Исследование морфологии и свойств кремниевых наночастиц для биомедицинских применений методом комбинационного рассеяния света

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, опреде-
лены цель работы и личный вклад, дан анализ научной новизны полученных резуль- татов и их практической значимости, приведены положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации.
Первая глава является обзором литературы и посвящена изложению имею- щихся в научной литературе сведений о наночастицах кремния, их свойствах и при- менении в биомедицине. Приводится информация о структуре и морфологии наноча- стиц кремния: нанокристаллических nc-Si, пористых mPSi, нанонитей SiNWs, синте- зированных лазерной абляцией ABL Si. Рассматривается возможность применения КРС для исследования структуры и свойств наночастиц кремния. На основании при- ведённого обзора сформулированы задачи, необходимые для достижения поставлен- ной цели исследования.
Во второй главе рассмотрены методики, с помощью которых были получены исследуемые в диссертации наночастицы: нанокристаллический кремний nc-Si, по- лученный методом плазмохимического синтеза; мезопористый кремний mPSi – ме- тодом электрохимического травления; образцы SiNWs – методом металл- стимулированного химического травления (МСХТ) и НЧ ABL Si, синтезированные методом лазерной абляции. Пористый кремний и кремниевые нанонити были полу- чены автором лично. НЧ nc-Si, предоставленные коллегами из МИТХТ, были ис- пользованы для получения водных суспензий. НЧ ABL Si предоставлены коллегами из НИЯУ МИФИ в виде водных суспензий. Описываются методы характеризации полученных наночастиц и суспензий (просвечивающая электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света (λ = 514 нм, λ = 532 нм), микрора- мановская микроскопия (λ = 632,8 нм), оптическая экстинкционная спектроскопия, центрифугирование). Приведены методы исследования образцов и их морфология. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рис. 1а) показали, что образцы nc-Si состоят из практически сферических нанокристаллов кремния с размерами в диапазоне от 5 до 100–150 нм, причём в крупных нанокристал- лах наблюдались двойники и разориентированные кристаллиты. НЧ mPSi имеют ха- рактерные размеры – 10–50 нм, обладают пористой структурой и проявляют тенден- цию к агломерации (рис. 1б). SiNWs имеют поперечные размеры от 20 до 100 нм (рис. 1в). Лазерно-аблированные образцы включали в себя сферические частицы размером 50–100 нм, а также содержали высокую концентрацию более мелких ча- стиц (фрагментов) размером менее 10 нм (рис. 1г).
абвг Рисунок 1 – Фотографии ПЭМ исходных образцов nc-Si (a), mPSi (б), SiNWs (в) и ABL Si (г)
7
Глава 3 посвящена изучению методом комбинационного рассеяния света фи- зических свойств НЧ Si, важных для биомедицинских применений, таких как рас- творимость и нагрев в зависимости от их структуры, морфологии, размера и свойств окружающей среды.
Первым исследуемым свойством было свойство растворимости для НЧ Si раз- личной морфологии, структуры и размера. В работе исследуются четыре типа НЧ Si, свойства которых описаны в главе 2. В качестве референсного образца была исполь- зована нелегированная пластина кристаллического кремния c-Si.
Кремниевые нанонити. Исследования с образцами SiNWs проводились в двух средах – воде (H2O) и физиологическом растворе (0,9%-м водном растворе хлорида натрия NaCl). Спектры КРС представлены на рисунке 2. Для сравнения приводится линия КРС, измеренная для с-Si подложки. В спектре присутствует линия на 520,5 см−1 с шириной на половине высоты около 4 см−1, соответствующая рассеянию на опти- ческих фононах кристаллической решетки с-Si. Высокая интенсивность линии по сравнению с линией интенсивности, которую показывали монокристаллы с-Si, свидетельствовала о проникновении возбуждающего излучения в слой SiNWs с по- следующим многократным рассеянием.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
480 490
510 520 530
1,1
1,0
0,9
0,8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Время выдержки в воде (сутки)
Рисунок 3 – Зависимость интенсивности КРС для образцов SiNWs после выдержки вводе (красные квадраты) и физрастворе (синие кружки). Погрешность находится в пределах погрешности эксперимента
SiNWs
SiNWs 2 недели в H2O
SiNWs 2 недели в H2O:NaCl (0.9%) c-Si
Рамановский сдвиг (см-1)
Рисунок 2 – Спектры КРС SiNWs до (сплош- ная чёрная линия) и после хранения в воде (пунктирная красная линия) и физрастворе (пунктирная зелёная линия) в течение двух недель, а также (для сравнения) для с-Si под- ложки (тонкая сплошная чёрная линия)
Видно, что выдержка наночастиц SiNWs в воде и физиологическом растворе в течение двух недель не приводила к существенному изменению формы линии КРС, измеренной до выдержки в воде (см. рис. 2). Это указывает на неизменность размеров наночастиц SiNWs, т. е. на устойчивость нанонитей к растворению. Причиной этого является значительный размер их поперечного сечения, а также достаточно каче- ственное оксидное покрытие, возникающее на конечном этапе получения [10].
