Лазерно-индуцированные тепловые процессы в водных суспензиях полупроводниковых наночастиц и наноконтейнеров для биомедицинских применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бубнов Александр Андреевич

• Бубнов Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Бубнов Александр Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФОТОТЕРМИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОЧАСТИЦ

1.1. Полупроводниковые наночастицы и их фототермические свойства

1.1.1. Поглощение света в полупроводниках

1.1.2. Процессы передачи энергии лазерного излучения полупроводникам

1.1.3. Эффективность фототермической конверсии и тепловые процессы при фотонагреве суспензий наночастиц

1.1.4. Фототермические свойства кремниевых и композитных наночастиц на его основе

1.1.5. Наночастицы пористого кремния

1.1.6. Фототермические свойства плазмонных наночастиц

1.1.7. Оптические и фототермические свойства НЧ классических плазмонных материалов

1.1.8. Наночастицы нитрида титана

1.2. Применение красителя метиленового синего в биомедицине

1.2.1. Фундаментальные основы флуоресценции

1.2.2. Оптические и фототермические свойства красителя метиленового синего

1.2.3. Методы загрузки красителя метиленового синего в наночастицы пористого кремния

1.2.4. Способы выгрузки красителя метиленового синего из наночастиц37

1.3. Методы фотогипертермии при воздействии лазерного излучения ближней

инфракрасной области спектра на вещество

2

1.3.1. Фотогипертермия с использованием лазеров, генерирующих непрерывное лазерное излучение

1.3.2. Фотогипертермия в импульсном режиме

1.3.3. Динамическая фотогипертермия при синхронизации лазерного луча и движущегося потока жидкости

1.4.Выводы к главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОНАГРЕВА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИНФРАКРАСНЫМ ЛАЗЕРОМ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НАНОЧАСТИЦ КРЕМНИЯ И КРЕМНИЯ С ПРИМЕСЬЮ ЖЕЛЕЗА, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ В ЖИДКОСТИ

2.1. Материалы для синтеза наночастиц кремния и кремния с примесью железа

2.2. Синтез наночастиц кремния с примесью железа методом фемтосекундной лазерной абляции в ацетоне

2.3. Синтез наночастиц кремния методом фемтосекундной лазерной абляции

в воде

2.4.Методы исследования наночастиц

2.5.Размеры и морфология наночастиц

2.6. Состав наночастиц кремния с примесью железа

2.8. Оптические и фототермические свойства наночастиц кремния и кремния

с примесью железа

2.9. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ В ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЯХ НАНОЧАСТИЦ НИТРИДА ТИТАНА И ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ЛАЗЕРОМ ВИДИМОЙ И БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

3.1. Приготовление водной суспензии наночастиц нитрида титана и пористого кремния

3.2. Определение физических размеров наночастиц нитрида титана и

пористого кремния методом просвечивающей электронной микроскопии

63

3.3. Определение гидродинамического размера наночастиц нитрида титана методом ДРС

3.4. Состав наночастиц нитрида титана

3.5. Оптические свойства наночастиц нитрида титана и пористого кремния

3.6. Фототермические свойства наночастиц нитрида титана

3.7. Фототермические свойства наночастиц пористого кремния

3.8.Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЙ НАГРЕВ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ НАНОЧАСТИЦ НИТРИДА ТИТАНА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СИНХРОННЫМ СКАНИРУЮЩИМ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

1.1.Модель лазерно-индуцированного нагрева движущегося потока водной суспензии наночастиц нитрида титана, синхронизованного со сканирующим лазерным лучом

1.2. Исследование динамического фотонагрева

1.3. Характеристика наночастиц нитрида титана

1.4. Результаты моделирования динамического нагрева водных суспензий наночастиц нитрида титана

1.5. Результаты эксперимента по исследованию динамического нагрева водных суспензий наночастиц нитрида титана

1.6.Выводы по главе

ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЙ ФОТОНАГРЕВ НАНОКОНТЕЙНЕРОВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ, ЗАГРУЖЕННЫХ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫМ КРАСИТЕЛЕМ МЕТИЛЕНОВЫМ СИНИМ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Приготовление образцов водного раствора метиленового синего

5.2. Получение пластинок пористого кремния

5.3. Методика получения наночастиц пористого кремния методом механического измельчения в шаровой планетарной мельнице

5.4. Загрузка метиленового синего в наночастицы пористого кремния

5.5. Характеристика культуры одноклеточных организмов Paramecium caudatum

5.6. Методы исследования выхода метиленового синего из наночастиц пористого кремния и лабораторное оборудование

5.7.Изучение влияния лазерно-индуцированного нагрева на клетки Paramecium caudatum при добавлении наночастиц пористого кремния, загруженных метиленовым синим

5.8. Исследование концентрационной зависимости спектров экстинкции и флуоресценции красителя метиленового синего

5.9. Исследование фототермической обратимости и стабильности метиленового синего

5.10. Исследование спектров экстинкции наночастиц пористого кремния с естественным и термически окисленным составом поверхности, загруженных метиленовым синим

5.11. Исследование фотолюминесценции наночастиц пористого кремния и термически окисленного пористого кремния, загруженных метиленовым синим

5.12. Исследование выхода метиленового синего из наночастиц пористого кремния при воздействии непрерывного лазерного излучения

5.13. Исследование выхода метиленового синего из наночастиц пористого кремния при воздействии непрерывного и импульсно-периодического наносекундного лазерного излучения

5.14. Определение состояния метиленового синего методом флуоресцентной

поляризационной спектроскопии

5.15. Исследование воздействия наночастиц пористого кремния, загруженных метиленовым синим, на живые клетки Paramecium caudatum при лазерном возбуждении

5.16. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТЬ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЕ

ДРС - динамическое рассеяние света ИК - инфракрасный

ЛППР - локализованный поверхностный плазмонный резонанс МС - метиленовый синий НК - наноконтейнер НЧ - наночастицы

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия СЭМ - сканирующая электронная микроскопия ФГТ - фотогипертермия

ФКЭ - фототермическая конверсионная эффективность (п)

ФЛ - фотолюминесценция

ЭДС - энергодисперсионная спектроскопия

Au - золото

c-Si - монокристаллический кремний

ox-PSi - термически окисленный пористый кремний

ox-PSi -МС - пористый кремний, загруженный метиленовым синим

PSi - пористый кремний

PSi-МС - пористый кремний, загруженный метиленовым синим Si-Fe -соединение кремния с примесью железа TiN - нитрид титана

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерно-индуцированные тепловые процессы в водных суспензиях полупроводниковых наночастиц и наноконтейнеров для биомедицинских применений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Лазерная фотогипертермия (ФГТ) является одним из наиболее перспективных методов, применяемых в биомедицине для термодеструкции патологических тканей. В настоящее время развитие данного метода тесно связано с использованием наночастиц (НЧ) не только в качестве активных поглотителей световой энергии [1,2], но и наноконтейнеров (НК), загруженных лекарствами для комбинированной терапии рака, основанной на сочетании лазерно-индуцированного локального нагрева с термо-стимулированным контролируемым выходом лекарств [3]. Актуальной задачей при этом является обеспечение максимальной глубины воздействия при лазерной ФГТ, для чего целесообразно использование излучения с длиной волны в так называемом «первом окне прозрачности» биотканей, соответствующем диапазону 700 - 1000 нм [4]. В связи с этим, особый интерес для ФГТ представляют полупроводниковые материалы: нанокристаллы кремния [5], пористый кремний (PSi) [6], а также нитрид титана (^N3 [7]. В таких материалах поглощение в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра происходит либо вследствие межзонных или примесных оптических переходов (НЧ из Si), либо в результате локализованного поверхностного плазмонного резонанса (НЧ из В последнем случае вследствие потери стехиометрии в полупроводниковом соединении возникает высокая концентрация подвижных носителей заряда (электронов), что приводит к поглощению света в широком оптическом диапазоне, включая ближнюю ИК область [8, 9]. В то же время, в НЧ на основе чистого Si поглощение света в ближней ИК области спектра невелико вследствие непрямозонности данного полупроводника, что делает актуальной задачу модификации таких НЧ для увеличения коэффициента поглощения ИК излучения.

