Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Нанооболочка, или, точнее, плазмон нанооболочки, представляет собой тип сферической наночастицы, состоящей из диэлектрического ядра, покрытого тонкой металлической оболочкой (обычно золотом). Эти нанооболочки вовлекают квазичастицу, называемую плазмоном, которая является коллективным возбуждением или квантовой плазменной осцилляцией, при которой электроны одновременно колеблются относительно всех ионов. Одновременная осцилляция может быть названа гибридизацией плазмонов, при этом настраиваемость осцилляции связана со смешением внутренней и внешней оболочек, которые гибридизуются, образуя состояния с более низкой или более высокой энергией. Состояние с более низкой энергией сильно взаимодействует с падающим светом, в то время как состояние с более высокой энергией является антисвязывающим и слабо взаимодействует с падающим светом. Взаимодействие гибридизации сильнее для более тонких слоев оболочки, следовательно, толщина оболочки и общий радиус частицы определяют, с какой длиной волны света происходит взаимодействие. Нанооболочки могут быть изменены в широком диапазоне светового спектра, охватывающем видимую и ближнюю инфракрасную области. Взаимодействие света и наночастиц влияет на распределение зарядов, что, в свою очередь, влияет на силу взаимодействия. Падающий свет, поляризованный параллельно подложке, создает s-поляризацию (рисунок 1b), в результате чего заряды находятся дальше от поверхности подложки, что приводит к более сильному взаимодействию между оболочкой и ядром. В противном случае формируется p-поляризация, которая вызывает более значительный сдвиг энергии плазмона, приводя к более слабому взаимодействию и связи.
A nanoshell, or rather a nanoshell plasmon, is a type of spherical nanoparticle consisting of a dielectric core which is covered by a thin metallic shell (usually gold). These nanoshells involve a quasiparticle called a plasmon which is a collective excitation or quantum plasma oscillation where the electrons simultaneously oscillate with respect to all the ions. The simultaneous oscillation can be called plasmon hybridization where the tunability of the oscillation is associated with mixture of the inner and outer shell where they hybridize to give a lower energy or higher energy. This lower energy couples strongly to incident light, whereas the higher energy is an anti bonding and weakly combines to incident light. The hybridization interaction is stronger for thinner shell layers, hence, the thickness of the shell and overall particle radius determines which wavelength of light it couples with. Nanoshells can be varied across a broad range of the light spectrum that spans the visible and near infrared regions. The interaction of light and nanoparticles affects the placement of charges which affects the coupling strength. Incident light polarized parallel to the substrate gives a s polarization (Figure 1b), hence the charges are further from the substrate surface which gives a stronger interaction between the shell and core. Otherwise, a p polarization is formed which gives a more strongly shifted plasmon energy causing a weaker interaction and coupling.
Открытие
Открытие нанооболочки было сделано профессором Наоми Халас и ее командой в Университете Райса в 2003 году. Когда она и ее команда обнаружили нанооболочки, они изначально не были уверены в их потенциале. "Мы сказали: "Интересно, для чего это может быть полезно?" – рассказала Халас CNN. После многочисленных предложений, терапия рака выделилась благодаря постоянному сотрудничеству с биоинженерами, искавшими различные виды биомедицинских применений. "Одно из наших видений, – заявила Халас, – это диагностика и лечение рака за одно посещение". В 2003 году Халас была удостоена награды "Лучшее открытие 2003 года" от Nanotechnology Now. Первый этап синтеза нанооболочек в данном методе – создание устройства, в котором будет проходить реакция. Микрофлюидные структуры устройств были изготовлены на кремниевых пластинах стандартной фотолитографией с использованием негативного фоторезиста SU 8 2050. Затем устройства были отлиты в полидиметилсилоксане (PDMS) с использованием метода мягкой литографии. (40) Кратко: PDMS отливали на матрицы SU 8 при 70 °C в течение 4 часов, отделяли, разрезали и очищали. Входные и выходные отверстия (1/16 дюйма нар. диам.) были пробиты в устройстве. Микроканалы необратимо соединяли со стеклянной подложкой, предварительно покрытой тонким слоем PDMS, после кратковременной 35-секундной обработки плазмой. Микроканалы имеют прямоугольное поперечное сечение, ширину 300 мкм, глубину 155 мкм и длину 0,45 м. Золотые нанооболочки используются в терапии рака и для улучшения биовизуализации. Тераностические зонды – наночастицы, обладающие участками связывания на оболочке, позволяющими им присоединяться к целевому месту (обычно раковым клеткам), – могут быть визуализированы с помощью мультимодальной визуализации (стратегии, использующей рентгеновское и радионуклидное сканирование) и ближней инфракрасной флуоресценции. Использование золотых наночастиц обусловлено их выраженными оптическими свойствами, которые контролируются их размером, геометрией и поверхностными плазмонами. Золотые наночастицы (например, AuNPs) обладают биосовместимостью и гибкостью в отношении присоединения различных молекул и основных материалов к их оболочке (практически все, что обычно присоединяется к золоту, может быть присоединено к золотой нанооболочке, что может быть использовано для выявления и лечения рака). Лечение рака возможно благодаря рассеянию и поглощению, происходящим в плазмонике. При рассеянии золотые наночастицы становятся видимыми для методов визуализации, настроенных на соответствующую длину волны, зависящую от размера и геометрии частиц. При поглощении происходит фототермальная абляция, которая нагревает