Анализ полученных результатов позволил установить зависимость интенсив- ности сигнала КРС образцов SiNWs от времени выдержки в воде и в физиологиче- ском растворе (рис. 3). Видно, что сигнал КРС слабо зависит от времени выдержки, что подтверждает вышеприведённый вывод о том, что SiNWs устойчивы к процес- сам растворения в течение как минимум 14 суток.
Мезопористый кремний. С образцами НЧ mPSi была проведена серия экспе- риментов, результаты которых сравнили с теоретическими расчётами КРС для mPSi
SiNWs + H2O
SiNMWs + H2O+0/9% NaCl
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность КРС (отн. ед.)

по формулам, приведённым в работе [14]. На рисунке 4 приведены: спектры КРС для НЧ mPSi до и после нахождения в деионизированной воде в режиме диализа. Теоретически рассчитанные линии получены в предположении, что КРС от иссле- дуемого образца состоит из вкладов всех фракций: INC –малых частиц Si с фонон- ным удержанием; IА – для аморфной фракции (a-Si); IС – для частиц более 10 нм без фононного удержания (c-Si-подобная фракция); ISum – суммарные доли всех фрак- ций. fNC, fA, fC – объёмная доля каждой фазы, соответственно.
Экспериментальные данные: mPSi
ImesoPSi
A*exp (-t/t ) 0
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность КРС (отн. ед.)
d =5 nm, fNC=22%, fA=73%, fC=5%
440 460 480 500
Рамановский сдвиг (см-1)
540
0,0
0 5 10 15 20 25
Время выдержки в воде (ч)
mPSi 1 день в H2О Рассчет:
INC, IA,
IC,
ISum
1,0
0,5
d =5 nm, fNC=52%, fA=39%, fC=8%
Рисунок 4 – Спектры КРС для образцов mPSi до
и после выдержки в воде в течение одного дня и
усредненная линия, соответствующая спектрам, (точки) и их аппроксимация экспоненциально используемым в [14] спадающей функцией с t0 = 14 ч
НЧ mPSi перед помещением в воду обладают асимметричной линией с максимумом на 518 см–1, ширина на половине высоты максимума примерно на 8– 9 см–1 и плечо в низкочастотной части спектра. Такая форма спектра КРС указывает на эффект удержания НЧ фонона в Si INC размером около 5 нм [15]. Рядом с линией INC спектр состоит из широкой полосы с максимумом 480 см–1, что характерно для аморфного кремния (a-Si) [16]. Действительно, определённая часть mPSi может быть аморфной a-Si за счёт процедуры механического шлифования в воде, которая использовалась для подготовки НЧ.
Сравнение экспериментально измеренных спектров КРС mPSi и теоретически рассчитанных линий показывает, что средний размер НЧ Si равен 5 нм. При диализе вдеионизированной воде происходит уменьшение доли кристаллической фазы, т. е. их растворение, а доля a-Si увеличивается.
Зависимость интенсивности КРС для образцов mPSi от времени выдержки представлена на рисунке 5. Видно, что за 12 часов происходит падение интенсивно- сти КРС для полосы 520 см–1 в 3,5 раза. При дальнейшем хранении в течение 24 ча- сов её интенсивность меняется незначительно. Однако в области частот аморфного кремния при длительном хранении происходит дополнительное уменьшение сигна- ла, что указывает на продолжение процессов растворения кремния. Исходя из экс- поненциальной аппроксимации временной зависимости интенсивности КРС нано- кристаллической фазы, можно оценить время жизни относительно крупных нано- кристаллов с размерами порядка 10 нм как 14 часов. Оценка скорости растворения дает значение порядка 1 нм/ч.
Рисунок 5 – Зависимость от времени интенсивно- сти КРС для образцов mPSi в режиме диализа

Нанокристаллический кремний. Исследовалась растворимость в воде НЧ nc-Si. Спектры полученных результатов КРС образцов nc-Si до выдержки в водном рас- творе в режиме диализа и после приведены на рисунке 6. После выдержки образцов в воде в течение 24 часов наблюдается дальнейшее снижение интенсивности КРС, а положение (520,5 см–1) и ширина линии ( 3 см–1) становятся схожими на таковые для нелегированных подложек c-Si (рис. 6). Это указывает на практически полное растворение нанокристаллов с размерами менее 10 нм, в то время как нанокристал- лы с большими размерами всё ещё сохраняются в течение 1 суток диализа.
