Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0027

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0027
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Название доклада
Коллоидные магнитные наночастицы для персонализированной тераностики в онкологии: исследования передовыми in-situ рентгеноспектральными и нанопучковыми методами.
Докладчик
Солдатов Александр Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка комплексной методики для in-situ (в жидкой капельной струе) диагностики параметров электронной, магнитной и атомной структур коллоидных магнитных наночастиц, основанной на экспериментальных исследованиях с использованием уникальной установки, позволяющей получать рентгеновские спектры HERFD-XANES и RIXS-MCD в естественном состоянии коллоидного раствора (в жидкости) и последующем теоретическом анализе спектральной информации с привлечением комплекса теоретических методов, для определения параметров электронной, магнитной и атомной структур коллоидных магнитных наночастиц.
Проект выполняется на базе Европейского центра синхротронного излучения.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность предлагаемого проекта определяется прежде всего анализом современных тенденций развития методик диагностики в науках о наноматериалах для биомедицинских применений. В настоящее время основной вектор развития методик диагностики наноматериалов смещается в сторону развития in-situ неразрушающих комбинированных методик, позволяющих в высокой точностью измерять одновременно несколько ключевых параметров, характеризующих наноматериал. К таким параметра относятся в первую очередь параметры 3D локальной атомной структуры материалов, так как именно они определяют большинство важнейших для практического использования свойств наноматериалов. Кроме того, желательно одновременно контролировать и сами характеристики материалов, типа локальных магнитных моментов на атомах и деталей электронной структуры (плотности свободных и заполненных электронных состояний, оксидного состояния ионов и др.). Рентгеновская спектроскопия поглощения (XANES) является одним из важных методов, позволяющих решить подобные задачи. Еще более значимых результатов при исследовании наночастиц удается достигнуть при использовании сочетания рентгеноспектральных методик, включающих одновременно и спектроскопию рентгеновского поглощения и эмиссионную рентгеновскую спектроскопию.
Поэтому значимость решаемой в настоящем проекте задачи разработки новой in situ неразрушающей комплексной методики диагностики параметров атомной, электронной и магнитной структур коллоидных наноматериалов в их естественном состоянии крайне важна с точки зрения преодоления существующих ограничений на пути развития методик синтеза перспективных материалов на основе коллоидных магнитных наночастиц.
Описание исследования

Основной научной проблемой, решаемой в ходе выполнения настоящего проекта, является разработка новой комбинированной методики для нано-био-медицинских исследований с использованием уникальных научных установок мега-класса – источников синхротронного излучения. Эта методика объединяет два класса передовых методик: 1) in situ неразрушающую комплексную рентгеноспектральную методику диагностики параметров атомной, электронной и магнитной структур коллоидных наноматериалов в их естественном состоянии (в форме коллоидного раствора) на основе теоретического анализа данных рентгеноспектральных методик RIXS-MCD (резонансное неупругое рентгеновское рассеяние), HRXAS (спектроскопия рентгеновского поглощения высокого разрешения) и XES (рентгеновская эмиссионная спектроскопия) и 2) методику трехмерной нано- и микро-томографии (наноимиджинга) для исследования опухолевых тканей и распределения в них наночастиц с высоким пространственным разрешением вплоть до нанометрового диапазона.

В настоящем проекте  использовано сразу 7 новых передовых методик, реализованных на 2 станциях ESRF (ID26 и ID21). Сами по себе магнитные коллоидные наночастицы будут охарактеризованы рентгеноспектральными методиками, реализованными на станции ID26 , в то время как взаимодействие наночастиц с опухолевыми тканями с высоким пространственным разрешением вплоть до нанометрового диапазона будет изучаться с помощью нано-имиджинговых (томография) методик на станции ID21.

На первом этапе (2016 год) проведена комплексная серия in-situ HERFD-XANES, XES и RIXS-MCD исследований коллоидных магнитных наночастиц при их естественных условиях (в коллоидном растворе) для следующих серий образцов: чистые наночастицы на оксида железа разного размера, чистые наночастицы на оксида железа разной формы, допированные атомами кобальта и марганца наночастицы на оксида железа, допированные атомами редкоземельных элементов (Sm, Eu) наночастицы на оксида железа, и наночастицы на оксида железа, покрытые различными сурфактантами (стабилизаторами). Улучшенное спектральное разрешение XANES привело к чувствительности методики к малейшим изменениям межатомных расстояний в образцах (вплоть до пикометрового диапазона) и  использовано для определения локальной атомной структуры наночастиц. Методика RIXS-MCD использовалась для позиционно-чувствительных измерений намагниченности (локального магнитного момента на определенной атомной позиции). Структурная информация совместно с исследованиями MCD будет затем применена для объяснения наблюдаемого изменения намагниченности насыщения наночастиц в зависимости от размера, формы, типа и концентрации допирующих атомов и стабилизаторов на поверхности наночастиц.

 

Результаты исследования

Реализована новая уникальная in-situ комплексная методика, основанная на исследованиях с использованием уникальной установки, позволяющей получать рентгеновские спектры HERFD- XANES и RIXS-МCD в естественном состоянии коллоидного раствора (в жидкости) и определять параметры электронной, магнитной и атомной структур коллоидных магнитных наночастиц на основе теоретического анализа экспериментальных спектроскопических данных HERFD-XANES и RIXS-МCD с привлечением целого комплекса теоретических методов. (Россия-ESRF) Разработанная методика протестирована на примере коллоидных магнитных наночастиц оксида железа, предварительные исследования которых показывают существенную зависимость параметров их атомной, электронной и магнитной структур от их размера и фазы , в которой они находятся. Определены значения параметров электронной, магнитной и атомной структур коллоидных магнитных наночастиц Fe3O4.

 

 

Практическая значимость исследования
В Российской федерации потребителями результатов будут научно-исследовательские организации и предприятия высокотехнологичного сектора российской экономики, которые целенаправленно занимаются разработкой и производством принципиально новых наноматериалов для области био-медицинских применений (в том числе для тераностики онкологических заболеваний.
Опыт, полученный при реализации настоящего проекта, и детальное знакомство в техническими деталями комплекса разрабатываемого экспериментального оборудования на станциях ESRF ID 26, ID16a и ID21 позволят в дальнейшем в кратчайшие сроки при необходимости осуществить подготовку для реализации подобных станций на отечественном источнике синхротронного излучения. Это особенно важно для применения данной методики к исследованию новых материалов в чувствительных для Российской Федерации областях, в которых вывоз образцов на исследования за рубеж не представляется целесообразным.
В международном пространстве потребителями ожидаемых результатов проекта могут быть исследователи, как из академического сектора, так и из сектора высокотехнологических разработок, которые занимаются синтезом, исследованиями и внедрением коллоидных магнитных наночастиц для широкого класса применений, начиная от нанокатализаторов, до магнитных наноматериалов для био-медицинских применений. К ним относятся как регулярные пользователи Европейского центра синхротронных исследований, так и новые, которые будут привлечены перспективами получения дополнительной информации о параметрах атомной, электронной и магнитной структур исследуемых коллоидных магнитных наночастиц и возможностью проводить исследования в режиме in-situ, то есть в естественных условиях для коллоидных наночастиц, а не высушенных порошков из наночастиц, как это происходит в настоящее время.