При ФГТ с использованием НЧ как усилителей поглощения света открывается возможность контроля температуры и области локального нагрева, что определяется как свойствами НЧ, так и параметрами лазерного излуче-

ния. Для применения в ФГТ важно знание такой количественной характеристики как фототермическая конверсионная эффективность (ФКЭ), определяемая как доля энергии, выделившейся в виде тепла, по отношению к поглощенной световой энергии. Отметим, что в отличие от НЧ традиционных плазмонных металлов (золота и серебра) в полупроводниковых НЧ величины сечения поглощения и рассеяния света сопоставимы, что, во-первых, снижает значение ФКЭ по сравнению со случаем металлических плазмонных НЧ, а, во-вторых, может привести к концентрационной зависимости ФКЭ вследствие поглощения рассеянного света в суспензиях НЧ. Однако, к настоящему моменту для НЧ на основе Si и TiN отсутствуют надежные данные по величинам ФКЭ для имеющих практическое значение длин волн лазерного излучения и концентраций НЧ, что делает актуальной задачу по выявлению концентрационной зависимости величины ФКЭ для полупродниковых НЧ.

Сочетание свойств лазерного излучения и уникальных свойств различных типов нетоксичных НЧ позволяет реализовать новые эффекты, связанные с лазерным фотоиндуцированным нагревом, которые могут повысить эффективность ФГТ и комбинированной терапии на ее основе. Существующие режимы ФГТ обладаю недостатками, связанными с переобучением нормальных тканей, а также с диссипацией энергии из облучаемого объема в случае облучения движущихся структур, например, кровь. Метод динамической ФГТ потенциально способен нивелировать представленные выше недостатки за счет использования облучения сканирующим лазерным лучом, синхронизованным со скоростью кровотока, что обосновано расчетами и компьютерным моделированием [10]. Однако, актуальна задача экспериментальной верификации данного метода.

Известно, что НЧ можно использовать в качестве НК для лекарств и медицинских радиоизотопов. В частности, для органических НЧ сообщалось о возможности капсулирования известного органического красителя метиле-нового синего (МС), являющегося одновременно антибактериальным и потенциальным противораковым препаратом, с последующим лазерно-

индуцированным высвобождением МС до 30 % при непрерывном облучении в видимой области спектра [11,12]. Такой уровень выхода загрузки может быть не достаточным для практического применения, что делает актуальной задачу поиска новых типов НК и методов эффективного контролируемого выхода препаратов из них.

Целью работы было выявление закономерностей лазерно-индуцированных тепловых процессов, возникающих при облучении в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра в водных суспензиях полупроводниковых наночастиц и наноконтейнеров для применения в фотогипертермии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение лазерно-стимулированного нагрева водных суспензий кремниевых и композитных наночастиц на основе кремния посредством определения величины фототермической конверсионной эффективности при облучении непрерывным лазерным излучением в ближней инфракрасной области спектра.

2. Получение концентрационной зависимости величин фототермической конверсионной эффективности наночастиц нитрида титана и пористого кремния в водных суспензиях при лазерном возбуждении в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

3. Определение лазерно-индуцированного нагрева потока водной суспензии наночастиц нитрида титана при облучении сканирующим лазерным лучом ближнего инфракрасного диапазона в режиме синхронизации с движущимся потоком наночастиц.

4. Анализ процессов выхода молекул метиленового синего из наноконтей-неров на основе пористого кремния в водных суспензиях при лазерном воздействии непрерывным и импульсно-периодическим наносекундным лазерным излучением видимой области спектра.

Для решения задач, поставленных в работе, использовались комплексы методов исследования:

• Методы получения: фемтосекундная лазерная абляция в жидкости, электрохимическое травление, механическое дробление, сорбция.

• Характеризация НЧ: просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, динамическое рассеяние света, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, спектроскопия комбинационного (ра-мановского) рассеяния света, рентгеновская дифрактометрия.

• Оптические и фототермические свойства: спектроскопия поглощения, флуоресцентная спектроскопия, термография, поляризационная флуоресцентная спектроскопия, лазерно-индуцированный нагрев с использованием лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Объектами исследования являлись полупроводниковые наночастицы, эффективно поглощающие лазерное излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.

Предметом исследования являлись лазерно-стимулированные тепловые процессы, протекающие в водных суспензиях полупроводниковых нано-частиц и наноконтейнеров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально измерены значения фототермической конверсионной эффективности для водных суспензий наночастиц кремния с примесью железа, пористого кремния и нитрида титана при непрерывном лазерном возбуждении в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

2. Выявлены зависимости скорости фотоиндуцированного нагрева и величины фототермической конверсионной эффективности от концентрации на-ночастиц нитрида титана, проявляющих локализованный плазмонный резонанс в видимой и ближней ИК областях спектра, при длинах волн возбуждающего лазерного излучения 532, 660 и 808 нм.

11

3. Обнаружена зависимость величины фототермической конверсионной эффективности от концентрации наночастиц пористого кремния в водной суспензии при возбуждении непрерывным лазерным излучением с длиной волны 660 нм в области межзонного поглощения кремния.

4. Экспериментально обоснована возможность роста эффективности фотогипертермии при облучении сканирующим лазерным лучом с длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра при синхронизации движения луча и потока наночастиц в жидкости.

5. Выявлены закономерности лазерно-стимулированного выхода метилено-вого синего из наноконтейнеров на основе пористого кремния с естественным и термически окисленным составом поверхности при облучении непрерывным лазерным излучением с длиной волны 660 нм и импульсно-периодическим наносекундным лазерным излучением с длиной волны 532 нм.

Теоретическая значимость заключается:

• В оценке величины фототермической конверсионной эффективности по начальному участку зависимости температуры от времени лазерного облучения;

• В объяснении концентрационной зависимости величины фототермической конверсионной эффективности за счет вклада многократного рассеяния света в сочетании с поглощением в ансамблях наночастиц;

• В построении модели лазерно-индуцированного динамического нагрева, которая описывает рост величины нагрева движущегося потока водной суспензии НЧ при его синхронизации со сканирующим лазерным лучом;

• В объяснении механизма увеличения выхода экзогенного красителя из наночастиц пористого кремния при возбуждении импульсно-периодическим наносекундным лазерным излучением.

Практическая значимость заключается:

1. Использование наночастиц кремния с примесью железа и нитрида титана позволяет повысить эффективность поглощения света в ближнем инфракрасном диапазоне при термодеструкции патологических тканей в медицине.

2. Учет концентрационной зависимости нагрева водных суспензий наноча-стиц позволяет повысить эффективность методики лазерной фотогипертермии.

3. Использование режима синхронизации скорости сканирования лазерного луча с движением потока суспензии наночастиц может обеспечить более эффективный фоторазогрев кровеносных сосудов и уменьшить повреждения кожного покрова при лазерной фотогипертермии опухолей.

4. Лазерно-индуцированный импульсно-периодический нагрев наноконтей-неров позволяет реализовать режим комбинированной терапии опухолей и повысить эффективность лечения.

Достоверность полученных результатов определяется их воспроизводимостью и повторяемостью, а также соответствием данным, полученным с использованием различных апробированных методик; применением современного лабораторного оборудования и программного обеспечения. Результаты диссертационной работы прошли апробацию на всероссийских и международных конференциях, а также были опубликованы в рецензируемых научных журналах. Положения, выносимые на защиту:

1. Фемтосекундная лазерная абляция в жидкости мишеней в виде спрессованной смеси порошков кремния и железа позволяет получить наночасти-цы кремния с примесью железа до 20 % атомного состава, преимущественно в виде силицида железа, что связано с процессом неравновесной кристаллизации испаренного при абляции вещества.

2. Эффективность лазерно-индуцированного нагрева водной суспензии нано-частиц кремния с размером 10-30 нм под действием излучения ближнего

13

инфракрасного диапазона в области прозрачности биологических тканей возрастает более чем в 3 раза при включении в состав наночастиц примеси железа.

3. Использование наночастиц нитрида титана позволяет повысить эффективность лазерно-индуцированного нагрева их водных суспензий при облучении в ближнем инфракрасном диапазоне до 60 % за счет плазмонного резонанса и поглощения упруго рассеянного наночастицами лазерного излучения.

4. Применение режима синхронизации скорости сканирования лазерного луча постоянной мощности с длиной волны порядка 800 нм со скоростью потока наночастиц нитрида титана в водном растворе позволяет повысить эффективность нагрева раствора более чем на 30 %.

5. Импульсно-периодический нагрев водной суспензии наноконтейнеров из пористого кремния, загруженных метиленовым синим, под действием лазерного излучения наносекундного диапазона длительности импульсов с длиной волны 532 нм позволяет повысить выход молекул красителя более чем в 2 раза.