Экспериментальные данные: nc-Si
nc-Si 12 часа в H2О
nc-Si 24 часа в H2О Рассчет:
INC, IA, IC, Isum
nc-Si A*exp(t/t0)
d =6 nm, fNC= 65%, fA=0.5%, fC =34.5%
d =3 nm, fNC= 75%, fA=8%, fC =17% d =2 nm, fNC= 2%, fA=85%, fC =13%
460 480 500 520
Рамановский сдвиг (см-1)
1,0
0,5
0,0
Рисунок 6 – Спектры КРС образцов nc-Si до (открытые круги) и после хранения в воде в течение 12 ч (звезды) и 24 ч (треугольники вверх). Спектры подтверждены уравнениями из работы [12] (толстые сплошные линии), а доли NC (INC), аморфной (IА) и кристаллической (IC) фаз Si нанесены тонкими сплошными и двумя пунктир- ными линиями соответственно. Кривые смещены в вер- тикальном направлении для лучшего представления
Рисунок 7 – Зависимость интенсивности КРС от времени выдержки в водной среде для образцов nc-Si в режиме диализа (точ- ки) и их аппроксимация экспоненциально спадающей функцией с t0 = 2 ч
Полученные результаты свидетельствуют о том, что, хотя растворение nc-Si происходит в несколько раз быстрее, чем mPSi, в результате остается определенная до- ля наночастиц кремния. Действительно, в спектрах ПЭМ исходных образцов nc-Si при- сутствуют нанокристаллы с размерами порядка 100 нм (рис. 1в), которые, по- видимому, не успевают заметно изменить свои размеры при однодневной выдержке в воде. Причиной быстрого растворения нанокристаллов с размерами порядка 10 нм могут являться дефекты кристаллической структуры, возникающие в процессе плазмо- химического формирования [10].
Наночастицы, полученные методом лазерной абляции. Было проведено иссле- дование растворимости НЧ ABL Si в водной среде в режиме диализа в зависимости от времени выдержки. На рисунке 8 приведены спектры КРС высушенных образцов ABL Si до и после выдержки в воде в режиме диализа. Спектр исходного образца имеет практически симметричную форму с максимумом на 519,5 см–1 и шириной 4 см–1. Отличие спектров для наночастиц в водной суспензии и в высушенном виде объясняется тем, что в последнем случае измеряется интегральный сигнал от всех нанокристаллов, включая самые крупные. В то же время для суспензии в воде более подвижные мелкие НЧ чаще взаимодействуют с лазерным излучением, а более круп- ные НЧ могут концентрироваться в нижней части кварцевой кюветы и не участвовать в КРС.
0 5 10 15 20
Время выдержки в воде (ч)
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность КРС (отн. ед.)

1,0
0,5
1,2
1,0
0,8
0,6
абл-Si контрольный образец абл-Si + 7 дней в диализе
480 500 520
Рамановский сдвиг (см-1)
0 2 24 144
Время выдержки в воде (сутки)
519.5 см-1
Рисунок 8 – Спектры КРС образцов ABL Si Рисунок 9 – Зависимость интенсивности КРС до и после выдержки в воде в режиме диализа для высушенных образцов ABL Si от времени
нахождения в воде в режиме диализа
Измеренные спектры КРС образцов после семи дней выдержки в режиме диа- лиза показывают падение интенсивности нанокристаллической полосы примерно в два раза. Это указывает на уменьшение средних размеров нанокристаллов с 10 до 8 нм. Оценка скорости растворения нанокристаллов дает значение 0,3 нм/сут.
Зависимости интенсивности КРС для образцов ABL Si от времени нахождения в воде в режиме диализа (рис. 9) дают также весьма низкие скорости растворения – порядка 0,1 нм/сут. Столь низкие скорости растворения можно объяснить более вы- сокой степенью кристалличности кремниевых НЧ, формируемых в процессе лазер- ной абляции.
