Применение светорассеивающих наночастиц кремния, сформированных методом лазерной абляции, в задачах биофотоники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00192

НазваниеПрименение светорассеивающих наночастиц кремния, сформированных методом лазерной абляции, в задачах биофотоники

Руководитель Головань Леонид Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова кремниевые наночастицы, лазерная абляция, спектрофотометрия, случайно-неоднородные среды, оптическая когерентная томография, Монте-Карло моделирование, комбинационное рассеяние света

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку кремниевых наночастиц (КНЧ), обладающих высоким потенциалом для решения ряда задач биофотоники. Актуальность применения КНЧ в современной биофотонике обусловлена, с одной стороны, возможностью управления локальными оптическими свойствами биоткани путем внедрения наночастиц и, с другой стороны, биодеградируемостью кремния. Основными областями применения КНЧ в биофотонике в настоящее время являются контрастирование диагностических изображений биоткани, полученных методами оптической неинвазивной визуализации, и повышение эффективности терапевтических методов, основанных на воздействии излучением оптического диапазона. Сейчас КНЧ преимущественно используются в качестве фотолюминесцентных меток для визуализации биотканей или фотосенсибилизаторов для генерации синглетного кислорода при фотодинамической терапии. В тоже время контрастирующий потенциал КНЧ, обладающих высоким показателем преломления по сравнению с реальными биотканями, практически не изучен с точки зрения рассеяния света в случайно-неоднородных средах. Также крайне мало исследованы возможности использования КНЧ в качестве агентов для гипертермии, реализуемой под воздействием излучения оптического диапазона. В частности, не имеется даже теоретически рассчитанных систематизированных данных об эффективности этой процедуры с применением КНЧ в зависимости от длины волны возбуждения, размеров и концентрации используемых частиц. Указанные задачи требуют разработки новых методов формирования КНЧ с требуемыми структурными и оптическими свойствами. Хорошо апробированные для биофотоники технологические подходы формирования пористого кремния (ПК) и массивов кремниевых нанонитей (КНН) с помощью электрохимического или металл-стимулированного химического травления, соответственно, дают возможность варьировать оптические свойства КНЧ, в том числе эффективность светорассеяния в широких пределах. Однако имеются сложности с измельчением полученных структур до размеров в десятки нанометров, оптимальных для решения описанных задач биофотоники с точки зрения введения частиц в организм и их последующей биодеградации. Традиционное механическое дробление не позволяет существенно преодолеть порог по размерам в 100 нм. Альтернативой является метод лазерной абляции, позволяющий формировать КНЧ требуемых размеров путем подбора соответствующих буферных сред и параметров лазерного облучения. Однако при абляции КНЧ из монокристаллического кремния достаточно трудоемко достижение их высоких концентраций из-за относительно высокого порога абляции кристаллического кремния, а также высокой эффективности рассеяния и поглощения света. Решением может быть применение последовательной (гибридной) технологии, когда на первом шаге методами химического травления монокристаллического кремния формируются наноструктуры с высокими пористостями, сечением светорассеяния и низким порогом абляции (ПК или массивы КНН), а на втором шаге данные структуры измельчаются до размеров десятков нанометров методом импульсной лазерной абляции. Такой подход, насколько нам известно, предлагается для решения затронутых в предлагаемом проекте задач нанофотоники впервые. Таким образом, конкретной задачей решаемой в данном проекте является комплексное исследование структурных и оптических свойств (в диапазоне длин волн 400 – 1300 нм) КНЧ, формируемых последовательно методами химического травления (ПК, массивы КНН) и импульсной лазерной абляции при варьировании технологических параметров изготовления (уровень легирования исходной кремниевой подложки, буферная жидкость для абляции, время аблирования лазерными импульсами) с целью использования данных наноструктур для контрастирования биологических тканей и их фантомов, а также оценки возможности практического применения в гипертермии. Комплексность исследования и достоверность получаемых результатов будут обеспечены применением набора взаимодополняющих друг друга подходов: технологий химического и лазерного наноструктурирования кремния, спектрофотометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, микроскопии высокого разрешения, динамического рассеяния света, фотолюминесценции, измерений кросскорреляционных функций, моделирования распространения света в случайно-неоднородных средах на основе метода Монте-Карло и изучения контрастирования изображений биотканей лабораторных животных (мыши, кролики) и фантома на основе агарового геля методом оптической когерентной томографии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Заботнов С.В., Колчин А.В., Кашаев Ф.В., Скобёлкина А.В., Нестеров В.Ю., Преснов Д.Е., Головань Л.А., Кашкаров П.К. Анализ структуры наночастиц, формируемых методом лазерной абляции пористого кремния и микрочастиц кремния в воде Письма в Журнал технической физики, том 45, вып. 21, с. 22-25 (год публикации - 2019)
10.21883/PJTF.2019.21.48468.17927

2. Скобёлкина А.В., Кашаев Ф.В., Заботнов С.В., Колчин А.В., Каминская Т.П., Преснов Д.Е., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю., Головань Л.А., Кашкаров П.К. Structural and photoluminescence properties of nanoparticles formed by laser ablation of porous silicon in ethanol and liquid nitrogen IFMBE Proceedings, vol. 77, pp. 101-104 (год публикации - 2020)
10.1007/978-3-030-31866-6_22

3. Заботнов С.В., Куракина Д.А., Кашаев Ф.В., Скобелкина А.В., Колчин А.В., Каминская Т.П., Хилов А.В., Агрба П.Д., Сергеева Е.А., Кашкаров П.К., Кириллин М.Ю., Головань Л.А. Структурные и оптические свойства наночастиц, формируемых методом лазерной абляции пористого кремния в жидкостях: перспективы применения в биофотонике Квантовая электроника (год публикации - 2020)

4. Заботнов С.В., Скобелкина А.В., Сергеева Е.А., Куракина Д.А., Хилов А.В., Кашаев Ф.В., Каминская Т.П., Преснов Д.Е., Агрба П.Д., Шулейко Д.В., Кашкаров П.К., Головань Л.А., Кириллин М.Ю. Nanoparticles produced via laser ablation of porous silicon and silicon nanowires for optical bioimaging Sensors, vol. 20, issue 17, article No 4874 (год публикации - 2020)
10.3390/s20174874

5. Заботнов С.В., Скобелкина А.В., Кашаев Ф.В., Колчин А.В., Попов В.В., Преснов Д.Е., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю., Головань Л.А. Pulsed laser ablation of silicon nanowires in water and ethanol Solid State Phenomena, vol. 312, pp. 200-205 (год публикации - 2020)
10.4028/www.scientific.net/SSP.312.200

6. Соколовская О.И., Заботнов С.В., Головань Л.А., Кашкаров П.К., Куракина Д.А., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю. Перспективы применения кремниевых наночастиц, полученных методом лазерной абляции, для гипертермии злокачественных опухолей Квантовая электроника, Т. 51, №1 (год публикации - 2021)

7. Нестеров В.Ю., Соколовская О.И., Головань Л.А., Шулейко Д.В., Колчин А.В., Преснов Д.Е., Кашкаров П.К., Хилов А.В., Куракина Д.А., Кириллин М.Ю., Сергеева Е.А., Заботнов С.В. Лазерная фрагментация кремниевых микрочастиц в жидкостях для решения задач биофотоники Квантовая электроника (год публикации - 2022)

8. Заботнов С.В., Головань Л.А., Куракина Д.А., Хилов А.В., Соколовская О.И., Скобёлкина А.В., Кашаев Ф.В., Кашкаров П.К., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю. Designing silicon nanoparticles for optical bioimaging Frontiers in Optics / Laser Science 2020, OSA Technical Digest, Washington, DC United States, Frontiers in Optics / Laser Science, B. Lee, C. Mazzali, K. Corwin, and R. Jason Jones, eds., OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper FTh2D.2. (год публикации - 2020)
10.1364/FIO.2020.FTh2D.2

9. Соколовская О.И., Сергеева Е.А., Головань Л.А., Кашкаров П.К., Хилов А.В., Куракина Д.А., Орлинская Н.Ю., Заботнов С.В., Кириллин М.Ю. Numerical simulation of enhancement of superficial tumor laser hyperthermia with silicon nanoparticles Photonics, V. 8 (год публикации - 2021)
10.3390/xxxxx

Публикации