Личный вклад автора

Все результаты диссертационной работы были получены автором лично, либо при непосредственном его участии. Постановка задач, планирование экспериментов и анализ полученных данных обсуждались с научным руководителем. Вклад автора заключается в получении слоев пористого кремния с последующим механическим измельчением в шаровой планетарной мельнице для получения наночастиц пористого кремния; в получении наноконтейнеров из пористого кремния, загруженных красителем метиленовым синим; в создании экспериментальной установки по измерению динамического фотонагрева; в создании оптических фильтров на основе одномерных фотонных кристаллов на основе пористого кремния для измерения спектров фотолюминесценции; в получении и обработке тепловизионных изображений и ви-

14

зуализации результатов экспериментов при выполнении экспериментов по лазерно-индуцированному нагреву водных суспензий наночастиц нитрида титана, кремния и термостимулированному выходу красителя метиленового синего и полупроводниковых наноконтейнеров пористого кремния; в контроле состояния, в котором находится краситель; в проведении систематизации и описании полученных результатов. Также автор принимал непосредственное участие в написании научных статей по результатам работы.

Апробация результатов работы была проведена на всероссийских и международных конференциях:

1. X Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии - ЛаПлаз-2024» (Москва, 2024).

2. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2023, 2024);

3. XXI Всероссийская молодежная Самарская конкурс-конференция по оптике, лазерной физике и физике плазмы, посвященная 300-летию РАН (Самара, 2023);

4. The International Symposium «Physics Engineering and Technologies for Bi-omedicine» and Schools for Young Scientists (Москва, 2021, 2022, 2023);

Публикации по теме диссертационной работы

По теме диссертации в период с 2021 по 2024 гг. опубликовано 13 работ, из которых 7 статей в рецензируемых научных изданиях, включённых в Перечень ВАК, имеющих уровни в «Белом списке» К2 (одна работа), КЗ (три работы) К4 (одна работа), и/или в базы данных Web of Science или Scopus, имеющих квартили Q1 (одна работа), Q3 (одна работа), Q4 (четыре работы) и 6 в сборниках трудов международных конференций, индексируемых в базе данных РИНЦ,:

[А1] Bubnov А.А., Abrashitov G.N., V. Yu. Timoshenko. Laser-stimulated release of Methylene Blue from porous silicon nanocontainers // J of Biomedical Photonics & Eng. - 2024. - V. 10. - № 4. - P. 59 - 68. (ВАК R3,Scopus Q4)

[А2] Бубнов A. A., Олещенко В. A., Тимошенко В.Ю. Лазерно-индуцированный нагрев потока водной суспензии наночастиц нитрида титана при облучении синхронизованным сканирующим лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона // Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2024. - T.51. - №11. - C. 11-22. (ВАК К3, Scopus Q4)

[А3] Бубнов А. А., Сюй А. В., Тимошенко В. Ю. Исследование лазерно-стимулированного нагрева водных суспензий наночастиц нитрида титана для биомедицинских применений» // Квантовая электроника. -2023. - T.53. - №11. - C. 877-882 (ВАК К2, Scopus Q4) [А4] Bubnov A.A., Belov V.S., Kargina Y.V., Tikhonowski G.V., Popov A.A., Kharin A.Y., Shestakov M.V., Perepukhov A.M., Syuy A.V., Volkov V.S., Khovaylo V. V., Klimentov S. M., Kabashin A. V., Timoshenko V. Yu. Laser-Ablative Synthesis of Silicon-Iron Composite Nanoparticles for Theranostic Applications // Nanomaterials. - 2023. - V. 13. - №. 15. - P. 2256. (Scopus Q1, WoS) [А5] Bubnov A.A., Syui A.V., Popov A.A., Tikhonovskii G. V., Pokryshkin N. S., Timoshenko V. Yu. Comparative Study of Photothermal Conversion Efficiency in Aqueous Suspensions of Silicon and Titanium Nitride Nanopar-ticles for Biomedical Applications // Phys. Atom. Nuclei. - 2023. - V. 86. - P. 2743-2747. (ВАК ra,Scopus Q4, WoS) [А6] Бубнов А.А., Слащук К.Ю., Ширшин Е.А., Тимошенко В.Ю. Интрао-перационная визуализация околощитовидных желез при эндокринной хирургии // Эндокринная хирургия. - 2021. - T. 15. - №3. - С. 41- 47. (ВАК K4)

[А7] Румянцев П.О., Бубнов А.А., Дегтярев М.В., Слащук К.Ю., Захарова С.М., Агибалов Д.Ю., Тимошенко В.Ю. Современные технологии визуализации и термоаблации очагов гиперпаратиреоза // Digital Diagnostics. - 2021. - T. 1. - №. 3. - C. 369-385. (ВАК, Scopus Q3)

Структура диссертационной работы и объем

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых сокращений и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 138 страниц, включая 52 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 131 наименования.

ГЛАВА 1. ФОТОТЕРМИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОЧАСТИЦ

В настоящей главе представлен аналитический обзор литературы по теме диссертационной работы. Рассмотрены модели взаимодействия света с полупроводниками. Представлены механизмы преобразования энергии лазерного излучения в тепло. Приведены результаты исследований по оценке эффективности конверсии лазерного изучения в тепло для различных полупроводниковых НЧ. Рассмотрены имеющиеся в литературе данные по оптическим и фототермическим свойствам НЧ Si, PSi и Описаны фундаментальные основы метода ФЛ диагностики свойств НЧ. Представлены физико-химические свойства красителя МС, а также способы его загрузки и выгрузки из НЧ PSi. Рассмотрены основные режимы и механизмы ФГТ. Исходя из анализа литературы, был определен перечень задач, решаемых в ходе настоящей диссертационной работы.

1.1. Полупроводниковые наночастицы и их фототермические свойства

В рамках зонной теории твердого тела все многообразие веществ можно разделить на 3 большие группы: металлы, полупроводники и диэлектрики (Рисунок 1.1) [13]. Различие в их электронных свойствах объясняется двумя причинами: различным заполнением разрешенных уровней электронами, наличием и шириной запрещенной зоны [14]. По степени заполнения электронами энергетических уровней можно выделить две зоны: зону проводимости и валентную зону. Отличительной особенностью валентной зоны является ее заселенность электронами, в то время как в зоне проводимости наличие электронов не обязательно. При этом в металле наблюдается перекрытие этих зон, а в полупроводниках и диэлектриках между ними существует запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны (Е^ для полупроводников составляет обычно 0.1-3 эВ, а для диэлектриков более 4 эВ [15]. В связи с этим

для каждой из групп материалов характерны собственные механизмы взаимодействия со светом.

аз О X

о о, ь

и 1) ч

зона перекрытия

проводимости

уровень Ферми

валентная

проводник полупроводник диэлектрик

Рисунок 1.1 - Схема зонного представления твердых тел.

Данное обстоятельство является одним из наиболее важных при выборе материала для создания будущих поколений НЧ, которые могут быть применены в медицине для ФЛ диагностики и ФГТ различных патологий.

1.1.1. Поглощение света в полупроводниках

В основе поглощения света полупроводником лежит процесс взаимодействия с электрическим полем падающей световой волны, при котором энергия, отдаваемая фотоном, идет на образование свободных носителей заряда (электрон-дырочной пары) [16, 17]. С уменьшением энергии фотона помимо усиления взаимодействия со свободными носителями заряда могут включаться процессы взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки (фононы). Для описания последних двух процессов зачастую применима классическая модель Друде-Лоренца, а при описании межзонного поглощения необходимо использовать квантово-механический подход [18,19].

1.1.2. Процессы передачи энергии лазерного излучения полупроводникам

Зависимость интенсивности светового потока, падающего на поверхность полупроводника, в простейшем случае однородной нерассеиваюшей среды можно описать законом Бугера-Ламберта-Бера:

где /0 и 1(х) — интенсивность излучения на поверхности облучаемого тела и на глубине х от поверхности, Яна- коэффициенты отражения и поглощения

Говоря о полупроводниках, можно выделить два механизма поглощения: непосредственно полупроводниковый и индуцированный металлический [20]. При этом основное влияние на поглощение оказывает наличие запрещенной зоны, которая не содержит энергетических уровней. По этой причине механизм поглощения зависит от соотношения между шириной запрещённой зоны, энергией падающего излучения (Ну) и теплового движения

т

Полупроводниковый механизм поглощения (Ну > Её » кТ) свойственен полупроводникам без примесей в их составе в отсутствие свободных носителей заряда в валентной зоне и зоне проводимости. При поглощении падающего фотона возникает электрон-дырочная пара, которая при последующей релаксации может передать свою энергию решетке в виде тепла. В этом случае можно выделить два процесса теплопередачи. Один из них основан на передаче избыточной кинетической энергии ДЕ = Ну - Её при релаксации электронов ко дну зоны проводимости и дырок — к потолку валентной зоны, а второй — на процессе безызлучательной рекомбинации на ловушках. При этом существуют временные соотношения между временами безызлучатель-ных переходов и излучательной рекомбинации. В случае, когда характерное

время излучательной рекомбинации больше времени безызлучательных пе-

20

реходов, механизм полупроводникового поглощения эффективен. Вместе с тем увеличение концентрации свободных неравновесных носителей заряда пе затрудняет как безызлучательную рекомбинацию на дефектах (вероятность Р ~ пе), так и межзонную излучательную рекомбинацию (вероятность Р ~ п2), ударную рекомбинацию (вероятность Р ~ пI) и явление амбиполярной диффузии электронов и дырок вглубь объёма полупроводника посредством концентрационного градиента неравновесных носителей заряда (Рисунок 1.2). Такой механизм наблюдается при невысокой интенсивности излучения, а также на начальном этапе нагрева.

