Artystyczna reprezentacja hiperramanowskiej aktywności optycznej: skręcone światło (czerwone helisy) padające na cząsteczki ułożone na spiralnym rusztowaniu (białe kropki) wytwarza widma hiperramanowskiego rozpraszania (wielokolorowe plamy światła), które wyrażają „chiralność” (plamy ułożone w spiralne wzory i przerywane lustro). Źródło: Ventsislav Valev i Kylian Valev
Zespół naukowców z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii odkrył metodę wykorzystania cząstek światła do odkrywania ukrytych stanów energetycznych cząsteczek.
Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez fizyków z Uniwersytetu w Bath, zademonstrował nowe zjawisko optyczne, które może znacząco wpłynąć na różne dziedziny, w tym farmaceutykę, bezpieczeństwo, kryminalistykę, nauki o środowisku, konserwację dzieł sztuki i medycynę.
Cząsteczki obracają się i wibrują w bardzo specyficzny sposób. Kiedy pada na nie światło, odbija się ono i rozprasza. Na każdy milion cząstek światła (fotonów) jedna zmienia kolor. Ta zmiana to efekt Ramana. Zebranie wielu z tych zmieniających kolor fotonów pozwala uzyskać obraz stanów energetycznych cząsteczek i je zidentyfikować.
Jednak niektóre cechy molekularne (stany energetyczne) są niewidoczne dla efektu Ramana. Aby je odsłonić i namalować pełniejszy obraz, potrzebny jest „hiper-Raman”.
Hyper-Raman
Efekt hiper-Ramana jest zjawiskiem bardziej zaawansowanym niż zwykły Ramana. Dzieje się tak, gdy dwa fotony uderzają w cząsteczkę jednocześnie, a następnie łączą się, tworząc pojedynczy rozproszony foton który wykazuje zmianę koloru Ramana.
Hyper-Raman może wnikać głębiej w żywą tkankę, jest mniej prawdopodobne, że uszkodzi cząsteczki i daje obrazy o lepszym kontraście (mniejszy szum powodowany przez autofluorescencję). Co ważne, choć fotonów hiper-Ramana jest jeszcze mniej niż w przypadku Ramana, to ich liczbę można znacznie zwiększyć poprzez obecność maleńkich kawałków metalu (nanocząstek) blisko cząsteczki.
Pomimo swoich znaczących zalet, hiper-Raman nie był jak dotąd w stanie zbadać kluczowej właściwości umożliwiającej życie – chiralności.
Aktywność optyczna
W cząsteczkach chiralność odnosi się do ich skręcenia – pod wieloma względami podobnego do struktury helikalnej DNA. Wiele biocząsteczek wykazuje chiralność, w tym białka, RNAcukry, aminokwasyniektóre witaminy, niektóre sterydy i kilka alkaloidów.
Światło również może być chiralne i w 1979 roku badacze David L. Andrews i Thiruiappah Thirunamachandran wysunęli teorię, że światło chiralne wykorzystywane w efekcie hiper-Ramana może dostarczyć trójwymiarowych informacji o cząsteczkach, ujawniając ich chiralność.
Oczekiwano jednak, że ten nowy efekt – znany jako aktywność optyczna hiperramanowska – będzie bardzo subtelny, a może nawet niemożliwy do zmierzenia. Eksperymentatorzy, którzy tego nie zaobserwowali, zmagali się z czystością swojego chiralnego światła. Co więcej, ponieważ efekt jest bardzo subtelny, próbowano użyć dużej mocy lasera, ale ostatecznie uszkodziło to badane cząsteczki.
Wyjaśniając, profesor Ventsislav Valev, który kierował zarówno zespołem Bath, jak i badaniem, powiedział: „Chociaż poprzednie próby miały na celu zmierzenie efektu bezpośrednio na podstawie chiralnych cząsteczek, my przyjęliśmy podejście pośrednie. Zastosowaliśmy cząsteczki, które same w sobie nie są chiralne, ale nadaliśmy im chiralność, łącząc je na chiralnym rusztowaniu. W szczególności osadziliśmy cząsteczki na maleńkich nanohelisach złota, które skutecznie nadawały cząsteczkom ich skręt (chiralność). Złote nanohelisy mają jeszcze jedną bardzo istotną zaletę – służą jako maleńkie anteny i skupiają światło na cząsteczkach. Proces ten wzmacnia sygnał hiper-Ramana i pomógł nam go wykryć. Takie nanohelisy nie zostały uwzględnione w artykule teoretycznym z 1979 roku i aby je wyjaśnić, zwróciliśmy się do nikogo innego jak jednego z oryginalnych autorów i pioniera tej dziedziny badań”.
Potwierdzenie 45-letniej teorii
Emerytowany profesor Andrews z Uniwersytetu Anglii Wschodniej i współautor artykułu powiedział: „To bardzo satysfakcjonujące, że ta praca eksperymentalna w końcu po tylu latach potwierdza nasze teoretyczne przewidywania. Zespół z Bath przeprowadził znakomity eksperyment.”
Ten nowy efekt może służyć do analizy składu leków i kontroli ich jakości. Może pomóc w identyfikacji autentyczności produktów i ujawnieniu podróbek. Może także służyć do identyfikacji nielegalnych narkotyków i materiałów wybuchowych na stanowiskach celnych lub na miejscach zbrodni.
Pomoże w wykryciu substancji zanieczyszczających w próbkach środowiskowych z powietrza, wody i gleby. Może ujawnić skład pigmentów w sztuce do celów konserwacji i renowacji i prawdopodobnie znajdzie zastosowania kliniczne w diagnostyce medycznej poprzez wykrywanie zmian molekularnych wywołanych chorobami.
Profesor Valev powiedział: „Te prace badawcze to efekt współpracy między teorią chemiczną a fizyką eksperymentalną na przestrzeni wielu dziesięcioleci i wśród naukowców na wszystkich etapach – od doktoranta po emerytowanego profesora. Mamy nadzieję, że zainspiruje to innych naukowców i podniesie świadomość, że postęp naukowy często zajmuje wiele dziesięcioleci”.
Patrząc w przyszłość, dodał: „To nasza pierwsza obserwacja podstawowego mechanizmu fizycznego. Przed nami długa droga, zanim efekt będzie można wdrożyć jako standardowe narzędzie analityczne, które mogą zastosować inni naukowcy. Z niecierpliwością czekamy na tę podróż wraz z naszymi współpracownikami z firmy Renishaw PLC, światowej sławy producenta spektrometrów Ramana”.
Doktor Robin Jones, pierwszy autor nowego artykułu badawczego i do niedawna doktorant w Bath, powiedział: „Przeprowadzanie eksperymentów, które wykazały efekt aktywności optycznej hiper-Ramana, było dla mnie najbardziej satysfakcjonującym doświadczeniem akademickim. Z perspektywy czasu wydaje się, że prawie każdy etap mojego doktoratu był jak element układanki, który wskoczył na swoje miejsce, aby osiągnąć tę obserwację.
Odniesienie: „Nadanie chiralności umożliwia obserwację hiperramanowskiej aktywności optycznej”: Robin R. Jones, John F. Kerr, Hyunah Kwon, Samuel R. Clowes, Ruidong Ji, Emilija Petronijevic, Liwu Zhang, G. Dan Pantoș, Brian Smith , Tim Batten, Peer Fischer, Daniel Wolverson, David L. Andrews i Ventsislav K. Valev, 31 lipca 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01486-z
Badanie zostało sfinansowane przez Towarzystwo Królewskie, Leverhulme Trust oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC).
