NMR bruges til at bestemme, om guldnanopartikler udviser håndhævelse

Carnegie Mellon Universitys Roberto R. Gil og Rongchao Jin har med succes brugt NMR til at analysere strukturen af ​​infinitesimale guldnanopartikler, som kunne fremme udviklingen og brugen af ​​de bittesmå partikler i lægemiddeludvikling.

Deres tilgang giver en betydelig fordel i forhold til rutinemetoder til analyse af guld-nanopartikler, fordi den kan afgøre, om nanopartiklerne findes i en både højrehånds- og venstrehåndskonfiguration, et fænomen kaldet chiralitet. Bestemmelse af en nanopartikels chiralitet er et vigtigt skridt i retning af at udvikle dem som chirale katalysatorer-værktøjer, der er meget eftertragtede af medicinalindustrien. Deres resultater offentliggøres online på ACS Nano .

Mange lægemidler på markedet i dag indeholder mindst ét ​​molekyle, der er chiralt. Ofte kun en af ​​konfigurationerne, eller isomerer, er effektiv i kroppen. I nogle tilfælde, den anden isomer kan endda være skadelig. Et slående eksempel er stoffet thalidomid, som bestod af to isomerer:hvoraf den ene hjalp gravide kvinder med at kontrollere kvalme, mens den anden forårsagede skade på det udviklende foster. I et forsøg på at skabe sikrere, mere effektive lægemidler, lægemiddelproducenter leder efter måder at producere renere stoffer, der kun indeholder den venstre- eller højrehåndede isomer.

Huifeng Qian, en fjerdeårs kandidatstuderende, der arbejder med Jin, skabt en guld nanopartikel, der har potentialet til at katalysere kemiske reaktioner, der vil producere den ene isomer i stedet for den anden. Nanopartiklerne består af præcis 38 guldatomer og måler kun 1,4 nanometer. Qian arbejdede ihærdigt i næsten et år med at dyrke nanopartiklerne til krystaller af høj kvalitet, så han kunne studere deres struktur ved hjælp af røntgenkrystallografi.

"At dyrke en ren krystal fra nanopartikler er meget udfordrende, og du kan måske slet ikke få en krystal, " sagde Jin, en assisterende professor i kemi i CMU's Mellon College of Science. "I nanopartikelsamfundet, krystalstrukturerne af kun tre nanopartikler er blevet rapporteret."

I Jins tilfælde, røntgenkrystallografi afslørede, at guldnanopartiklen er chiral. Kemikere undersøger typisk den interne chirale struktur af guldnanopartikler ved hjælp af en teknik kaldet cirkulær dikoismespektroskopi. Når rene chirale molekyler udsættes for cirkulært polariseret lys, hver isomer absorberer lyset forskelligt, hvilket resulterer i et unikt - og af modsat fortegn - spektrum for hver isomer. Processen med at skabe guld nanopartikler, imidlertid, resulterer ofte i en 50/50 blanding af hver isomer, kendt som racemater.

"Fordi spektret har et modsat tegn for hver isomer, de ophæver hinanden, og den optiske nettorespons er nul. Dette gør cirkulær dikoisme (CD) spektroskopi ubrugelig, når det kommer til at bestemme chiraliteten af ​​guldnanopartikler i 50/50 blandinger, " sagde Gil, forskningslektor i kemi og direktør for Kemisk Instituts NMR-anlæg.

Da Jin ikke kunne bruge cirkulær dikoismespektroskopi, Gil var i stand til at bruge NMR til at hjælpe Jin med at skelne mellem sine guld-nanopartiklers venstre- og højrehåndede isomerer.

NMR-spektroskopi udnytter det fysiske fænomen, hvor nogle kerner slingrer og snurrer som toppe, udsender og absorberer et radiofrekvenssignal i et magnetfelt. Ved at observere adfærden af ​​disse roterende kerner, forskere kan sammensætte den kemiske struktur af forbindelsen.

I 1957, videnskabsmænd observerede, at brintatomerne i en frit roterende methylengruppe (CH2) producerede to forskellige frekvenser, hvis de var tæt på et chiralt center. Jins guld nanopartikler, som har en chiral kerne, er polstret af flere kemiske grupper, herunder frit roterende methylengrupper. Gil begrundede, at nanopartiklernes chirale kerne skulle få methylengruppens to hydrogenatomer til at afgive forskellige frekvenser, et fænomen kendt som diastereotopicitet.

Gil og Jin sammenlignede NMR-signalet fra hydrogenatomerne i en ikke-chiral guldnanopartikel med NMR-signalet fra hydrogenatomerne i chiral guldnanopartikel. Den ikke-chirale nanopartikels NMR-spektrum afslørede ingen forskelle, men den chirale nanopartikels NMR-spektrum afslørede to forskellige brintsignaler, giver en enkel og effektiv måde at fortælle, om partiklen er chiral eller ej, selv for en 50/50 blanding af isomerer.

"NMR er en alternativ - og meget effektiv - metode til at give nyttig information om, hvordan atomerne i nanopartikler danner den molekylære struktur. Fordi NMR i nogle tilfælde kan bestemme chiralitet, det kan let bruges til at bestemme renheden af ​​en nanopartikelblanding, " sagde Jin.

I det nuværende arbejde, Jin og Qian stræber efter at forvandle deres 50/50 blanding af højre- og venstrehåndede isomerer til en ren opløsning af den ene eller den anden.