Рисунок 1.2 - Полупроводниковый механизм передачи энергии [20].

После образования свободных неравновесных носителей заряда полупроводниковый механизм переходит в индуцированный металлический. Полученная кинетическая энергия электрон-дырочной пары передается решетке в виде тепла за счет электрон-фононной релаксации по типу металлов [21].

1.1.3. Эффективность фототермической конверсии и тепловые процессы при фотонагреве суспензий наночастиц

В настоящее время для исследования фототермических свойств НЧ в приложении к ФГТ возможно использование количественного параметра -ФКЭ [22]. ФКЭ является мерой оценки эффективности преобразования энер-

гии возбуждения лазерного луча в фотонагрев [23,24]. При этом данный параметр дает информацию о сечениях рассеяния и поглощения и является важной характеристикой при планировании дозировки необходимой для создания пространственно-локализованной ФГТ и приемлемого уровня сигнала ФЛ [25].

Для описания процесса фотонагрева при воздействии лазерного излучения на водную суспензию НЧ используют уравнение теплового баланса, исходя из которого можно определить максимальную температуру водной суспензии НЧ при фотонагреве, что лежит в основе стандартного метода оценки

где Сг- и т; — удельная теплоёмкость и масса всех компонентов суспензии соответственно; ^ - скорость изменения температуры образца, Оошг мощность тепловых потерь вследствие теплообмена с окружающей средой, Qiaser - мощ-

При этом величина ФКЭ определяется из участка, на котором температура нагрева становится максимальной и остается неизменной в пределах погрешности с течением времени при непрерывном лазерном облучении. Величина ФКЭ в общем случае может зависеть от целого ряда параметров НЧ: состава, концентрации, размера и формы, а также от длины волны и мощности лазерного излучения [26-28].

При поглощении в НЧ энергия фотонов преобразуется в тепловую и далее за счет явления теплообмена происходит перенос тепла от более нагретых частей суспензии к менее нагретым или в окружающую среду. При этом передача тепловой энергии от одного материала к другому может происходить тремя основными способами: теплопроводность, конвекция и излучение [28, 29].

Таким образом, передача тепла зависит не только от собственных фототермических свойств материала, из которого изготовлены НЧ, но также от

22

условий окружающей среды, которые в сочетании друг с другом могут существенным образом влиять на величину ФКЭ.

1.1.4. Фототермические свойства кремниевых и композитных наноча-

стиц на его основе

Полупроводниковые материалы нашли широкое применение во многих областях человеческой жизни [30]. При этом стоить отметить, что наиболее часто используемым химическим элементом, который обладает полупроводниковыми свойствами, является кремний (Б1). Помимо его применения в микроэлектронике, в настоящее время продолжаются исследования по его использованию в биомедицине [31]. Известно, что НЧ на основе потенциально могут применяться в диагностических (ФЛ визуализация) и терапевтических (ФГТ) процедурах, а также как НК для доставки лекарственных препаратов или люминесцентных красителей [32, 33].

На сегодняшний день было проведено достаточно большое количество исследований, связанных с определением оптических свойств и фототермических свойств НЧ Si при лазерном возбуждении в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне [33, 34]. Было установлено, что НЧ чистого Si обладают в 7 раз более высоким фотонагревом при лазерном возбуждении в видимой области спектра, чем при воздействии лазерного излучения ближней инфракрасной области спектра (Рисунок 1.3а) [35].

При этом, как было сказано выше, для биомедицинского применения более значимым является ближний инфракрасный диапазон, соответствующий первому окну прозрачности биологических тканей. В связи с этим существует необходимость повысить эффективность нагрева НЧ за счет создания композитных НЧ на его основе. Одним из таких примеров является создание НЧ кремния с примесью золота (БьАи). Исследуя фотонагрев водных суспензий НЧ БьАи при воздействии непрерывного лазерного изучения на длине волны 808 нм, было установлено, что добавление примеси золота спо-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бубнов Александр Андреевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yusuf A. et al., Nanoparticles as Drug Delivery Systems: A Review of the Implication of Nanoparticles' Physicochemical Properties on Responses in Biological Systems // Polymers (Basel). - 2023. - V.15. - №7. - P.1596.

2. Fang J. et al., Nanomaterials for Photohyperthermia: A Review // Curr. Phar-mac. Design. 2013, V.19, 6622-6634.

3. Tamarov K. et al. Temperature responsive porous silicon nanoparticles for cancer therapy - spatiotemporal triggering through infrared and radiofrequen-cy electromagnetic heating // J. Contr. Rel. 2016, V.241, pp.220-228.

4. Golovynskyi S. et al. Optical windows for head tissues in near-infrared and short-wave infrared regions: Approaching transcranial light applications // J Biophotonics. 2018, V.11(12), e201800141.

5. Kabashin A.V., Timoshenko V.Yu. What theranostic applications could ultrapure laser-synthesized Si nanoparticles have in cancer // Nanomedicine,

2016, V.11 (17), pp.2247-2250.

6. Timoshenko V.Yu. Porous silicon in photodynamic and photothermal therapy, In: L. Canham (Ed.), "Handbook of Porous Silicon: Second Edition", Springer Publ., 2018, pp.1461-1469.

7. He W. et al. Plasmonic titanium nitride nanoparticles for in vivo photoacous-tic tomography imaging and photothermal cancer therapy // Biomaterials.

2017. V. 132, pp.37-47.

8. Guler U et al. Colloidal Plasmonic Titanium Nitride Nanoparticles: Properties and Applications // Nanophotonics. 2015, V.4, pp.269-276.

9. М.Н. Солован, В.В. Брус, Э.В. Майструк, П.Д. Марьянчук. Электрические и оптические свойства тонких пленок TiN // Неорганические материалы. 2014. Т.50. С. 46 - 51.

10. Oleshchenko V. A. et al. Modeling of nanoparticle-sensitized spatially localized dynamic photohyperthermia in a blood vessel under infrared laser irra-

diation with a scanning beam //Journal of Bio-X Research. 2023, V. 6, pp.7984

11. Xu X. et al. Fabrication of methylene blue-loaded oval-bumin/polypyrrole nanoparticles for enhanced phototherapy-triggered anti-tumour immune activation // J Nanobiotechnol. 2022, V. 20, pp. 297.

12. Taldaev A. et al. Methylene blue in anticancer photodynamic therapy: systematic review of preclinical studies // Front. Pharmacol. - 2023. - V. 14. - P. 1264961.

13. Плотников П.Г., Плотникова Л.В. Актуальные темы физики твёрдого тела: Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2015. - 102 с.

14. Рез И. С, Поплавко Ю. М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.

15. Киселева Н.Н., Дударев В.А., Коржуев М.А. База данных по ширине запрещенной зоны неорганических веществ и материалов // Материаловедение. - 2015. - №. 7. - С. 3-8.

16. Goetzberger A., Knobloch J., VoB B. et.al. The Principles of Photovoltaics // In Crystalline Silicon Solar Cells / ed. by A. Goetzberger, J. Knobloch, and B. VoB Chichester: John Wiley & Sons Ltd. - 1998. - P. 9 - 48.

17. Honsberg C., Bowden S. Absorption of Light // PVEducation.org. Web. 2012. URL: https: //www. pveducation. org/pvcdrom/pn-junctions/absorption-of-light

18. Ашкрофт Н. Физика твердого тела в 2 т. / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. - М.: 1979.

19. Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Оптика твердого тела и систем пониженной размерности / П. К. Кашкаров, В. Ю. Тимошенко / - М.: Физический факультет МГУ, 2009. - 190 с.

20. Менушенков А.П., Неволин В.Н., Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии: Учебное пособие. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — 212

21. Соколов А. В. Оптические свойства металлов. М.: Гос. Изд-во физ.-мат. литературы, 1961.

