مقدمه: برهمکنش پالسهای لیزری بسیار کوتاه با نانوذرات طلا در محیطهای بیولوژیکی برای تخریب سلولهای سرطانی،باکتریها، ویروسها و DNA به کار 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 به سزایی در تحقیقات این حوزه دارد و با استفاده از نتایج آن میتوان به طور 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 به راحتی 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 به کار 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 به طور 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 به دلیل اینکه رسانایی گرمایی کمی دارد، بیشترین دما را در همان سطح انرژی و طول پالس لیزری در مقایسه با دیگر محیطهای بیولوژیکی به دست 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. به طوریکه 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 به دلیل عدم درنظر گرفتن تلفات گرمایی از سطح نانوذره به محیط اطراف، نتایج به دست آمده از صحت کافی برخوردار نیست.
بازنشر اطلاعات | |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |