] детализируется разработка и синтез специально изготовленной активной пленки метилцеллюлозы с включением наночастиц серебра. Такой подход позволил авторам формировать твердую подложку на исследуемой поверхности и минимизировать процесс агломерации наночастиц. Благодаря тому, что пленка из метилцелюлозы прозрачна, она не мешает проведению анализа. Кроме того, после полного высыхания пленка с легкостью снимается с исследуемой поверхности не повреждая ее.

Указанной выше проблемы агломерации также лишены подложки с массивом упорядоченных наноструктур. В этом случае фрагменты проб наносятся на поверхность подложки в виде измельченного порошка или в виде раствора.

В работе [34] был продемонстрирован потенциал подложки, основанной на наночастицах серебра, которые образуются внутри матрицы из гидроксипропилцеллюлозы (HPC). Была протестирована процедура SERS с различными подходами, а именно прямое нанесение, замачивание (инкубация) образца в субстрате и гидролиз парами плавиковой (HF) кислоты. Субстрат SERS (AgHPC1) готовили добавлением водного раствора нитрата серебра (15 г 2% AgNO₃) к раствору HPC (15 г 1.2% HPC), в весовом соотношении 1.0 : 0.6. Раствор перемешивался при комнатной температуре в течение не менее 15 мин перед облучением. Образцы облучали в течение 24 ч. Для облучения две лампы с доминирующим спектральным пиком при 365 нм были помещены в ультрафиолетовые настольные лампы (UVP LLS, США). Подложки в закрытых кварцевых стаканах помещали на подставки на достаточном расстоянии от ламп, а интенсивность излучения устанавливали и усредняли до 15 Вт/м².

В работе [35] сообщается о примерно 100-кратном усилении комбинационного рассеяния света микрокристаллами ультрамарина при взаимодействии с наночастицами серебра в пленках и порошках. Теоретическое моделирование предсказывает максимальное усиление в 10¹⁰ раз в непосредственной близости от сферической наночастицы серебра (0.24 нм) с быстрым уменьшением коэффициента усиления до 1 в диапазоне приблизительно 50 нм. Результаты рассматриваются как важное расширение традиционной ГКР-спектроскопии в направлении более крупных неорганических зондов.

В данной работе мы предлагаем применение новых подложек с массивом серебряных нанопроволок для получения ГКР спектров модельной темперной краски на основе яичного белка и желтка с неорганическими пигментами. Задача, поставленная перед нами, заключалась в анализе сложной органической смеси, состоящей из различных пигментов, смешанных с белковой основой, с целью отработки методики нанесения краски на твердую подложку и демонстрации возможностей усиливающих наноструктурированных подложек с ансамблями нанопроволок, в т. ч. изучение спектров белка в малых концентрациях на ГКР-подложках.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для изготовления ГКР подложек в нашей работе был использован метод шаблонного синтеза [36–38]. Описание метода можно разбить на несколько шагов. Первым шагом является нанесение на одну из сторон трековой мембраны (ТМ) из полиэтилентерефталата с диаметром пор 100 нм слоя серебра в качестве проводящего слоя методом резистивного напыления с последующим укреплением слоем меди до толщины 10–15 мкм. На следующем шаге проводили гальваническое осаждение серебра в поры трековой мембраны. Перед использованием подложки полимерную ТМ растворяли в 6M растворе гидроксида натрия при температуре 85°С в течение двух часов. В результате получали ГКР-подложки с ансамблем вертикально-стоящих серебряных нанопроволок на ее поверхности.

Спектры КР и ГКР снимали с помощью портативного КРС-спектрометра TruScan (Thermo Fisher) с лазером с длиной волны 785 нм и максимальной мощностью 265 мВт. Диаметр пятна лазерной засветки составляет 110 микрон. Полученные спектры анализировали с помощью программных пакетов Spectrogryph [39] и Origin.

В качестве объекта модельной краски использовали темперу – смесь яичного белка и трех пигментов – сурика свинцового, изумрудного зеленого и массикота. Было приготовлено три образца, два из которых представляли из себя отдельный пигмент с яичным белком для получения эталонных спектров. На фольге были рассмотрены эталонные образцы, а также образцы с концентрацией пигмента выше 0.1 г. Для анализа образцов с меньшим содержанием пигментов использовались ГКР-подложки. Концентрации белка – от 1.5 до 3 г на фольге для снятия спектров КР, от 0.337 до 3 г на подложке для снятия ГКР спектров. Время снятия КР спектра составляло до 10 мин, на ГКР подложке порядка нескольких секунд.

Образцы готовились путем смешивания пигментов и белка с пятью миллилитрами воды, после чего образцы сушили при 100°С. Для проверки однородности смеси использовали оптический микроскоп Nikon Eclipse LV 100 с программным обеспечением NIS-Elements D (рис. 1).

Рис. 1.

Фотография смеси под микроскопом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Первым этапом работы было получение спектров КР белка и трех пигментов по-отдельности, для выявления “характеристических” пиков, которые потом использовались для анализа спектров смесей (рис. 2). Для белка наиболее интенсивный характерный пик находится на 1006 см^–1, для сурика свинцового – 548 см^–1, для массикота – 389 см^–1, для изумрудного зеленого – 644, 748, 1143, 1338 и 1527 см^–1.