22. Zhang H., Chen H., Du X., Wen D. Photothermal conversion characteristics of gold nanoparticle dispersions // Solar Energy. - 2014. - V. 100. - P. 141147.

23. Chen H., Shao L., Ming T., Sun Z., Zhao C., Yang B, Wang J. Understanding the photothermal conversion efficiency of gold nanocrystals // Small. - 2010.

- V. 6. - P. 2272-2280.

24. Jiang K., Smith D. A., Pinchuk A. Size-Dependent Photothermal Conversion Efficiencies of Plasmonically Heated Gold Nanoparticles // J. Phys. Chem. C.

- 2013. - V.117. - P. 27073-27080

25. Jin H., Lin G., Bai L., Amjad M., Filho E. P. B., Wen D. Photothermal conversion efficiency of nanofluids: An experimental and numerical study // Solar Energy. - 2016. - V. 139. - P. 278-289.

26. Sakamoto M., Akashi K., Hotta R., Hino T., Hirazawa H. High Photothermal Conversion of Ball-Milled Titanium Nitride Nanoparticles: Evaluation of Size and Amorphous Effect // ACS Applied Engineering Materials. - 2023. - V. 1.

- №. 1. - P. 287-294.

27. Cui X., Ruan Q., Zhuo X., Xia X., Hu J., Fu R., Li Y., Wang J., Xu H. Photothermal Nanomaterials: A Powerful Light-to-Heat Converter // Chemical Reviews. - 2023. - V. 123. - №. 11. - P. 6891-6952

28. Zhu L.L., Gao M.M., Peh C.K.N., Ho G.W. Solar-Driven Photothermal Nanostructured Materials Designs and Prerequisites for Evaporation and Catalysis Applications // Mater. Horiz. - 2018. - V. 5. - P. 323- 343.

29. Roper D. K., Ahn W., Hoepfner M. Microscale Heat Transfer Transduced by Surface Plasmon Resonant Gold Nanoparticles // J. Phys. Chem. C. - 2007. -V. 111. - P. 3636- 364.

30. Wu. The Development and Application of Semiconductor Materials: 7th International Forum on Electrical Engineering and Automation (IFEEA), Hefei, China. - 2020. - P. 153-156.

31. Rajeev G., Ajay K., Manoj K., Rajesh S., Anita G., Purnendu Sh. P., Neha Y., Kailash P., Ashish Y., Neha G., Ranjeet B., Shalendra K., Ajay S. V., Tanuj K., Wu Y., Zheng H., Abhijit B., Ajay M., Aniruddha M., Romanov O. I. The integration of microelectronic and photonic circuits on a single silicon chip

for high-speed and low-power optoelectronic technology // Nano Materials Science. - 2024.

32. Haidary M.S., Corcoles E. P., Ali N. K. Nanoporous Silicon as Drug Delivery Systems for Cancer Therapies // Journal of Nanomaterials. - 2012. - 830503.

33. Timoshenko V.Yu. Porous silicon in photodynamic and photothermal therapy // In: L. Canham (eds), "Handbook of Porous Silicon: Second Edition", Springer Publ., - 2018. - P. 1461-1469.

34. Belov V.S., Bobkov E. A., Oleschenko V. A., Kabashin A. V., Timoshenko V. Yu. Temperature oscillations during photoinduced heating of aqueous suspensions of silicon nanoparticles // PhysBioSymposium. - 2019. - Moscow, Russia. - P. 012032

35. Kornilova A.V., Ikramova S.B., Musayeva, D.U. et al. Optical Properties and Photo-Heating of Aqueous Suspensions of Silicon-Based Nanocomposite Particles with Deposited Gold // Opt. Spectrosc. - 2023. - V. 131. - P. 545-549.

36. Min Q., Mallidi S., Mehrmohammadi M., Ma L.L. Johnston K.P., Sokolov K., Emelianov S. IEEE 2009 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society - Minneapolis, MN (2009.09.32009.09.6)] 2009 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society // Combined photoacoustic and magneto-acoustic imaging. - 2009. - P. 4763-4766.

37. Filonov A.B., Migas D.B, Shaposhnikov V.L., Dorozhkin N.N., Petrov G.V., Borisenko V.E., Henrion W., H. Lange J. Electronic properties of semiconducting rhenium silicide// Appl. Phys. . - 1996. - V. 79. - P. 7708.

38. Dalapati G.K., Liew S.L., Wong A.S.W., Chai Y., Chiam S.Y. Photovoltaic characteristics of heterojunction solar cells and the effects of interfacial engineering // Appl. Phys. Lett. - 2011. - 98. - P. 013507-13511.

39. Uhlir A. Electrolytic Shaping of Germanium and Silicon / A. Uhlir // Bell Syst. Tech. J. - 1956. - V. 35. - №. 2. - P. 333-347

40. McInnes S.J.P., Vasani R.B., McMillan N.K., Voelcker N.H. Chapter 14 - Porous silicon-polymer composites for cell culture and tissue engineering, Edi-

tor(s): Helder A. Santos, In Woodhead Publishing Series in Biomaterials, Porous Silicon for Biomedical Applications (Second Edition), Woodhead Publishing. - 2021. - P. 447-492.

41. Bley R.A.., Kauzlarich SM., Davis JE., Lee H.W.H. Characterization of silicon nanoparticles prepared from porous silicon // Chem Mater. - 1996. - V. 8. - P. 1881-1888.

42. Park J.H., Gu L., Maltzahn G., Ruoslahti E., Bhatia S.N., Sailor M.J. Biodegradable luminescent porous silicon nanoparticles for in vivo applications // Nat Mater. - 2009. - V. 8. - P. 331-336.

43. Tzur-Balter A., Shatsberg Z., Beckerman M., Segal E., Artzi N. Mechanism of erosion of nanostructured porous silicon drug carriers in neoplastic tissues // Nat Commun. - 2015. - V.6. - P. 6208.

44. Sailor M.J. Porous Silicon Nanoparticles // Handbook of Porous Silicon / ed. by Canham L. Springer. Cham. - 2018. - P. 215 - 255.

45. Pathak N.K. Plasmonic Nanostructures for Energy Application // Front. Mech. Eng. - 2020. - V.6. - P.53.

46. Ou W., Zhou B., Shen J., Zhao Ch., Li Y. Y., Lu J. Plasmonic metal nanostructures: concepts, challenges and opportunities in photo-mediated chemical transformations // iScience. - 2021. - V. 24. - №. 2. - P. 101982.

47. Akgonullu S., Denizli A. Plasmonic nanosensors for pharmaceutical and biomedical analysis // J Pharm Biomed Anal. - 2023. - V. 236. - P. 115671.

48. Borghei Y.S., Hosseinkhani S., Ganjali R. Plasmonic Nanomaterials: An emerging avenue in biomedical and biomedical engineering opportunities // J Adv Res. - 2022. - V. 39. - P. 61-71.

49. Зарьков С. В., Аветисян Ю. А., Якунин А. Н., Меерович И. Г., Фикслер Д., Савицкий А. П., В. В. Тучин. Лазерные технологии в биомедицинских приложениях // Квантовая электроника. - 2021. - T. 51. - C. 52-63.

50. Huergo M.A., Schuknecht F., Zhang J., Lohmuller T. Plasmonic Nanoagents in Biophysics and Biomedicine // Adv. Opt. Mat. - 2022. - V. 10. - P. 2200572.

51. Stafford S., Serrano G. R., Gun'ko Y.K. Multimodal Magnetic-Plasmonic Nanoparticles for Biomedical Applications // Appl. Sci. - 2018. - V. 8. - P. 97

52. Liu J., He H., Xiao D., Yin S., Ji, W., Jiang S., Luo D., Wang B., Liu Y. Recent Advances of Plasmonic Nanoparticles and their Applications // Materials.

- 2018. - V. 11. - P. 1833.

53. Климов В. В. Наноплазмоника. — 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 480 с.

54. Guo Y., Xu Z., Curto G. A., Zeng Y.J., Van D. Thourhout, Plasmonic semiconductors: materials, tunability and applications // Progress in Materials Science. 2023. - V. 138. - P. 101158

55. Chang H., Rho W.Y., Son B.S., Kim J., Lee S.H., Jeong D.H., Jun B.H. Plasmonic Nanoparticles: Basics to Applications // Adv Exp Med Biol. -2021. - V. 1309. - P. 133-159.

56. Barghouti M. El. et al. Enhancement of localized surface plasmon resonances of silver nanoparticles array upon the presence of graphene coatings: LSPR biosensor // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2020. - V. 783. - P. 012023.

