Биополимерные покрытия изменяют световые свойства золотых наночастиц

Российские ученые показали, как влияет биополимерное покрытие на оптические свойства золотых наночастиц, применяемых для лечения и диагностики раковых опухолей. В качестве покрытия использовали полимер дофамина, имеющий практическое применение в различных отраслях науки и техники. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в Applied Materials Today. С конца XX века ученые разрабатывают технологии лечения опухолей с помощью наночастиц и лазерного облучения. Перспективным подходом стало объединение свойств благородных металлов, таких как золото, и оболочек из природных материалов. В качестве последних с недавнего времени применяют полидопамин — черный биополимер, образующийся в результате полимеризации дофамина. По сравнению с другими соединениями, используемыми в качестве пленок, полидопамин проще синтезировать, он не токсичен и эффективно связывает разные молекулы. Последнее особенно полезно при работе со светящимися метками и лекарственными препаратами. Применение полидопаминовых пленок имеет ключевое значение не только в медицине, но и в электронике при создании дисплеев и сенсоров. Несмотря на практическую значимость и потенциально широкое использование полидопамина, его свойства остаются не полностью изученными. Так, например, еще не проводили исследования плазмонного резонанса металлических наночастиц, покрытых черной полидопаминовой оболочкой. Способностью проводить электрический ток и своим специфическим блеском металлы обязаны свободным электронам, на которые при освещении начинает воздействовать переменное электрическое поле. Они подстраиваются под его частоту и отражают световую волну — поэтому мы видим блеск. Такие коллективные колебания свободных электронов в наночастицах благородных металлов называют плазмонными. Плазмонный резонанс резко усиливает поглощение и рассеяние света наночастицами и позволяет идентифицировать даже мельчайшие объекты в световом микроскопе. Покрытие металлов веществами, не проводящими электрический ток, например кремнеземом или различными биополимерами, приводит к увеличению общего рассеяния света за счет оболочки. Обычно это сопровождается смещением пика плазмонного резонанса в красную (длинноволновую) область спектра. Однако, в отличие от часто используемых материалов оболочек, полидопамин не рассеивает, а поглощает свет в видимой части спектра — это объясняет его черную окраску. Исследование того, как влияет наличие поглощающей полидопаминовой оболочки на спектры излучения золотых наночастиц, проводили российские физики из Лаборатории нанобиотехнологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН. Они занимают ведущее положение в стране по синтезу золотых наночастиц с заданными геометрическими и функциональными свойствами. Так как форма и размер влияют на взаимодействие частиц со светом, для сравнения выбрали наносферы и наностержни, причем последние двух видов — короткие и длинные. В качестве оболочек использовали кремнезем и полидопамин. Облучение сферических наночастиц, покрытых кремнеземом, привело к ожидаемым результатам: амплитуда пика плазмонного резонанса увеличилась, а сам он сместился в красную часть спектра. Наиболее очевидны эти изменения для толстой (порядка 10 нм) оболочки. Наносферы с полидопамином на поверхности показали аналогичные результаты. Для наностержней существует два типа резонансов — продольный и поперечный, так как стержни имеют диаметр и длину. При облучении наностержней с кремнеземной оболочкой как продольный, так и поперечный плазмонные резонансы изменяются одинаково: пик рассеяния смещается в красную область, а амплитуда увеличивается на 10%. Похожее поведение наблюдалось и для слабого поперечного резонанса золотых наностержней, покрытых полидопамином. Однако в этом случае было обнаружено неожиданное свойство: амплитуда продольного резонанса заметно уменьшилась с увеличением толщины оболочки. "Мы впервые экспериментально наблюдали уменьшение полного ослабления наночастиц после образования оболочки из светопоглощающего материала, причем такой эффект сильнее выражен для длинных наностержней. Обычно предполагается, что покрытие полимерным материалом увеличивает общее ослабление за счет дополнительного рассеяния или поглощения света оболочкой. Однако наш эксперимент показал, что для продольного резонанса золотых стержней с поглощающей оболочкой из полидопамина наблюдается обратный эффект. Важно, что компьютерное моделирование полностью подтвердило обнаруженный необычный эффект для таких двухслойных стержней с поглощающим покрытием", — отметил руководитель проекта Николай Хлебцов, доктор физико-математических наук, профессор Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.