Плазмонные наноструктуры для биомедицинских применений

Предложено новое семейство плазмонных наноструктур, соответствующих условиям идеального поглощения для биомедицинских применений. Исследованы сферические нанооболочки x/Au и многослойные наноструктуры (наноматрешки) Au/x/Au, где «x» изменяется от обычных Si и SiO₂ до альтернативных плазмонных материалов, таких как оксид цинка, легированный алюминием или галлием и оксида индия и олова (AZO, GZO, ITO). Пик поглощения предлагаемых наноструктур лежит в области длин волн 700-1100 нм и соответствует максимальной оптической прозрачности гемоглобина и меланина относительно частоты излучения доступных импульсных медицинских лазеров. Было показано, что идеальное поглощение достигается в этом диапазоне длин волн для Au нанооболочек с толщиной менее 12 нм. В этом случае квантово-размерные эффекты для металлических нанооболочек играют значительную роль, а математическая модель поиска идеальных условий поглощения была дополнена учетом этих эффектов. Кроме того, идеально поглощающие наночастицы, геометрия которых была предсказана с использованием принципа дипольной эквивалентности для двух- и трехслойные наночастиц, имеют максимум в спектрах поглощения, рассчитанных с использованием точных разложений теории Ми с учетом мультиполей высокого порядка, которые полностью соответствуют предсказанной длине волны. Таким образом, было показано, что принцип дипольной эквивалентности применим для больших частиц размером до 170 нм. В этом случае вклад высших мультиполей пренебрежимо мал по сравнению с электрическим диполем.

Предложенные наноструктуры могут найти применение в методах лазерной гипертермии злокачественных клеток.

                                                                    (I)                                                                                                 (II)

Рисунок. Спектры поглощения нанооболочек x/Au с различными ядрами: SiO2; ITO; AZO (I) и многослойных наночастиц со структурой Au/x/Au с промежуточными слоями: SiO2; ITO; AZO (II). Расчеты выполнены с учетом квантово-размерных эффектов для условий идеального поглощения на нескольких длинах волн: (a) 750 нм, (b) 900 нм и (c) 1064 нм.

1. V.I. Zakomirnyi, I. L. Rasskazov, S. V. Karpov, S.P. Polyutov. New ideally absorbing Au plasmonic nanostructures for biomedical applications // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 2017. V. 187. P. 54-61 (http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.08.015)