57. Sharifi M., Attar F., Saboury A.A., Akhtari K., Hooshmand Na., Hasan A., El-Sayed M. A., Falahati M., Plasmonic gold nanoparticles: Optical manipulation, imaging, drug delivery and therapy // Journal of Controlled Release. -2019. - V. 311. - P. 170-189.

58. Wang X., Cao Y. Characterizations of absorption, scattering, and transmission of typical nanoparticles and their suspensions // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. - 2020. - V. 82. - P. 324-332.

59. Yadav S., Satija J. Shape dependent sensing potential of gold nanoparticles in etching based multicolorimetric plasmonic-ELISA // Nanoscale Adv. - 2022.

- V.4. - P. 3928-3939.

60. Liu Y., Li F., Guo Z., Xiao Y., Y Z., Sun X., Zhe T., Cao Y., Wang L., Lu Q., Wang J. Silver nanoparticle-embedded hydrogel as a photothermal platform for combating bacterial infections // Chemical Engineering Journal. - 2020. V. - 382. - P. 122990.

61. Depciuch J., Stec M., Maximienko A., Baran J., Parlinska-Wojtan M., Size-dependent theoretical and experimental photothermal conversion efficiency of

spherical gold nanoparticles // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. -2022. - V. 39. - P. 102979.

62. Vikas; Kumar R.; Soni S. Beilstein J. Concentration-dependent photothermal conversion efficiency of gold nanoparticles under near-infrared laser and broadband irradiation // Nanotechnol. - 2023. - V. 14. - P. 205-21

63. Popov A.A., Tselikov G., Dumas N., Berard Ch., Metwally Kh., Jones N., Al-Kattan A., Larrat B., Braguer D., Mensah S., Da Silva A., Esteve M.-A., Kabashin A.V. Laser-synthesized TiN nanoparticles as promising plasmonic alternative for biomedical applications // Sci. Rep. - 2019. - V. 9. - P. 1194.

64. Bubnov A.A., Belov V.S., Kargina Y.V., Tikhonowski G.V., Popov A.A., Kharin A.Y., Shestakov M.V., Perepukhov A.M., Syuy A.V., Volkov V.S., Khovaylo V. V., Klimentov S. M., Kabashin A. V., Timoshenko V. Yu. Laser-Ablative Synthesis of Silicon-Iron Composite Nanoparticles for Theranostic Applications // Nanomaterials. - 2023. - V. 13. - №. 15. - P. 2256.

65. Popov A.A., Tikhonowski G.V., Shakhov P.V., Popova-Kuznetsova E.A., Tselikov G.I., Romanov R.I., Markeev A.M., Klimentov S.M., Kabashin A.V. Synthesis of Titanium Nitride Nanoparticles by Pulsed Laser Ablation in Different Aqueous and Organic Solutions // Nanomaterials. - 2022. - V.12. -№. 10. - P. 1672.

66. Alvarez C., Berrospe-Rodriguez C., Wu C., Pasek-Allen J.., Khosla K, Bischof J., Mangolini L., Aguilar G. Photothermal heating of titanium nitride nanomaterials for fast and uniform laser warming of cryopreserved biomaterial // Front. Bioeng. Biotechnol. - 2022. - V. 10. - P. 957481.

67. Zelepukin I.V., Popov A.A., Shipunova V.O., Tikhonowski G. V., Mirkasymov A. B., Popova-Kuznetsova E. A., Klimentov S. M., Kabashin A.V., Deyev S.M. Laser-synthesized TiN nanoparticles for biomedical applications: Evaluation of safety, biodistribution and pharmacokinetics // Mater Sci. Eng. C Mater Biol Appl. - 2021. - V. 120. - P. 111717.

68. Wang C., Dai C., Hu Z. Li H., Yu L., Lin H., Bai J., Chen Y. Photonic cancer nanomedicine using the near infrared-II biowindow enabled by biocompatible titanium nitride nanoplatforms // Nanoscale Horiz. - 2019. - V. 4. - P. 415425.

69. Kim W., Jeshin S., Chang Ch., Sung-wook L., Sujeong Sh. Synthesis of TiN Nanoparticles by Explosion of Ti Wire in Nitrogen Gas // Materials Transactions. - 2009. - V. 50. - P. 2897-2899.

70. Jiang W., Fu Q., Wei H., Yao A. TiN nanoparticles: synthesis and application as near-infrared photothermal agents for cancer therapy // J. Mater. Sci. -2019. - V. 54. - P. 5743-5756.

71. Ge W., Chang Z., Siddique A., Shi B., Liu C. Large-area fabrication of TiN thin films with photothermal effect via PECVD // Ceram. Int. - 2019. - V. 46.

- P. 7355-7361.

72. Howland R.H. Methylene Blue: The Long and Winding Road from Stain to Brain: Part 1. // J Psychosoc Nurs Ment Health Serv. - 2016. - V. 54. - №. 9.

- P. 21-4.

73. Рудометкина Е. А. Анилиновые красители: история, производство, перспектива // Лучший исследовательский проект. - 2021. - С. 164-176.

74. Влияние метиленового синего и его метаболита—азура I—на биоэнергетические параметры изолированных митохондрий мозга мышей / А. П. Гуреев [и др.] // Биомедицинская химия. - 2021. - Т. 67. - №. 6. - С. 485490.

75. Tummers Q.R.J.G., Schepers A., Hamming J.F., et al. Intraoperative guidance in parathyroid surgery using near-infrared fluorescence imaging and low-dose Methylene Blue // Surgery. - 2015. - V.158. - №. 5. - P. 1323-1330.

76. Patel H.P., Chadwick D. R., Harrison B. J., Balasubramanian S. P. Systematic review of intravenous methylene blue in parathyroid surgery // British Journal of Surgery. - 2012. - V. 99. - №.10. - P. 1345-1351.

77. Yaroslavsky A.N., Feng X., Muzikansky A. et al. Fluorescence Polarization of Methylene Blue as a Quantitative Marker of Breast Cancer at the Cellular Level // Sci Rep. - 2019. - V. 9. - P. 940.

78. Уденеев А.М., Калягина Н.А., Репс В.Ф., Козлова В.В., Пигунова Л.А., Поздняков Д.И., Скобельцин А.С., Лощенов В.Б. Фото и спектральный флуоресцентный анализ области травмы спинного мозга на животных моделях // Biomedical Photonics. - 2023. - Т. 12. - № 3. - С.16-20.

79. Makarov V. I. Effect of Photodynamic Therapy with the Photosensitizer Methylene Blue on Cerebral Endotheliocytes In Vitro" // Photonics. - 2024. -V. 11. - № 4.

80. Jermain P.R.; Fischer A.H.; Joseph L.; Muzikansky A.; Yaroslavsky A.N. Fluorescence Polarization Imaging of Methylene Blue Facilitates Quantitative Detection of Thyroid Cancer in Single Cells // Cancers. - 2022. - 14. -1339.

81. Buzga M., Machytka E., Dvorackova E., Svagera Z., Stejskal D., Maca J., Kral J. Methylene blue: a controversial diagnostic acid and medication? // Toxicol Res (Camb). - 2022. - V. 11. - №. 5. - P. 711-717.

82. Mihai R., Mitchell E.W. Warwick J. Dose-response and postoperative confusion following methylene blue infusion during parathyroidectomy // Can J Anaesth. 2007. - V. 54. - №. 1. - P. 79-81.

83. Yan F., Sun Z., Zhang H. et al. The fluorescence mechanism of carbon dots, and methods for tuning their emission color: a review // Microchim Acta. -

2019. - V. 186. - P. 583.

84. Чайдонова В. С. Спектрально-люминесцентные свойства и природа электронных состояний антибиотиков: дис. канд. ф.-м. наук - М., 2023. -С. 62-66.

85. De Miranda E. G.A., Toledo V. H., dos Santos C. G., Costa F., Diaz-Lopez M., de Queiroz T.B., Nascimento O. R., Nantes I. L. Organic matrix-entrapped methylene blue as a photochemical reactor applied in chemical synthesis and nanotechnology // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. - 2023- V. 444. - P. 115015.

86. Katzenberg A., Raman A., Schnabel N. L, Quispe A. L., Silverman A. I., Modestino M. A. React. Photocatalytic hydrogels for removal of organic contaminants from aqueous solution in continuous flow reactors // Chem. Eng. -

2020. - V. 5. - P. 377-386

87. Santin L. R.R., dos Santos S. C., Novo D. L. R., Bianchini D., Gerola A. P., Braga G., Caetano W., Moreira L.M., Bastos Erick L., Romani A. P., de Oliveira H. P.M. Study between solvatochromism and steady-state and time-

129

resolved fluorescence measurements of the Methylene blue in binary mixtures // Dyes and Pigments. - 2015. - V. 119. - P. 12-21.

