Ученые Казанского федерального университета раскрыли механизм, благодаря которому электронный свет приводит к фотонагреву оптически прозрачных наноматериалов. Этот механизм открывает новые возможности для диагностики и терапии онкологических заболеваний.

Исследование, опубликованное в журнале Laser & Photonics Reviews, объясняет, как оптически прозрачные гетерогенные системы могут захватывать свет посредством рассеяния, а не поглощения.

«Термин "электронный свет" описывает фотоны, которые испытывают неупругое рассеяние на электронных состояниях, – поясняет заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики Сергей Харинцев. – Этот эффект проявляется в рамановских спектрах пространственно-ограниченных гетерогенных сред, таких как аморфные и пористые материалы, высокоэнтропийные кристаллы, пены, гели, полимеры, клетки и т.д. в виде бесструктурного широкополосного фона, известного как электронное рассеяние света (ЭРС). На этот фон накладываются узкие молекулярные линии, которые определяют химический состав вещества».

По словам профессора, долгие годы физическая природа этого фона оставалась неясной, из-за чего исследователи просто вычитали его из спектров, чтобы улучшить соотношение сигнал-шум для молекулярных линий. Однако в более ранних работах группа профессора Харинцева выяснила, что взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами обеспечивает изменение импульса электронов аналогично тому, как фононы передают импульс электронам в объемных кристаллах.

«Ключевым фактором является появление дополнительных электронных состояний, связанных с нарушением пространственной симметрии материала, – отмечает С. Харинцев. Это может привести к значительному увеличению силы осциллятора непрямых электронных переходов».

Ученые показали, что широкополосный сигнал ЭРС содержит информацию об энергетической зонной структуре материалов. Это отличает электронное рассеяние света от колебательного комбинационного рассеяния света, которое отвечает за химическую природу вещества.

«Интригой нашего исследования является то, что оптически прозрачная среда начинает нагреваться, как только становится гетерогенной. Это раскрывает ранее неизвестный механизм оптического нагрева сред, которые не поглощают свет. Наше открытие заставляет пересмотреть устоявшиеся терапевтические методы – фототермическую и фотодинамическую терапию. Традиционно в них используются светопоглощающие агенты: фотосенсибилизаторы, органические красители, металлические нанооболочки, которые адресно доставляются в опухолевые ткани, чтобы преобразовать свет в тепло или химическую энергию для уничтожения раковых клеток. Наш подход позволяет напрямую использовать свет в живых системах в терапевтических целях без введения внешних агентов», – продолжил заведующий кафедрой.

Стратегия «без агентов» превращает фототермическую терапию в мощный и неинвазивный инструмент: можно лечить опухоль целевым образом, оставляя здоровые нетронутыми. Первые попытки использовать свет для лечения опухолевых заболеваний опирались на резонансное поглощение сверхмощного лазерного излучения (> ТВт/см²), что повреждало и больные, и здоровые ткани. Поэтому метод не получил широкого распространения. Кроме того, стандартные подходы фототермической терапии не позволяют диагностировать раковые клетки.

«Чтобы продемонстрировать физический принцип, мы намеренно выбрали простую химическую систему – микроэмульсию декан/вода, стабилизированную поверхностно-активным веществом», – рассказывает первый автор статьи Элина Батталова.

Эта микроэмульсия является оптически прозрачной, но начинает нагреваться под действием света в точке перколяции, когда ее электропроводность резко возрастает. Концептуально такая среда может моделировать злокачественную опухоль, которую можно селективно уничтожать при нерезонансном возбуждении с помощью неупругого рассеяния света, а не поглощения.

«Это означает, что падающее излучение с заданной длины волны "не замечает" здоровые клетки в широком спектральном диапазоне, но при этом селективно уничтожает раковые клетки благодаря ЭРС, – объясняет Батталова. – Мы показали, что оптически прозрачная микроэмульсия может нагреваться на несколько десятков градусов при интенсивности освещения порядка кВт/см². Такое необычное поведение мы объяснили изгибом энергетических зон, при котором электронное рассеяние света доминирует над поглощением. Таким образом, подбирая длину волны возбуждения и мощность накачки, можно адресно воздействовать на опухоль, направляя нерезонансный свет непосредственно на злокачественную ткань».

Хотя основные результаты исследования получены на модельной химической системе, в дальнейшем они могут быть применены к живым организмам, что расширяет горизонты применения термооптических технологий. Стратегия, основанная на фотонагреве прозрачных неоднородных сред через рассеяние, а не поглощение света, открывает путь к неинвазивной высокоточной абляции сложных по структуре опухолей при полном сохранении окружающих здоровых тканей.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ.

Присоединяйтесь к каналу КФУ в MAX.