Рис. 2.

Спектры составляющих: яичный белок (a), сурик свинцовый (б), массикот (в), изумрудный зеленый (г).

После измерений отдельных спектров пигментов и белка мы перешли к анализу смеси. Однако, при смешивании белка с пигментом большой концентрации, определение белка в спектре становится практически невозможным, из-за того, что интенсивность спектра пигмента намного больше, чем интенсивность спектра белка. Для решения этой проблемы мы перешли от базового метода спектроскопии комбинационного рассеяния, к ГКРС с использованием наноструктурированных усиливающих подложек. Нужно отметить, что для того, чтобы возник эффект усиления, необходимо наносить образец на подложку тонким слоем. В противном случае усиление спектров не будет, так как эффективное усиление сигнала достигается на расстояниях до десяти нанометров от наноструктур.

Для определения концентрационной зависимости были приготовлены образцы краски с суриком свинцовым. При использовании КР, минимальная фиксируемая концентрация пигмента была 0.1 г. На ГКР-подложках с нанопроволоками минимальная концентрация регистрируемого пигмента была на порядок меньше – 0.01 г.

На рис. 3 представлены спектры разных концентраций белка на фольге и на подложке и хорошо видны его характерные пики [40, 41]. Для определения видимости белка, а также сравнения интенсивности сигнала в чистом виде и на ГКР подложках мы сравнивали интенсивность пика в области 1006 см^–1 (характерный пик фенилаланина содержащегося в яичном белке) [42] для каждого спектра.

Рис. 3.

Спектры белка на фольге (а), белка на подложке (б), белка с пигментом на фольге (в), белка с пигментом на подложке (г).

Необходимо отметить, что время накопления спектров с поверхности образцов с разной концентрацией белка различалось (для 3 г – 5 мин, для 1.5 г – 10 мин), так как на портативном спектрометре, который использовали данной работе нет возможности выставления одного времени детектирования для всех образцов. После получения спектров белка с использованием ГКР-подложек (рис. 3б), при сравнении спектров одной концентрации (1.5 г) на фольге и подложке, заметно увеличение интенсивности сигнала в два раза.

Далее мы смешали белок с одним из пигментов – суриком свинцовым. На этом этапе мы пытались найти минимальные концентрации составляющих краски, которые можно обнаружить с использованием ГКР, для определения возможностей данного метода. На рис. 3 показаны спектры смесей с разными концентрациями пигмента, полученные на фольге (в) и подложке (г). При данных концентрациях пигмента (0.01, 0.05, 0.1 и 0.5 г), везде различимы пики, принадлежащие и пигменту, и белку, что показывает, что ГКР позволяет зафиксировать концентрации в 150 раз меньше, чем используя базовый метод комбинационного рассеяния.

Последней была исследована смесь, состоящая из трех пигментов. Так как они обладают различной дисперсностью, пигменты использовались в разных количествах: сурик свинцовый – 0.5 г, массикот – 2 г, изумрудный зеленый – 0.01 г (рис. 4). Пигмент “изумрудный зеленый” обладает большим количеством пиков, чем другие составляющие краски. Наиболее интенсивные из них расположены на 644, 748, 1143, 1338 и 1527 см^–1.

Рис. 4.

Спектр смеси: 1) массикот (красный), 2) сурик свинцовый (оранжевый), 3) изумрудный зеленый (зеленый), 4) белок (черный).

Для массикота и сурика свинцового, в смеси наблюдаются только наиболее интенсивные пики – 389 и 548 см^–1 соответственно. Белок в смеси слабо различим. Данные результаты открывают перспективы для изучения состава сложных красок с большим количеством пигментов при помощи метода гигантского комбинационного рассеяния света.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, исследована возможность использования техники ГКРС (с использованием специально изготовленных металлических нанопроволочных поверхностях – подложках) для многокомпонентной идентификации пигментов в смесях красок органического происхождения для приложений искусствоведения.

По результатам анализа спектров мы выяснили, что пигмент “изумрудный зеленый” обладает наибольшей интенсивностью среди всех компонентов, однако благодаря применению ГКР-подложек в смеси различимы спектры всех трех пигментов, а также, белка. Использование ГКР-подложек при измерениях увеличивает интенсивность получаемого спектра при более низких концентрациях, вплоть до 0.01 г. Кроме того сокращается время накопления полезного сигнала, что значительно упрощает анализ.

Было показано, что с использованием ГКР-подложки с нанопроволоками, усиление сигнала достигает нескольких порядков, по сравнению с сигналом комбинационного рассеяния света, снятого на фольге, а также появляется возможность детектировать пигменты в белке с соотношением концентраций 30 к 1. Это открывает перспективы для реставрации картин, путем детального повторения изначального состава красок.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания Московского педагогического государственного университета “Физика наноструктурированных материалов: фундаментальные исследования и приложения в материаловедении, нанотехнологиях и фотонике” при поддержке Министерства просвещения Российской Федерации (АААА-А20-120061890084-9). Кожина Е.П., Бедин С.А. и Наумов А.В. являются членами ведущей научной школы РФ (проект НШ-776.2022.1.2).