Плазмонные наночастицы очень перспективны в борьбе с раком: их можно ввести непосредственно в опухоль и облучить лазерными импульсами, из-за чего они нагреются и вызовут появление областей с высокими температурой и давлением — в результате окружающие раковые клетки буквально взорвутся. Однако, как показали красноярские исследователи с зарубежными коллегами, все не так просто: высокие температуры способны повлиять на плазмонные свойства самих наночастиц и снизить их терапевтический эффект. С результатами работы, выполненной при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Nanoscale.
Возбуждение светом синхронизированных колебаний электронов проводимости в кристаллической решетке наночастиц (чаще всего из золота) — основа плазмоники. Это направление перспективно для создания разнообразных оптоэлектронных устройств, а также новых методик биомедицины. В последнем случае можно использовать один из «недостатков» плазмоники, а именно большое тепловыделение: наночастицы, сконцентрированные в раковой опухоли и избирательно прикрепившиеся к ней, при лазерном облучении приобретают дополнительную энергию за счет возбуждения поверхностного плазмонного резонанса, что локально повышает температуру вокруг них и создает волну высокого давления. Такое воздействие буквально разрывает мембраны опухолевых клеток.
«Хотя на данный момент плазмонные эффекты хорошо изучены, у нас не так много данных о том, как влияет температура на плазмонные наночастицы, особенно в области размеров 5–10 нм, где методы классической электромагнитной теории не применимы из-за квантовых эффектов, а квантовые методы практически нельзя использовать из-за ограниченности вычислительных ресурсов. При нагревании наночастицы могут изменить форму, расплавиться, начать испаряться, и все это изменит их оптические свойства, а значит, и эффективность плазмонных процессов, важных для целого ряда приложений», — рассказывает Сергей Полютов, PhD биотехнологии, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета.
Сотрудники Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ (Красноярск), Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск) совместно с зарубежными коллегами выяснили, как изменяются плазмонные свойства и структура золотых наночастиц при повышении температуры от комнатной до температуры плавления (1064°С) и выше. Для этого авторы применили молекулярное моделирование и разработанную ими уникальную математическую модель дискретного взаимодействия, которая позволяет описывать наночастицы в диапазоне размеров 5–15 нм.
Результаты расчетов и эксперименты показали, что при нагревании атомы в наночастицах постепенно увеличивают амплитуду колебаний, около точки плавления рост замедляется, а потом снова продолжается, что в итоге приводит к испарению металла и распаду частиц. Процесс начинается с поверхности, но при приближении к точке плавления постепенно охватывает весь объем частицы. При этом из-за атомных колебаний в кристаллической решетке (их называют фононами) еще до перехода в жидкое состояние плазмонные свойства наночастиц исчезают. Это происходит потому, что фононы начинают активно взаимодействовать с электронами, свободно путешествующими в решетке металла, от чего те замедляются. Электромагнитным волнам в таких условиях сложно передвигаться — происходят их рассеяние и затухание.
«Описанные нами механизмы зачастую игнорируют, а ведь они способны кардинально изменить свойства плазмонных наночастиц. Особенно критично это в условиях, когда используется импульсный лазер с высокой интенсивностью излучения — он сообщает среде, содержащей наночастицы, большую энергию, но при этом сильно нагревает и сами наночастицы. Если мы сможем адаптировать температурные условия и свойства частиц, у нас получится эффективный способ противораковой терапии», — прокомментировал Сергей Карпов, доктор физико-математических наук, профессор СФУ, ведущий научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии.
«К слову, рассмотренные эффекты интересны не только для гипертермии раковых клеток, но важны для создания очень многих устройств оптоэлектроники, различных чувствительных сенсоров на плазмонных эффектах. Они сейчас могут быть востребованы и при разработке новых поколений микросхем для компьютеров», — подводит итог Валерий Герасимов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии.
Информация предоставлена пресс-службой Российского научного фонда
Источник фото: Виталий Невар / ТАСС
