Zespół pod kierownictwem naukowców z Uniwersytetu w Bath odkrył, w jaki sposób cząsteczki światła mogą posłużyć do ujawnienia „ukrytych” stanów energetycznych cząsteczek.
Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem fizyków z Uniwersytetu w Bath zademonstrował nowe zjawisko optyczne, które może mieć znaczący wpływ na farmację, bezpieczeństwo, kryminalistykę, nauki o środowisku, konserwację dzieł sztuki i medycynę.
Cząsteczki obracają się i wibrują w bardzo specyficzny sposób. Kiedy światło na nie pada, odbija się i rozprasza. Na każdy milion cząstek światła (fotonów), jedna zmienia kolor. Ta zmiana to efekt Ramana. Zebranie wielu z tych zmieniających kolor fotonów maluje obraz stanów energetycznych cząsteczek i identyfikuje je.
Jednak niektóre cechy molekularne (stany energetyczne) są niewidoczne dla efektu Ramana. Aby je ujawnić i namalować pełniejszy obraz, potrzebny jest „hiper-Raman”.
Hiper-Raman
Efekt hiper-Ramana jest zjawiskiem bardziej zaawansowanym niż prosty Ramana. Występuje, 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 (mniej szumu z autofluorescencji). Co ważne, podczas gdy fotonów hyper-Raman jest jeszcze mniej niż w przypadku Ramana, ich liczba może być znacznie zwiększona przez obecność maleńkich kawałków metalu (nanocząsteczek) blisko cząsteczki.
Pomimo swoich istotnych zalet, metodzie hiper-Raman nie udało się dotychczas zbadać kluczowej właściwości życia – chiralności.
Aktywność optyczna
W cząsteczkach chiralność odnosi się do ich poczucia skrętu – w wielu aspektach podobnego do helisy DNA. Wiele biocząsteczek wykazuje chiralność, w tym białka, RNA, cukry, aminokwasy, niektóre witaminy, niektóre steroidy i kilka alkaloidów.
Światło również może być chiralne i w 1979 roku naukowcy David L. Andrews i Thiruiappah Thirunamachandran wysunęli teorię, że światło chiralne wykorzystywane do uzyskania efektu hiper-Ramana może dostarczać trójwymiarowych informacji o cząsteczkach i ujawniać ich chiralność.
Jednak ten nowy efekt – znany jako hiper-ramanowska aktywność optyczna – miał być bardzo subtelny, być może nawet niemożliwy do zmierzenia. Eksperymentatorzy, którym się nie udało go zaobserwować, zmagali się z czystością swojego chiralnego światła. Ponadto, ponieważ efekt jest bardzo subtelny, próbowali używać dużych mocy lasera, ale ostatecznie doprowadziło to do uszkodzenia badanych cząsteczek.
Profesor Ventsislav Valev, który kierował zespołem z Bath i badaniami, wyjaśnił: „Podczas gdy poprzednie próby miały na celu zmierzenie efektu bezpośrednio na podstawie cząsteczek chiralnych, my zastosowaliśmy podejście pośrednie.
„Zastosowaliśmy cząsteczki, które same w sobie nie są chiralne, ale uczyniliśmy je chiralnymi, montując je na chiralnym rusztowaniu. Dokładniej rzecz biorąc, osadziliśmy cząsteczki na maleńkich złotych nanohelisach, które skutecznie nadały cząsteczkom swój skręt (chiralność).
„Złote nanohelisy mają jeszcze jedną bardzo znaczącą zaletę – działają jak maleńkie anteny i skupiają światło na cząsteczkach. Proces ten wzmacnia sygnał hiper-Ramana i pomógł nam go wykryć.
„Takie nanohelisy nie zostały ujęte w pracy teoretycznej z 1979 r. i aby je wyjaśnić, zwróciliśmy się do nikogo innego, jak tylko do jednego z pierwotnych autorów i pionierów tej dziedziny badań”.
Potwierdzenie 45-letniej teorii
Emerytowany profesor Andrews z University of East Anglia i współautor artykułu powiedział: „Bardzo cieszymy się, że ta praca eksperymentalna w końcu potwierdza nasze teoretyczne przewidywania, po tylu latach. Zespół z Bath przeprowadził znakomity eksperyment”.
Ten nowy efekt może służyć do analizy składu produktów farmaceutycznych i kontrolowania ich jakości. Może pomóc w identyfikacji autentyczności produktów i ujawnianiu podróbek. Może również służyć do identyfikacji nielegalnych narkotyków i materiałów wybuchowych na odprawie celnej lub na miejscu zbrodni.
Pomoże wykryć zanieczyszczenia w próbkach środowiskowych z powietrza, wody i gleby. Może ujawnić skład pigmentów w sztuce do celów konserwatorskich i restauracyjnych, a prawdopodobnie znajdzie zastosowanie kliniczne w diagnostyce medycznej poprzez wykrywanie zmian molekularnych wywołanych przez choroby.
Profesor Valev powiedział: „Te prace badawcze są efektem współpracy między teoretykami chemii i fizykami eksperymentalnymi, która trwa już od wielu dziesięcioleci i obejmuje naukowców na wszystkich szczeblach – od doktorantów po profesorów emerytowanych.
„Mamy nadzieję, że zainspiruje innych naukowców i zwiększy świadomość, że postęp naukowy często trwa wiele dziesięcioleci”.
Patrząc w przyszłość dodał: „Nasza obserwacja jest pierwszą obserwacją fundamentalnego mechanizmu fizycznego. Jest jeszcze długa droga, zanim efekt ten będzie mógł zostać wdrożony jako standardowe narzędzie analityczne, które inni naukowcy będą mogli przyjąć.
„Z niecierpliwością czekamy na tę podróż, wspólnie z naszymi współpracownikami z Renishaw PLC, światowej sławy producenta spektrometrów Ramana”.
Dr Robin Jones, pierwszy autor nowego artykułu badawczego i do niedawna doktorant w Bath, powiedział: „Przeprowadzanie eksperymentów, które wykazały efekt hiper-ramanowskiej aktywności optycznej, było moim najbardziej satysfakcjonującym doświadczeniem akademickim. Z perspektywy czasu wydaje się, że niemal każdy krok mojego doktoratu był jak element układanki, który wskoczył na swoje miejsce, aby osiągnąć obserwację”.
Badania opublikowano w czasopiśmie Fotonika przyrodnicza. Projekt finansowały Royal Society, Leverhulme Trust i Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC).