ABL Si
518.8 см-1
518.8 см-1 4 см-1
7 см-1
Таблица 1 – Сравнительный анализ скорости растворения для SiNWs, mPSi, nc-Si и ABL Si
НЧ кремния
Размеры (исход- ные и полученные в результате рас- творения)
Время
Скорость растворения
No
2 3
SiNWs
mPSi nc-Si
ABL Si
20–100 нм
10–50 нм→8–10 нм 5–150 нм→10 нм
10 нм→8 нм
14 суток 24 часа 24 часа
24 часа
0 нм/сут
1 нм/ч 5 нм/ч 0,1–0,3 нм/сут
Анализ полученных данных по скорости растворения исследованных методом КРС образцов нанокристаллического кремния различных размеров и морфологии че- тырёх типов – SiNWs, mPSi, nc-Si, ABL Si – представлен в таблице 1. Полученные ре- зультаты позволяют дать рекомендации по их использованию в биомедицине (рис. 10).
Второй задачей, решение которой приведено в главе 3, является разработка методики определения температуры НЧ Si.
Задача по определению температуры нагрева НЧ Si крайне актуальна при раз- работке методик гипертермии для лечения рака с использованием НЧ Si [17–19]. Кремниевые НЧ действуют как нанонагреватели из-за значительного поглощения
Рисунок 10 – Перспективные области применения НЧ Si в биомедицине
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность КРС (отн. ед.)

света по сравнению с окружающей жидкой средой и биотканью при возбуждении в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах. В диссертационной работе впервые была использована методика для определения температуры НЧ Si при их фотоиндуцированном нагреве лазерным излучением по соотношению интенсивно- стей стоксовой и антистоксовой компонент КРС. Изменение температуры образцов достигалось изменением интенсивности возбуждающего лазерного излучения.
Полученные результаты для nc-Si приведены на рисунке 11 – в области стоксо- вого (рис. 11а) и антистоксового (рис. 11б) рассеяния. При увеличении уровня воз- буждения наблюдается сдвиг спектров в область меньших частот, что вызвано по- вышением температуры образца при фотоиндуцированном нагреве. Одновременно с повышением мощности возбуждения наблюдается изменение отношения между интенсивностями стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния.
4000 3000 2000 1000
Стокс
0.1 Вт (a) 0.05 Вт
0.02 Вт
1400 1200 1000
800 600 400 200
0.1 Вт 0.05 Вт 0.02 Вт
480 500
Антистокс
(б)
540 560
500 520 540
520
Рамановский сдвиг (см-1)
Рамановский сдвиг (см-1)
Рисунок 11 – Спектры КРС образцов nc-Si в области стоксового (а) и антистоксового (б) рассеяния при возбуждении с ex = 514,5 нм
Из отношения интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент можно оценить температуры НЧ nc-Si в области возбуждения [20, A11]:
Рамановский сдвиг (см-1)
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность (отн.ед.)
Рисунок 12 – Зависимость температуры образца nc-Si от отношения IS/IA при ex=514,5 нм. Точ- ками обозначены экспериментальные значения.
Рисунок 13 – Сдвиг линии КРС образца nc-Si в зависимости от его температуры при ex = 514,5 нм
I 3S, 
S  I AS  S  I
IA ISASI,AS kT
где ωI, ωS, ωAS – частоты возбуждающих фотонов стоксовой и антистоксовой фо- нонных компонент соответственно; αI, αS, αAS – коэффициенты поглощения на часто- тах ωI, ωS, ωAS соответственно; S(ωI,ωS) и S(ωI,ωAS) – соответствующие сечения
КРС; ħω – энергия оптического фонона; ħ=1,05⋅10−34 (Дж·с) – постоянная Планка; k = 1,38⋅10−23 Дж/К – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.
521 520 519 518 517 516 515
300 350
Экспериментальные данные Линейная зависимость
S exp , (1)
400 450
500 550 600 650
Температура (K)

Рассчитанные по экспериментальным данным спектров КРС значения темпе- ратуры (с учётом погрешностей эксперимента) для образцов nc-Si с размерами НЧ 20–100 нм (точки) и данные, рассчитанные по формуле (1), графически представле- ны на рисунке 12. Видно, что погрешность эксперимента максимальна в области ма- лых значений температур, что соответствует очень слабому фотоиндуцированному нагреву nc-Si, при этом погрешность уменьшается при повышении температуры. Это связано с ростом абсолютных интенсивностей сигналов КРС и уменьшением погрешности измерения отношения IS/IA. Отметим, что при увеличении времени накопления сигнала погрешность измерения последней величины можно уменьшить до 1 %, что даёт точность определения температуры порядка 10–15 % в температур- ном интервале 310–320 К.
