Ученые разработали экологичный способ синтеза композитных наночастиц на основе золота (Au) и дисульфида молибдена (MoS2) методом фемтосекундной лазерной абляции в жидкости. Результаты исследования прокладывают путь для развития перспективных приложений наноматериалов в области тераностики. Исследование опубликовано в журнале Nanomaterials.
Композитные наночастицы — это наноматериалы, состоящие из двух или более компонент. Их свойства определяются химической и физической природой составляющих их структур. Они находят широкое применение, начиная от электроники и катализа до медицины. Перспективы медицинских применений таких частиц связаны с их нагревом под действием ИК-излучения, прозрачного для биологических тканей и живых организмов. Создание композитных наночастиц с настраиваемыми оптическими свойствами является одной из актуальных задач. Исследователи предложили новый подход к синтезу нанокомпозитов MoS2-Au с использованием фемтосекундной лазерной абляции в жидкости для достижения настраиваемых оптических свойств в ближней инфракрасной области.
«Экологичность синтеза наночастиц методом лазерной абляции в жидкости подразумевает достаточно много аспектов: во-первых, мы не используем для создания композитов химических реагентов, так как синтез происходит в воде. Во-вторых, нам не нужно утилизировать продукты реакций, поскольку мы воздействуем лазером на твердую мишень нужного материала, «отщепляя» от него наночастицы. В-третьих, полученные наночастицы получаются безлигандными, то есть отсутствие химического прекурсора способствует чистоте их поверхности», — объяснил Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Раствор наночастиц синтезировался методом фемтосекундной лазерной абляции в жидкости. Лазерная абляция — это метод воздействия на материал с помощью высокоэнергетического лазерного излучения. Под воздействием лазерного излучения твердое тело образца становится плазмой, которая попадает в жидкость. Внутри плазмы образуются пузырьки, внутри которых плазма конденсируется в наночастицы. Фемтосекундные лазерные импульсы инициируют быстрый и прицельный нагрев материала, что ускоряет образование частиц и делает процесс синтеза более эффективным. С помощью многоэтапного процесса лазерной абляции исследователи создали наночастицы с различными структурами.
«С помощью лазерной абляции мы можем конструировать множество протоколов синтеза, меняя местами этапы абляции (аблируя одни материалы в растворе других, а также фрагментируя, разбивая смеси полученных наночастиц, чтобы сделать из них композитные наночастицы). Мы можем также инициировать разложение реагентов, традиционно используемых для химического синтеза наночастиц, при помощи лазерного воздействия. Например, мы можем добавлять в традиционный процесс абляции AgNO3 и восстанавливать его до сателлитов серебра, лежащих на поверхности частиц», — рассказал Илья Завидовский, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Рисунок 1. Схематическое изображение одно-, двух- и трехэтапных процессов, а также смешивания растворов для синтеза чистых и гибридных наночастиц MoS2/Au. Источник Nanomaterials.
Используя одно-, двух- и трехэтапные методики синтеза, ученые получили композитные наночастицы с уникальной архитектурой «ядро–оболочка» и «ядро–оболочка–сателлит», сочетающие в себе фазы MoS2/MoSxOy, MoSxOy/Au и MoS2/MoSxOy/Au. Физики исследовали свойства полученных наночастиц методами спектроскопии комбинационного рассеяния, просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, спектроскопии оптического поглощения. Оптическая спектроскопия растворов наночастиц показала значительные изменения в оптическом отклике частиц в зависимости от их структуры. Гибридные наночастицы продемонстрировали улучшенные фототермические свойства при воздействии лазерного излучения в ближнем ИК диапазоне. Такие частицы обладают потенциальными преимуществами для селективной фототермической терапии.
Рисунок 2. Высокоугловые темнопольные изображения (верхние левые панели) и карты элементного состава наночастиц «MoS2» (a), «MoS2 в Au» (b) и «Au в MoS2» (c), полученные методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Масштабная линейка: 20 нм.
«Мы установили, что в ходе абляции MoS2 на нем возникает оболочка оксида MoO3 или сульфоксида MoSxOy. Оказалось, что оксид молибдена имеет пик поглощения в области, близкой к окну биологической прозрачности тканей, что сподвигло нас на дальнейшие исследования фотонагрева ИК-лазером с длиной волны 830 нм», — поделился Илья Мартынов, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Можно сказать, что разработанные наночастицы прокладывают путь для персонализированных терапевтических приложений и являются перспективными кандидатами для приложений нанофотоники и в области лечения рака. Метод фемтосекундной лазерной абляции не только облегчает экологически чистый синтез гибридов на основе Au/MoS2, но и позволяет точно настраивать оптические свойства этих наночастиц.
В работе участвовали ученые из МФТИ, Института инженерной физики для биомедицины (МИФИ), Центра исследований новых технологий (XPANCEO, ОАЭ), Университета Экс-Марсель (Франция), СПбАУ РАН, СПбГУ, Сколтеха. Исследование было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2024-560).