наночастицы и их непосредственное окружение до температур, способных уничтожать раковые клетки. Это достигается с минимальным повреждением здоровых клеток благодаря использованию "водного окна" (спектрального диапазона между 800 и 1300 нм). Этот процесс эффективен, поскольку опухоли примерно на ¾ состоят из макрофагов, и после попадания моноцитов в опухоль они дифференцируются в макрофаги, которым также необходимо поддерживать наночастицы-носители. Как только нанооболочки достигают некротического центра, для уничтожения ассоциированных с опухолью макрофагов используется освещение в ближней инфракрасной области. Кроме того, эти наночастицы могут высвобождать антисмысловые олигонуклеотиды ДНК при фотоактивации. Эти олигонуклеотиды используются в сочетании с фототермальной абляцией для проведения генной терапии. Это достигается путем доставки комплексов наночастиц внутрь клеток, после чего происходит светоиндуцированное высвобождение ДНК с их поверхности. Это позволяет осуществлять внутреннюю манипуляцию клетками и контролировать возвращение группы клеток к равновесию. Другой пример применения плазмоники нанооболочек в лечении рака – помещение лекарственных препаратов внутрь наночастицы и использование ее в качестве носителя для доставки токсичных лекарств непосредственно в раковые участки. Это достигается путем покрытия внешней стороны наночастицы оксидом железа (что обеспечивает легкое отслеживание с помощью МРТ), а затем, после покрытия области опухоли наночастицами, наполненными лекарством, наночастицы активируются с помощью резонансных световых волн для высвобождения лекарства.
The discovery of the nanoshell was made by Professor Naomi J. Halas and her team at Rice University in 2003. When she and her team discovered nanoshells, they weren't initially sure what potential such nanoshells held. "We said, 'Gee, what could it be good for?'" Halas told CNN. After many suggestions, cancer therapy came out of ongoing collaborations with bioengineers looking for different types of biomedical applications. "One of our visions", Halas stated, "no less than single visit diagnosis and treatment of cancer". In 2003 Halas was awarded for Best Discovery of 2003 by Nanotechnology Now.) The first step in synthesizing nanoshells in this method is by creating the device for the reaction to take place within. Microfluidic device patterns were fabricated onto silicon wafers by standard photolithography using negative photoresist SU 8 2050. Devices were subsequently molded in poly(dimethyl siloxane) (PDMS) using the soft lithography technique. (40) Briefly, PDMS was molded onto the SU 8 masters at 70 °C for 4 h, peeled, cut, and cleaned. Inlet and outlet holes (1/16 in. o. d.) were punched into the device. The microchannels were irreversibly bonded to a glass slide precoated with a thin layer of PDMS after a brief 35 s air plasma treatment. The microchannels have rectangular cross section and are 300 μm wide, 155 μm deep, and 0.45 m long. and gold shells, are used in cancer therapy and bio imaging enhancement. Theranostic probes – capable of detection and treatment of cancer in a single treatment – are nanoparticles that have binding sites on their shell that allow them to attach to a desired location (typically cancerous cells) then can be imaged through dual modality imagery (an imaging strategy that uses x rays and radionuclide imaging) and through near infrared fluorescence. The reason gold nanoparticles are used is due to their vivid optical properties which are controlled by their size, geometry, and their surface plasmons. Gold nanoparticles (such as AuNPs) have the benefit of being biocompatible and the flexibility to have multiple different molecules, and fundamental materials, attached to their shell (almost anything that can normally be attached to gold can be attached to the gold nano shell, which can be used in helping identifying and treating cancer). The treatment of cancer is possible only because of the scattering and absorption that occurs for plasmonics. Under scattering, the gold plated nano particles become visible to imaging processes that are tuned to the correct wavelength which is dependent upon the size and geometry of the particles. Under absorption, photothermal ablation occurs, which heats the nanoparticles and their immediate surroundings to temperatures capable of killing the cancer cells. This is accomplished with minimal damage to cells in the body due to the utilization of the "water window" (the spectral range between 800 and 1300 nm). This process works so well since tumors are about ¾ macrophages and once monocytes are brought into the tumor, it differentiates into macrophages which would also be need to maintain the cargo nanoparticles. Once the nanoshells are at the necrotic center, near infrared illumination is used to destroy the tumor associated macrophages. Additionally, these nanoparticles can be made to release antisense DNA oligonucleotides when under photo activation. These oligonucleotides are used in conjunction with the photo thermal ablation treatments to perform gene therapy. This is accomplished because nanoparticle complexes are delivered inside of cells then undergo light induced release of DNA from their surface. This will allow for the internal manipulation of a cell and provide a means for monitoring a group cells return to equilibrium. Another example of nanoshell plasmonics in cancer treatment involves placing drugs inside of the nanoparticle and using it as a vehicle to deliver toxic drugs to cancerous sites only. This is accomplished by coating the outside of a nanoparticle with iron oxide (allowing for easy tracking with an MRI machine), then once the area of the tumor is coated with the drug filled nanoparticles, the nanoparticles can be activated using resonant light waves to release the drug.