Как следует из данных эксперимента (см. рис. 11), с ростом мощности воз- буждения наряду с уменьшением отношения IS/IAS происходит сдвиг линии КРС в область меньших значений частоты, что хорошо согласуется с литературными данными для кристаллического и нанокристаллического кремния [21, 22]. При этом сдвиг КРС уменьшается практически линейно с ростом мощности возбуждающего излучения (см. рис. 13), что делает данную зависимость удобной для нахождения температуры при фотовозбуждении кремния и наноструктур на его основе. Допол- нительным удобством использования зависимости положения линии от интенсивно- сти возбуждения по сравнению с измерением отношения IS/IAS является то, что мож- но ограничиться измерениями только стоксовой компоненты КРС. Это делает дан- ный метод более удобным для применения в широком классе спектрометров КРС, включая микрорамановские спектрометры.
Развитая выше методика определения температуры была применена для ана- лиза фотоиндуцированного разогрева НЧ mPSi с использованием микрорамановско- го спектрометра / микроскопа Confotec MR-350. Зависимость, представленная на рисунке 13, была выбрана как калибровочная для эксперимента с пленками mPSi.
Спектры КРС пленок mPSi при различных интенсивностях возбуждения изме- рены в стоксовой области (рис. 14). Зависимость сдвига стоксовой компоненты ли- нии КРС от температуры при фотовозбуждении образца пленок mPSi представлена на рисунке 15 (зелёные ромбы). На рисунке 15 представлены также результаты для стоксовой и антистоксовой компонент образца nc-Si (чёрные квадраты) и ап- проксимирующая прямая (синяя линия). Эта линия изображена сплошной в области измеряемых температур и пунктирной вне измеряемых областей температур.
Полученные экспериментальные данные для наночастиц nc-Si и mPSi под- тверждают теоретическую модель, развитую в [21] (красная линия на рис. 15). Из- мерения отношения интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент позво- ляют определять температуру с минимальной погрешностью в диапазоне, превы- шающем 350–400 К. Отметим, что абсолютные положения частот пиков КРС для nc-Si и mPSi меньше на 0,5–0,7 см–1 аналогичных значений для образца c-Si, известных из литературы.
5000 4000 3000 2000 1000
34 мВт 12 мВт 5 мВт
522 520 518 516 514 512 510 508 506
nс-Si c-Si mP-Si
600 700
460
520
560
400
Рамановский сдвиг (см-1)
Температура (K)
Рисунок 14 – Спектры стоксовой компо- Рисунок 15 – Зависимость положения пика КРС ненты КРС образцов mPSi при возбуж- от температуры при фотовозбуждении образцов дении с ex = 632,8 нм nc-Si (чёрные квадраты) и mPSi (зелёные ромбы)
и аппроксимирующая их прямая (пунктирная ли- ния). Красные квадраты и аппроксимирующая их линия соответствует с-Si [21]
Данную методику можно признать универсальной и применять для определе- ния температуры нагрева НЧ кремния. Погрешность – 1 см-1 ~ 10–20 K (табл. 2).
Полученную методику применили для определения температуры суспензий НЧ nc-Si и жидкости (ацетона) в присутствии НЧ nc-Si при непрерывном и импуль- сном лазерном возбуждении.
Полученные результаты спектров КРС суспензии nc-Si в ацетоне в стоксовой и антистоксовой областях при непрерывном режиме лазерного излучения приведены на рисунке 16. Спектры КРС ацетона в стоксовой и антистоксовой областях при им- пульсном лазерном излучении – на рисунке 17. Пики спектров состоят из линий nc- Si (520 см–1) и ацетона (788 см–1) в стоксовой и антистоксовой областях. Отношения стоксовой и антистоксовой компонент (IS/IA) спектра КРС составляют примерно 11 и 26 для nc-Si и ацетона соответственно.
Стокс
6000 Антистокс
5000 4000 3000 2000 1000
-900 -800 -700 -600 -500
70 мВт 40 мВт 20 мВт
-780 -720
x5
Интенсивность (отн. ед.)
Интенсивность (отн.ед.)
Интенсивность (отн. ед.)
Рамановский сдвиг (см-1)
Рамановский сдвиг (см-1)
Рисунок 16 – Спектр КРС суспензии nc-Si в ацетоне в области стоксового и антистоксово- го рассеяния при возбуждении непрерывным лазерным излучением с ex = 532 нм
Рамановский сдвиг (см-1)
500 600 700 800 900
-840
720 780 840
Была исследована жидкость (ацетон) в присутствии НЧ nc-Si методом комби- национного рассеяния света. Полученные результаты представлены на рисунке 18. Спектры КРС кремниевых НЧ nc-Si в ацетоне измеряли при значениях мощности импульсного лазерного излучения 70, 40, 20 мВ (при мощности 70 мВ – красная ли- ния, 40 мВ – синяя линия, 20 мВ – чёрная линия на рис. 18).