88. Поминова Д.В., Рябова А.В., Романишкин И.Д., Маркова И.В., Ахлю-стина Е.В., Скобельцин А.С. Спектроскопическое исследование фотофизических свойств метиленового синего в биологических средах // Biomedical Photonics. - 2023. - V. 12. - №. 2. - P. 34-47.

89. Tripathi S.K., Mishra P., Dwivedi S.K. et al. Real-time photothermal degradation of methylene blue dye by CuS thin film grown using a fully automated spray pyrolysis // Bull Mater Sci. - 2024. - V. 47. - №. 2. - P 1-12.

90. Lim D.J. Methylene Blue-Based Nano and Microparticles: Fabrication and Applications in Photodynamic Therapy // Polymers. - 2021. - V. 13. - №. 22. - P. 3955.

91. Yusuf A., Almotairy A.R.Z., Henidi H., Alshehri O.Y., Aldughaim M.S. Na-noparticles as Drug Delivery Systems: A Review of the Implication of Nano-particles' Physicochemical Properties on Responses in Biological Systems // Polymers. - 2023. - V. 15. - №. 7. - P. 1596.

92. M. Qiu, A. Singh, D. Wang, J. Qu, M. Swihart, H. Zhang, P.N. Prasad Biocompatible and biodegradable inorganic nanostructures for nanomedicine: silicon and black phosphorus // Nano Today. - 2019. - V. 25. - P. 135-155

93. Gongalsky M.B., Sviridov A.P., Bezsudnova Yu.I., Osminkina L.A., Biodegradation model of porous silicon nanoparticles // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2020. - V.190. - P. 110946

94. Haidary S. M., Corcoles E.P., Ali N. K., Nanoporous Silicon as Drug Delivery Systems for Cancer Therapies // Journal of Nanomaterials. - 2012. - V. 2012. - P. 15

95. Mattei G., Valentini V., Yakovlev V. A. An FTIR study of porous silicon layers exposed to humid air with and without pyridine vapors at room temperature // Surface Science. - 2002. - V. 502. - P. 58-62.

96. Radoor S., Karayil J., Jayakumar A. et al. Release of toxic methylene blue from water by mesoporous silicalite-1: characterization, kinetics and isotherm studies // Appl Water Sci. - 2021. - V. 11. - P. 110.

97. Altowyan A. S., Toghan A., Ahmed H.A., Pashameah R. A., Mwafy E. A., Alrefaee S. H, Mostafa A. M. Removal of methylene blue dye from aqueous solution using carbon nanotubes decorated by nickel oxide nanoparticles via pulsed laser ablation method // Radiation Physics and Chemistry. - 2022. - V. 198. - P. 110268.

98. Chen M., Jafvert C. T. Application of cross-linked stearic acid nanoparticles with dialysis membranes for methylene blue recovery // Separation and Purification Technology. - 2018. - V. 204. - P. 21-29.

99. Tang W., Xu H., Kopelman R., Philbert M.A. Photodynamic characterization and in vitro application of methylene blue-containing nanoparticle platforms // Photochem. Photobiol. - 2005. - V. 81. - P. 242-249

100. González-Rodríguez L., Pérez-Davila S., López-Álvarez M. et al. Review article laser-induced hyperthermia on graphene oxide composites // J Nanobi-otechnol. - 2023. - V. 21. - № 1.

101. Song C.W., Lokshina A., Rhee J.G., Patten M., Levitt S.H. Implication of blood flow in hyperthermic treatment of tumors // IEEE Trans Biomed Eng. -1984. - V. 31. - №. 1. - P. 9-16.

102. Schupper A.J., Chanenchuk T., Racanelli A., Price G., Hadjipanayis C. G., Laser hyperthermia: Past, present, and future // Neuro-Oncology. - 2022. -V.24. №. 6. - P. S42-S51

103. Song C. W. Effect of local hyperthermia on blood flow and microenvironment: a review // Cancer Research. - 1984. - V. 44. - №. 10. - P. 47214730

104. Oleshchenko V.A., Kharin A. Yu., Alykova A.F., Karpukhina O.V., Karpov, N.V., Popov A.A., Bezotosnyi V.V., Klimentov S.M., Zavestovskaya I.N., Kabashin A.V., Timoshenko V. Yu. Localized infrared radiation-induced hyperthermia sensitized by laser-ablated silicon nanoparticles for phototherapy applications //Applied Surface Science. - 2020. - V. 516. - P. 145661

105. Kornilova A.V., Kuralbayeva, G.A.; Stavitskaya A.V., Gorbachevskii M.V., Karpukhina O.V., Lysenko I.V., Pryadun V.V., Novikov A.A., Va-siliev

A.N., Timoshenko V.Yu. Gold nanoparticles immobilized on hal-loysite nanotubes for spatially-temporally localized photohyperthermia // Applied Surface Science. - 2021. - V. 566. - P. 150671

106. Belykh E, Yagmurlu K, Martirosya N.L., Lei T., Izadyyazdanabadi M., Malik K.M., Byvaltsev V.A., Nakaji P., Preul M.C. Laser application in neurosurgery // Surg Neurol Int. - 2017. - V. 8. - P. 274.

107. Ai Q., Liu M., Sun F., Liu C., Xia X. Near infrared spectral radiation properties of different liquid hydrocarbon fuels // Journal of Near Infrared Spectroscopy. - 2018. -V.26. - №.1. - P. 5-15

108. Oleshchenko V.A., Kharin A.Y., Alykova A.F. et al. Localized infrared radiation-induced hyperthermia sensitized by laser-ablated silicon nanoparticles for phototherapy applications // Appl Surf Sci. - 2020. - V. 516. - P. 145661.

109. Bianchi L., Mooney R., Cornejo Y.R., Schena E., Berlin J.M., Aboody K.S., Saccomandi P. Thermal analysis of laser irradiation-gold nanorod combinations at 808 nm, 940 nm, 975 nm and 1064 nm wavelengths in breast cancer model // Int J Hyperthermia. - 2022. - V.14. - №. 22. - P. 5686

110. Richardson H.H., Carlson M.T., Tandler P.J., Hernandez P., Govorov A.O. Experimental and Theoretical Studies of Light-to-Heat Conversion and Collective Heating Effects in Metal NanoparticleSolutions // Nano Lett. - 2009. -V.9. - P. 1139-1146.

111. Kargina Y.V., Perepukhov A.M., Kharin A.Y., Zvereva E.A., Koshelev A.V., Zinovyev S.V., Maximychev A.V., Alykova A.F., Sharonova N.V., Zubov V.P. Silicon Nanoparticles Prepared by Plasma-Assisted Ablative Synthesis: Physical Properties and Potential Biomedical Applications // Phys. Status Sol-idi. A. - 2019. - V. 216. - P. 1800897

112. Kargina Y.V., Sobolev A.V., Kozlyakova E.S., Vasiliev A.N., Kharin A.Y., Sharonova N.V., Perepukhov A.M., Stavitskaya A.V., Ischenko A.A., Timoshenko V.Y. Composite silicon-iron nanoparticles: Physical properties and potential application in MRI contrasting // J. Nanoparticle Res. - 2022. - V. 24. - P.115.

113. Alykova A.F., Yakunin V.G., Timoshenko V.Y., Zavestovskaya I.N. Optical methods of silicon nanoparticle diagnostics for applications in biomedicine // J. Biomed. Photonics Eng. - 2019. - V. 5. - P. 020304.

114. Testa-Anta M., Ramos-Docampo M.A., Comesana-Hermo M., Rivas-Murias B., Salgueirino V. Raman spectroscopy to unravel the magnetic properties of iron oxide nanocrystals for bio-related applications // Nanoscale Adv. - 2019.

- V. 1. - P. 2086-2103.

115. Kuznetsov Y.M., Dorokhin M.V., Nezhdanov A.V., Zdoroveichev D.A., Le-snikov V.P., Ved, M.V. Formation of the P-FeSi2 phase by pulsed laser deposition // J. Phys. Conf. Ser. - 2021. - V. 1851. - P. 012007.

116. Tian Q., Jiang F., Zou R., Liu Q., Chen Z., Zhu M., Yang, S., Wang J. Hy-drophilic Cu9S5 Nanocrystals: A Photothermal Agent with a 25.7% Heat Conversion Efficiency for Photothermal Ablation of Cancer Cells in Vivo //ACS Nano. - 2011. - V. 5. - P. 9761-9771.

