科研团队用计算方法研究等离子体纳米囊泡的光学特性
2017年12月12日德克萨斯州奥斯汀市 —— 一种光激发的药物释放方法,称为等离子体纳米颗粒的囊泡结构或等离子体囊泡,可以根据需求用于疾病治疗:支持神经系统的实时研究、洞察大脑的运作方式、快速清除体内的无机物小颗粒。关于等离子体囊泡的较宽范围的光学性质,包括在可见光或近红外范围内的特征吸收峰,已经有相关报道。然而,这些大量微小的等离子体金纳米颗粒之间的相互作用对等离子体囊泡的总体光学性质的贡献尚不清楚。
为了更好地了解等离子体囊泡,包括如何更好地设计它们,研究人员对它们的总体光学特性进行了计算研究。
来自德克萨斯州达拉斯分校(简称UT Dallas)和法国兰斯大学的研究团队,重点研究了大量小金纳米颗粒在脂质体中的动力学特性及其在诊断和治疗领域中的应用前景。该团队使用德克萨斯高级计算中心的Stampede和Lonestar超级计算机,以及兰斯香槟——阿登大学罗密欧计算中心和圣地亚哥超级计算中心(通过极端科学工程探索环境)的系统来执行大规模的光照囊泡虚拟实验。
“许多人制作出纳米粒子并用电子显微镜来观察它们。“UT Dallas 教授Zhenpeng Qin说。“但是计算过程给我们一个独特的角度来解决这个问题。它们在基本相互作用方面提供了更深入的了解,因此我们可以更好地为特定的应用设计这些粒子。”
横切面图:等离子体囊泡近场位置上的增强电场。所示为围绕在75纳米囊泡核心周围的10纳米金纳米颗粒。图片来源:Jaona Randrianalisoa、 Xiuying Li、 Maud Serre 和Zhenpeng Qin
利用离散偶极子近似(DDA)计算方法,该小组对带金涂层的脂质体系统的光学吸收特性进行了预测。通过使用DDA方法,团队可以设计新的复杂形状和结构,并定量地确定它们的光吸收特性。
该小组模拟了不同的脂质体核心尺寸、不同的金纳米粒子涂层尺寸,大范围的涂层密度以及随机或均匀的涂层方法。这些涂层包括几百个单独的金颗粒以及它们的共同作用。
“模拟一个粒子是非常简单的。你可以在一台普通的电脑上做,但我们是第一个正在研究复杂囊泡的团队。”法国汉斯大学教授Jaona Randrianalisoa说。“观察纳米颗粒如何聚集在脂质核心的周围,并对系统的总体光学特性产生影响,是非常令人兴奋的事。”
带有金涂层脂质体的几何特征,其中在核表面上金纳米颗粒的排列分为随机分布(图A-D)和均匀分布(图E-H)。来源:Jaona Randrianalisoa, Xiuying Li, Maud Serre 和Zhenpeng Qin
该小组确定了四个特征体系——孤立纳米粒子体系、库仑相互作用体系、黑金体系和纳米壳体系。他们发现,小的等离子体纳米颗粒需要非常接近,甚至是重叠,以产生宽带吸收(即,黑金体系)或近红外等离子体吸收峰值。他们还发现,较小的金纳米粒子或较大的芯尺寸能够导致更高的近红外峰值漂移和光热转换效率。
“我们希望在近红外范围内发展出与光相互作用的粒子,波长大约在700纳米~900纳米之间,因此它们对组织有更深的穿透力,”Qin说。
研究人员预计,这项研究将为纳米工程师提供设计指南,并可能对进一步开发用于生物医学应用的复杂等离子体纳米结构和囊泡产生重大影响。
来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62893
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