مطالعه فرآیند گرمایش نانوذرات طلا در نانوپزشکی لیزری

  مقدمه: برهم­کنش پالس­های لیزری بسیار کوتاه با نانوذرات طلا در محیط­های بیولوژیکی برای تخریب سلول­های سرطانی، باکتری­ها، ویروس­ها و DNA به­کار می­رود. پالس­های لیزری بسیار کوتاه انرژی بسیار زیادی را بر روی ذره بسیار کوچک فلزی متمرکز می­کنند. فوتون­هایی که توسط الکترون­های آزاد ذره جذب می شوند، به شبکه کریستالی ذره و سپس به محیط اطراف منتقل می­شوند. بنابراین نانوذرات به صورت متمرکز باعث انتقال گرما از پالس­های بسیار کوتاه به سلول­های هدف می­شوند. شبیه­سازی این فرآیند تأثیر به­سزایی در تحقیقات این حوزه دارد و با استفاده از نتایج آن می­توان به­طور پیش­بینی شده عمل نمود.   روش بررسی: در میان نانوساختارها نانوذرات طلا کاندیدای مناسبی برای فرآیند گرمایش لیزری هستند، زیرا آن­ها جذب­کننده­های نوری قوی، پایدار و غیرسمی هستند که به­راحتی به پروتئین­ها متصل می­شوند و خواص اپتیکی آن­ها تنظیم­پذیر می­باشد. دو مدل دمایی برای محاسبه دمای الکترون­ها و دمای شبکه کریستال نانوذره وجود دارد. مدل تک­دمایی که دمای یکسانی برای الکترون­ها و کریستال نانوذره فرض می­کند و مدل دودمایی که برای پالس­های لیزری بسیار کوتاه به­کار می­رود. پالس­های کوتاه قبل از انتقال کامل انرژی الکترون­ها به شبکه به اتمام می­رسند و بنابراین دمای الکترون­ها و شبکه متفاوت است. برای شبیه­سازی فرآیند گرمایش نانوذرات طلا از تقریب گرمایی یکنواخت و مدل تک­دمایی استفاده شده است. اندازه کوچک نانوذرات در مقایسه با طول موج تابش لیزری تأیید می­کند که این مدل تقریب مناسبی برای گرمایش نانوذرات پس از تابش پالس­های لیزری بسیار کوتاه فمتوثانیه، پیکوثانیه و نانوثانیه می­باشد. در مدت اعمال پالس لیزری، انتقال گرما به محیط اطراف اندک است اما، زمانی که پالس شروع به تنزل می­کند، انتقال گرما از ذره به محیط اطراف به­طور قابل ملاحظه­ای افزایش می­یابد. تلفات دما برای پالس­های نانوثانیه­ای به دلیل طول پالس طولانی­تر نسبت به دیگر پالس­ها بیشتر می­باشد. تأثیرحضور نانوذرات در محیط­های بیولوژیکی مختلف از جمله آب، خون، پروستات، چربی و تومور بر روی دینامیک گرمایی لیزری نانوذرات طلای 30 نانومتری بررسی می­شود.   یافته­ها: واکنش گرمایی نانوذرات طلا در خون، پروستات و تومور با حالتی که محیط اطراف آب می­باشد ، مشابه و قابل مقایسه است. اما، نانوذرات در محیط چربی به­دلیل اینکه رسانایی گرمایی کمی دارد، بیشترین دما را در همان سطح انرژی و طول پالس لیزری در مقایسه با دیگر محیط­های بیولوژیکی به­دست می­آورند. دینامیک دمایی ذرات به تلفات گرمایی از سطح نانوذرات به محیط اطراف حساس می­باشند. در رژیم فمتوثانیه، طول پالس لیزر بسیار کوچک می­باشد و محیط با مشخصات گرمایی بالا هم نمی­تواند دما را در طول پالس به میزان چشمگیری کاهش دهد. اما، در رژیم­های پیکو و نانوثانیه محیط با رسانایی گرمایی کم هم می­تواند دمای نانوذرات را به مقدار زیادی تغییر دهد. با بررسی مقالات دیگر، نتایج تئوری توسط آزمایش­های عملی تصدیق شده است. به­طوری­که ماکزیمم دما برای فمتو، پیکو و نانو به ترتیب حدوداً 1020، 1005 و 7000 درجه کلوین در شدت لیزر mJ/cm2 1، mJ/cm2 1و mJ/cm2 10می­باشد. همچنین مقایسه مدل تک­دمایی در این مقاله با مدل دودمایی در مقالات دیگر نشان می­دهد که مدل دودمایی تنها برای رژیم فمتو ثانیه کاربرد دارد که دمای الکترون­ها از دمای شبکه متفاوت است، اما، این روش برای طول پالس­های طولانی­تر (پیکو و نانوثانیه)، کاربردی ندارد و حتی به­دلیل عدم درنظر گرفتن تلفات گرمایی از سطح نانوذره به محیط اطراف، نتایج به­دست آمده از صحت کافی برخوردار نیست. نتیجه­گیری: نتایج حاصل از این مقاله نشان می­دهد که مدل تک­دمایی روشی مناسب برای درک برهم­کنش پالس­های لیزری کوتاه با نانوذرات فلزی می­باشد. زیرا درصورتی­که اندازه نانوذره از طول موج تابش لیزر بسیار کوچک­تر باشد، تأخیر زمانی بین برهم­کنش الکترون و شبکه کریستالی قابل اغماض است و نتایجی مشابه با نتایج مدل دودمایی به­دست می­آید.