Исследователи КФУ рассмотрели, каким образом электронный свет способствует фотонагреву прозрачных наноматериалов.

      Он открывает новые горизонты для таргетной терапии раковых заболеваний. Ученые Казанского федерального университета выявили механизм, с помощью которого электронный свет вызывает фотонагрев в оптически прозрачных наноматериалах. Этот механизм предоставляет новые возможности для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В исследовании, опубликованном в журнале Laser & Photonics Reviews, объясняется, как оптически прозрачные гетерогенные системы могут захватывать свет через рассеяние, а не поглощение.

      «Термин "электронный свет" описывает фотоны, которые подвергаются неупругому рассеиванию на электронных состояниях», — поясняет заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики Сергей Харинцев. — «Этот эффект наблюдается в рамановских спектрах пространственно-ограниченных гетерогенных сред, таких как аморфные и пористые материалы, высокоэнтропийные кристаллы, пены, гели, полимеры, клетки и др., 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, многие годы физическая природа этого фона оставалась неясной, поэтому исследователи вычитали его из спектров для улучшения соотношения сигнал-шум для молекулярных линий. Однако в предыдущих работах группа профессора Харинцева установила, что взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами приводит к изменению 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, что отличает электронное рассеяние света от колебательного комбинационного рассеяния, отвечающего за химическую природу вещества.

      «Удивительным в нашем исследовании является то, что оптически прозрачная среда начинает нагреваться, как только становится гетерогенной. Это открывает ранее неизвестный механизм оптического нагрева сред, не поглощающих свет. Наше открытие требует пересмотра устоявшихся терапевтических методов — фототермической и фотодинамической терапии. Традиционно в них используются светопоглощающие агенты, такие как фотосенсибилизаторы, органические красители и металлические нанооболочки, которые доставляются в опухолевые ткани для преобразования света в тепло или химическую энергию для уничтожения раковых клеток. Наш подход позволяет напрямую применять свет в живых системах для терапевтических целей без введения внешних агентов», — добавил заведующий кафедрой.

      Стратегия «без агентов» превращает фототермическую терапию в мощный и неинвазивный инструмент: опухоль можно лечить с целью, оставляя здоровые ткани неповрежденными. Первые попытки использования света для лечения опухолей основывались на резонансном поглощении сверхмощного лазерного излучения (> ТВт/см²), что повреждало как больные, так и здоровые ткани. Поэтому метод не получил широкой популярности. Кроме того, традиционные подходы фототермической терапии не позволяют диагностировать раковые клетки.

      «Чтобы продемонстрировать физический принцип, мы 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 её 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 длиной волны "не замечает" здоровые клетки в широком спектраль