Рисунок 17 – Спектры КРС ацетона в области стоксового и антистоксового рассеяния при различных мощностях возбуждения импульс- ным лазерным излучением с ex = 532 нм

Для комнатной температуры T = 300 К, kT  26 мэВ. Следовательно, для крем- ния соотношение интенсивностей из формулы (1) даёт: IS IA  Aexp2,512 .
Из полученных соотношений IS/IA с учётом значений коэффициента A были рассчи- таны значения температуры для НЧ nc-Si и чистого ацетона в зоне фотоиндуциро- ванного нагрева (табл. 2), размер пятна ̴ 2 мм.
Таблица 2 – Температуры образцов, рассчитанные по данным КРС для различных интенсивностей возбуждения
70 мВт 40 мВт 20 мВт
nc-Si Ацетон
500 600 700 800
Мощность лазерного излучения, мВт
Температура ацетона без НЧ nc- Si, К
Температура ацетона в суспензии НЧ nc-Si, К
Температура НЧ nc-Si, К
70 330 ± 30 40 325 ± 10 20 300 ± 15
370 ± 30 329 ± 10 300 ± 20
380 ± 30 330 ± 10 300 ± 20
x5
Ацетон
nc-Si
-800 -700
-600 -500
Рамановский сдвиг (см-1)
Рисунок 18 – Спектры КРС НЧ nc-Si в ацетоне в области стоксового и антистоксового рассеяния при воз- буждении импульсным лазерным излучением с  = 532 нм при различ- ных мощностях
При мощности лазерного излучения от 40 мВт и выше наблюдалось локальное закипание чистого ацетона, что свидетельствует о его нагревании выше точки кипения (329 К согласно табличным данным). Данный вывод подтверждался визуальным наблюдением локального закипания ацетона в зоне воздействия лазерным излучением.
Установлено, что компоненты суспензии нагреваются приблизительно в равной степени. Однако при максимальной интенсивности фотовозбуждения в суспензии НЧ nc-Si наблюдался существенный разогрев жидкости, приводящий к её локальному за- кипанию. Значение температуры ацетона в присутствии nc-Si при фотовозбуждении составила 370 ± 30 К, что указывает на заметный перегрев вследствие передачи тепла от НЧ nc-Si ацетону. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях НЧ nc-Si для применения в качестве нанонагревателей в фототермиче- ской терапии онкологических заболеваний.
Результаты третьей главы опубликованы в работах [А1, А2, А7, А11] из спис- ка публикаций.
В главе 4 было проведено исследование наночастиц кремния как эффектив- ных сенсибилизаторов для биомедицинских применений. С целью моделирования условий биологической среды впервые была изучена стабильность и раствори- мость НЧ в зависимости от кислотности среды (показателя среды pH) и установле- но её время, измерены температуры водных суспензий НЧ ABL Si при различных (непрерывном – CW и импульсно-периодическом – QCW) режимах лазерного излу- чения. Проверена жизнеспособность биологической модели – одноклеточных орга- низмов Paramecium caudatum в изучаемых средах.
Время растворения разбавленных растворов ABL Si в средах с различным пока- зателем рН исследовали методом оптической экстинкционной спектроскопии с ис-
Интенсивность (отн. ед.)

пользованием УФ-Вид спектрометра “Cary 60”. Результаты приведены на рисунке 19. На рисунке 19а приведена зависимость экстинкции ABL Si с размерами 20–30 нм от времени хранения в водных средах с различными показателями рН. На рисунке 19б показаны спектры экстинкции приготовленной водной суспензии ABL Si с концентрацией 0,1 г/л и из того же образца после 10 дней хранения в водном растворе с показателем рН = 7. Видно, что интенсивность пика экстинкции после выдержки в водной суспензии ABL Si в растворе с рН = 7 в течение 10 дней сни- зилась в 10 раз, что свидетельствует о процессе растворения ABL Si.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
(а)
0,0
pH 5 1 pH 7
pH 8
0,1
0,01
300 400 500 600 700 800
Длина волны (нм )
1 10 100
Время (ч.)
Рисунок 19 – а) Зависимости экстинкции НЧ ABL Si с размерами 20–30 нм от времени хранения в водных средах с различными по- казателями рН (красная кривая с точкой со- ответствует рН 5, зелёная кривая с треуголь- ником – рН 7, сиреневая кривая с треуголь- ником – рН 8), отмеченные вблизи соответ- ствующих кривых; б) Спектры экстинкции приготовленной водной суспензии ABL Si с концентрацией 0,1 г/л (чёрная кривая) и из того же образца после 10 дней хранения в водном растворе с показателем рН7 (крас- ная кривая)
Рисунок 20 – Макет экспериментальной уста- новки для изучения влияния лазерного излуче- ния на биологический объект (одноклеточный организм Paramecium caudatum) в присутствии кремниевых наночастиц
240h
(б) 0.5h
Видно, что время растворения НЧ зависело от показателя кислотности рН, причём большее время наблюдалось для растворов с более высоким показателем рН, в то время как характерные времена растворения для всех образцов находи- лись в диапазоне нескольких дней. Следует отметить, что время растворения бы- ло значительно больше прогнозируемого времени воздействия лазерным излуче- нием (десятки минут) и больше типичного времени накопления PSi in vivo. Такое время растворения выглядит благоприятным для применения НЧ ABL Si в биоимаджинге и терапии.
С целью измерения температуры водных суспензий ABL Si при различных ре- жимах лазерного излучения и для изучения влияния изменения температурного ре- жима на выживаемость биологического объекта в присутствии кремниевых наноча- стиц была разработана экспериментальная установка, макет которой приведён на рисунке 20 (размер кюветы 1 см2).
Измерение температуры проводили как в кюветах, содержащих только инфузо- рии Paramecium caudatum, так и содержащих одноклеточный организм в присутствии
Поглощение (отн. ед.)
Экстинкция

НЧ ABL Si. Использовались лазерное излучение при непрерывном (рис. 21а) и им- пульсно-периодическом (рис. 21б) режимах. Видно, что повышение температуры водной суспензии, содержащей инфузории в присутствии НЧ ABL Si, заметно выше по сравнению с суспензиями, содержащими инфузории без присутствия НЧ ABL Si. Вставка на рисунке 21б более детально показывает участок температурной зависимо- сти в интервале 0,2–0,24 с.
Импульсно-периодический режим
a
012345
Время (мин.)
б
Рисунок 21 – а) Изменение температуры для водных суспензий, содержащих инфузории (чёрная кривая), и водных суспензий с инфузориями в присутствии НЧ ABL Si (синяя кривая) при не- прерывном режиме лазерного облучения; б) Изменение температуры для водных суспензий инфузорий (чёрная кривая) и водных суспензий с инфузориями в присутствии НЧ ABL Si (красная кривая) при импульсно-периодическом режиме лазерного излучения QCW (длитель- ность импульса t = 0,3 с, период T = 1 с). Вставка на панели (б) более детально показывает части этих переходных процессов во временном интервале 0,20–0,24 с
В то же время следует отметить, что средний рост температуры для режимов облучения CW и QCW был аналогичен. Этот факт указывает на то, что НЧ ABL Si эффективно локально поглощали лазерное излучение ближнего инфракрасного диапазона. Прямое измерение поглощённой мощности выявило коэффициент экстинкции около k = 0,21 см–1 для суспензии 0,4 мг/мл ABL Si. Следует отметить, что максимальная температура, достигаемая на пике лазерного импульса в импульсно-периодическом режиме QCW, значительно превышала свою среднюю температуру (вставка на рис. 21б).
С целью оценки эффективности локальной фотогипертермии с использованием НЧ ABL Si в качестве сенсибилизаторов была проведена серия исследований по вы- живаемости одноклеточных организмов. Приготовили три кюветы, в каждой из кото- рых находилась суспензия с 10 особями одноклеточных организмов, в кюветы доба- вили суспензию ABL Si. Далее суспензии во второй и третьей кюветах подвергали воздействию лазерным излучением в режимах CW и QCW и проверяли выживае- мость биологических объектов. Время воздействия лазерным излучением – 3 минуты. Длина волны – 808 нм, средняя мощность – 3 Вт, начальная температура – 22,5 С. Выживаемость клеток определяли количественно с помощью оптического микроско- па через 60, 90 и 120 минут соответственно.
28
24
23.0
22.5
0.20 0.21 0.22 0.23 0.24
Клетки
Клетки + ABL Si
Температура (oC)

120 100 80 60 40 20 0
100 m
аб
100 m
100 m
ABL Si
ABL Si + CW ABL Si + QCW
0 20 40 60 80 100 120
Время (мин.)