117. Liu J., Zheng X., Yan L., Zhou L., Tian G., Wenyan Y., Liming W., Ying L., Zhongbo H., Gu, Z., et al. Bismuth Sulfide Nanorods as a Precision Nano-medicine for in Vivo Multimodal Imaging-Guided Photothermal Therapy of Tumor // ACS Nano. - 2015. - V. 9. - P. 696-707.

118. Zhou Z., Sun Y., Shen J., Wei J., Yu C., Kong B., Liu W., Yang H., Yang S., Wang W. Iron/iron oxide core/shell nanoparticles for magnetic targeting MRI and near-infrared photothermal therapy // Biomaterials. - 2014. - V. 35. -7470-7478.

119. Guler U., Naik G.V., Boltasseva A., Shalaev V. M., Kildishev A. V. Performance analysis of nitride alternative plasmonic materials for localized surface plasmon applications // Appl. Phys. B. - 2012. - V.107. - P. 285-291.

120. Chuang Y.C., Lee H.L., Chiou J.F., Lo L.W. Recent Advances in Gold Na-nomaterials for Photothermal Therapy // J. Nanotheranostics. - 2022. - V. 3.

- P. 17-131.

121. C.F. Bohren and D.R. Huffman. Absorption and scattering of light by small particles. John Wiley & Sons, 72, 2008.

122. Jacques S. L. Optical properties of biological tissues: a review // Physics in Medicine and Biology. - 2013 - V. 58. - №11. - P. 37-61.

123. Barbora A., Bohar O., Sivan A. A. Higher pulse frequency of near-infrared laser irradiation increases penetration depth for novel biomedical applications // PLoS One. - 2021. - V. 16. - P. e0245350.

124. J. Schindelin, I. Arganda-Carreras, E. Frise, V. Kaynig, M. Longair, T. Pie-tzsch, S. Preibisch, C. Rueden, S. Saalfeld, B. Schmid, J. Y. Tinevez, D. J. White, V. Hartenstein, K. Eliceiri, P. Tomancak, and A. Cardona. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis // Nat. Meth. - 2012. - V. 9. - P. 676.

125. S. Eremina, Yu.V. Kargina, A.Yu. Kharin, D.I. Petukhov, and V.Yu. Timo-shenko. "Mesoporous silicon nanoparticles covered with PEG molecules by mechanical grinding in aqueous suspensions," Micropor. Mesopor. Mat. -2022. - V. 331. - P. 111641.

126. D. Kovalev, H. Heckler, G. Polisski, and F. Koch, "Optical properties of Si nanocrystals", Phys. Stat. Sol. - 1999. - V. 215. - P. 871-932.

127. de Miranda E.G.A., Toledo V.H., dos Santos C.G., Costa F., Diaz-Lopez M., de Queiroz T.B., Nascimento O.R., and Nantes I.L. Organic matrix-entrapped methylene blue as a photochemical reactor applied in chemical synthesis and nanotechnology // J. Photochem. & Photobiol. A: Chem. - 2023. - V. 444. -P. 115015.

128. Dao H. M., Whang C., Shankar V. K., Wang Y., Khan I. A, Walker L. A., Husain I., Khan S. I., Murthy S. N. and Jo S. Methylene blue as a far-red light-mediated photocleavable multifunctional ligand // Chem. Commun. -2020. - V. 56. - P. 1673.

129. Pahang F., Parvin P., Ghafoori-Fard H., Bavali A., and Moafi A. Fluorescence properties of methylene blue molecules coupled with metal oxide nanoparticles // OSA Continuum. - 2020. - V. 3. - P. 688-697.

130. Krenek S., Berendonk T.U., Petzoldt T. Thermal performance curves of Paramecium caudatum: a model selection approach // Eur. J. Protistol. - 2011. -V. 2. - P. 124-137.

131. Gruzdev G.A., Karpukhina O.V., Yakunin V.G., Inozemtsev A.N., Savinov V.P., Timoshenko V.Yu., and A.A. Kamensky. Effect of Low-Temperature Atmospheric Pressure Plasma on Paramecium caudatum Cell Culture // Moscow Univ. Biolog. Sci. Bull. - 2021. - V.76. - №4. - P. 244-24

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Создание оптических фильтров из пористого кремния по технологии одномерных фотонных кристаллов

В настоящей работе измерение спектров флуоресценции свободного и загруженного МС происходило с использованием оптических фильтров пористого кремния в виде фотонных кристаллов. В параграфе 5.2 была продемонстрирована методика получения пластинок РБ1. После чего определялась их толщина в зависимости от плотности тока травления с использованием рамановского микроскопа.

Измерения проводились при помощи лазера на 630 нм. Пластинка РБ1 позиционировалась на предметном столике микроскопа. Для более точного определения толщины выбирается образец 5х5 мм (небольшой размер уменьшает колебания толщины, вызванные неровностью размещения образца). Далее производилась фокусировка лазерного луча на образце (объектив микроскопа 100). Принимается положение фокуса за 0 толщины. После чего предметный столик перемещается вдоль поверхности образца до тех пора пока не произойдет резкая расфокусировка (лазерный луч выходит за пределы образца и попадает на предметный столик). Затем снова проводится фокусировка лазерного луча на столике. Разность между высотами, в которых достигалась фокусировка на образце и предметном столике, принималась за среднюю толщину образца. Абсолютная погрешность прямых измерений 0,1 мкм (Таблица №2).

Номер об- Ток трав- Время трав- Плотность то- Толщина пла-

разца ления, мА ления, сек л ка, мА/см стинки, мкм

1 200 200 129,98 28,5

2 150 180 97,49 22,4

3 100 300 64,99 24,9

Таблица № 2. Измерение толщины пластинок пористого кремния

Для вычисления показателей преломления полученных пластинок РБ1 применяется метод спектрофотомерии. По спектрам пропускания образца рассчитывается количество интерференционных максимумов. Далее вычисляется показатель преломления в соответствии с формулами (1-4):

2 па = Т (1)

Т = 1 (2)

w

и/ = — = (3)

N N

П =

± (4)

2nw

где п - показатель преломления образца; Т - период колебаний; w - частота колебаний; Aw - полоса частот; N - количество интерференционных максимумов.

На основе полученных экспериментальных данных была построена зависимость изменения показателя преломления от плотности тока (Рисунок 1). Данные аппроксимируются линейной функцией.

Зависимость показателя преломления пластинок мезопористого кремния от плотности тока в пластинках

«

I

х

£ 2 1 о

§и

л ч

41

Ё та

Я 1

л

X

о с

0,5

100 1» 200 Плотность тока, мА/смЛ2

«

•

81

,0089т *

Рисунок 1. Зависимость показателя преломления пластинок от плотности тока травления Полученная зависимость позволяет создать пары слоев, которые лежат в основе фотонных кристаллов. После получения данных о показателях преломления были созданы фотонные кристаллы с различными характеристиками, главными из которых являются центр и ширина фотонной запрещенной зоны (цФЗЗ и шФЗЗ). Фотонные кристаллы были изготовлены путем травления кремниевых пластин электрохимически в растворе, содержащем спирт и плавиковую кислоту в отношении 1:1 (Рисунок 2).

■ чг ^ * / ^ • 1 ш 1 -- - > г, ^

— •» л « — _ - «днем ни мм« г ^ ^ Не

\

Рисунок 2. Процесс получения фотонных кристаллов.

На подложке фиксировался образец монокристаллического кремния. Далее на него устанавливался цилиндрический тефлоновый стакан с открытым дном. Для герметичности системы между пластинкой и стаканом вставлялась резинка. После чего проводился тест на герметичность системы с использованием этилового спирта. В отсутствие мельчайших зазоров в системе в стакан добавлялся спиртовой раствор плавиковой кислоты в отношении 1:1. Далее от генератора тока один электрод (анод) устанавливаем на подложке, а другой (катод) представляет платиновую проволоку, которую опускают в раствор электролита.

Используя данные, полученные в экспериментах с пластинками PSi, были определены значения плотностей токов для создания пар слоев с разными показателями преломления. Значения занесены в программу травления, написанную в среде Python (версия 10.0.). В основе работы программы лежит протокол Modbus для управления источником тока.

В ходе работы был изготовлен фотонный кристалл (Рисунок 3). Длина

волны возбуждения, под которую были рассчитаны параметры фотонного

2 2

кристалла, составила 660 нм, плотности токов 150 мА/см и 50 мА/см и показатели преломления слоя 1,73 и 1,2 соответственно.

Рисунок 3. (а) Фотонный кристалл, закреплённый в держателе, и (б) спектр пропускания фотонного фильтра (цФЗЗ - 665 ±10 нм и шФЗЗ - 50 ± 5 нм).