За счет особых магнитных свойств новых наночастиц их можно обнаружить в гораздо меньших количествах.

Магнитные наночастицы уже сейчас используются в медицине: реагируя на магнитное поле, они помогают в деталях рассмотреть тот или иной орган или, например, опухоль; они позволяют получить более качественные изображения при магнитно-резонансной томографии и других методах. Подобные методы есть куда совершенствовать, и многие лаборатории продолжают работать с магнитными наночастицами, улучшая их свойства.

Эксперимент с магнитными нанодисками: мышь под анестезией лежит во внешней катушке, генерирующей постоянное магнитное поле, в то время как хвост мыши помещается в измерительной катушке MPQ-прибора. (Фото: пресс-служба МФТИ)

Исследователи из Московского физико-технического института, Институт общей физики (ИОФ) имени А. М. Прохорова РАН, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» и Аргоннской национальной лаборатории (США) создали наночастицы, которые можно обнаруживать в очень и очень небольших количествах.

Они сделаны в форме микродисков из пермаллоя – сплава никеля и железа; их диаметр равен 1,5 микрометров, а толщина колеблется от 10 до 40 нанометров. Благодаря необычной форме дисковые наночастицы существенно отличаются по физическим свойствам от сферических: магнитные моменты микродисков образуют вихреподобные структуры с нулевой суммарной остаточной намагниченностью.

При увеличении внешнего магнитного поля такая структура трансформируется и магнитные моменты ориентируются по направлению поля. При уменьшении магнитного поля начальное распределение восстанавливается, а при смене направления магнитного поля – меняется на противоположное.

Частицы демонстрируют большую нелинейность намагничивания в сравнительно слабых полях, что позволяет с большей чувствительностью обнаруживать их высокочувствительным методом MPQ (magnetic particle quantification). Этот метод основан на воздействии внешним переменным полем на двух разных частотах с последующей детекции сигнала на комбинаторных частотах. С помощью MPQ можно увидеть всего 39 пикограмм нанодисков (один пикограмм равен одной триллионной части грамма) в широком диапазоне чувствительности, составляющем семь порядков.

Новые частицы проверили в экспериментах с лабораторными мышами и отдельно взятыми органами. Животным вводили нанодиски в физиологическом растворе, а чтобы потом обнаружить их, хвост мыши опускали в измерительную катушку MPQ-прибора. (Для сравнения использовали обычные сферические наночастицы.) Время циркуляции наночастиц обычно составляет около 10 мин.

Нанодиски накапливались преимущественно в печени, селезенке и легких – там, где частицы обычно и собираются. Сигнал от нанодисков (в отличие от наносфер) можно было резко увеличить, включив внешнее магнитное поле небольшой амплитуды (15 Эрстед), причем в разных органах сигнал увеличивался по-разному, что, очевидно, связано с непохожестью различных тканей по вязкости, плотности, жесткости и другим свойствам.

По словам Петра Никитина, заведующего лабораторией ИОФ РАН и одного из изобретателей MPQ-метода, «эксперименты оказались очень интересными и информативными в том, что касается зависимости сигналов от соотношения диаметра к толщине дисков, их пространственной ориентации и т.д. Например, при слабых возбуждающих полях значительно проще регистрировать очень тонкие диски (с меньшей массой магнитного материала), чем толстые, что связано с разными величинами полей размагничивания структур. Магнитные нанообъекты, регистрируемые с высокой чувствительностью, представляют большой интерес для применений в качестве нанометок в ДНК- и иммуноанализах, биосенсорике, антиконтрафактной защите важных препаратов и т. д.»

В настоящее время методы MPQ и МPI (еще один метод обнаружения магнитных наночастиц) ограничены опытами на мелких лабораторных животных. Возможно, именно новые частицы откроют этим чувствительным методам путь в клиническую диагностику и терапию. Результаты исследований опубликованы в журнале Nanoscale.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, Министерства образования и науки России и Министерства энергетики США.

 По материалам пресс-службы МФТИ