Рисунок 22 – Относительное количество жи- вых одноклеточных организмов Paramecium caudatum в зависимости от времени после введения ABL Si (чёрные квадраты) с после- дующим облучением в непрерывном CW (красные круги) и импульсно-периодическом QCW (синие треугольники) режимах ( = 808 нм, средняя мощность – 3 Вт)
в
Рисунок 23 – Цифровые изображения однокле- точных организмов Paramecium caudatum в вод- ной суспензии ABL Si: а – до воздействия ла- зерным лучом; б – через 1 мин. после лазерно- го облучения; в – через 3 мин. после лазерно- го облучения. Стрелки на рисунке в указывают на пузырьки вблизи перфорированной мем-
браны
На рисунке 22 приведена зависимость относительного количества живых од- ноклеточных организмов после введения ABL Si от времени (чёрные квадраты). После облучения в режиме CW (красные круги) и после облучения в режиме QCW (синие треугольники). Цифровые изображения представлены на рисунке 23.
Было установлено, что синтезированные лазером НЧ ABL Si могут быть эф- фективными сенсибилизаторами фотогипертермии при лазерном облучении клеток в инфракрасной области спектра. Импульсно-периодический режим оказался более эффективным в элиминации клеток, достигающей 100 % при 60-минутном облуче- нии при средней мощности 3 Вт. Результаты могут быть использованы при разра- ботке методов фотогипертермии с использованием наночастиц кремния для биоме- дицинских применений.
Были проведены эксперименты по
не было выявлено изменений токсического или дистрофи- ческого характера в эпидермисе. На морфологическом и биохимическом уровнях обнаружены процессы активации метаболизма кератиноцитов при воздействии на-
ночастиц золота.
изучению особенностей структурных изме-
нений в эпидермисе и дерме кожи крыс при аппликационном воздействии на её не- повреждённую поверхность суспензиями наночастиц кремния и золота (для сравне- ния), определён уровень свободнорадикального окисления липидов и каталазную
активность в гомогенатах кожи.
М
орфологические исследования показали, что
нанесение растворов наночастиц золота и кремния на неповреждённую поверхность кожи крыс приводит к ряду характерных изменений в структуре всех слоёв эпидер-
миса и дермы, при этом
Количество живых клеток (%)

Результаты четвёртой главы опубликованы в работах [A3–A5, A8, A10] из списка публикаций.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
1. Установлено, что скорость растворения (биодеградации) наночастиц кремния различной морфологии в нейтральной водной среде существенно зависит от размера наночастиц и наличия на их поверхности структурных дефектов и ок- сидных плёнок и составляет для ABL Si (10 нм) – 0,1–0,3 нм/сут, mPSi (50 нм) – 1 нм/ч, ncSi (150 нм) – 5 нм/ч. SiNWs (размер в поперечном сечении – 100 нм, длина – 10 мкм) в течение двух недель не показали растворимость (0 нм/сут), вне зависимости от окружающей среды (вода и физиологический раствор), что связано с наличием оксидного слоя на поверхности наночастиц.
2. Для определения температуры наночастиц кремния при фотоиндуцированном нагреве лазерным излучением в водных суспензиях по соотношению интен- сивностей стоксовой и антистоксовой компонент КРС впервые была исполь- зована методика, позволившая экспериментально определить температуру нагрева наночастиц нанокристаллического кремния (nc-Si) и мезопористого кремния (mPSi) в зависимости от интенсивности лазерного излучения.
3. Установлено, что при фотоиндуцированном нагреве суспензий нанокристал- лического кремния nc-Si в жидкости (ацетоне) наблюдается нагрев обоих со- ставляющих – наночастиц кремния и ацетона, при котором присутствие нано- частиц кремния приводит к существенному перегреву ацетона, приводящему к его локальному закипанию.
4. Установлено, что время растворения наночастиц лазерно-аблированного кремния (ABL Si) зависит от кислотности среды. В кислых средах (pH < 7) время растворения максимально. В щелочной среде (pH > 7), в разбавленных коллоидах характерное время растворения НЧ ABL Si составляет 2 часа.
5. Показано, что наночастицы лазерно-аблированного кремния (ABL Si) являют- ся сенсибилизаторами фотогипертермии при облучении клеток (Paramecium caudatum) в области максимальной прозрачности биотканей (808 нм). Уста- новлено, что оптимальным является импульсно-периодический режим лазер- ного излучения, который обеспечивает элиминацию клеток, достигающей 100 % при 60-минутном облучении при средней мощности 3 Вт (in vitro).
6.Установлено, что наночастицы мезопористого кремния (mPSi) и лазерно- аблированного золота (ABL Au) обладают свойствами эффективной биосов- местимости (отсутствием токсичности и деструктивных изменений).