Små nanokuber hjælper videnskabsmænd med at fortælle venstre fra højre

(Phys.org) —I kemiske reaktioner, venstre og højre kan gøre en stor forskel. Et "venstrehåndet" molekyle af en bestemt kemisk sammensætning kunne være et effektivt lægemiddel, mens dens spejlvendte "højrehåndede" modstykke kunne være fuldstændig inaktiv. Det er fordi, i biologi, "venstre" og "højre" molekylære design er afgørende:Levende organismer er kun lavet af venstrehåndede aminosyrer. Så det er vigtigt at skille de to fra hinanden - men svært.

Nu, et team af forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory og Ohio University har udviklet en ny, nemmere måde at skelne molekylær behændighed på, kendt som chiralitet. De brugte guld-og-sølv kubiske nanopartikler til at forstærke forskellen i venstre- og højrehåndede molekylers reaktion på en bestemt slags lys. Studiet, beskrevet i journalen Nanobogstaver , giver grundlaget for en ny måde at undersøge virkningerne af håndhævelse i molekylære interaktioner med hidtil uset følsomhed.

"Vores opdagelse og metoder baseret på denne forskning kan være yderst nyttige til karakterisering af biomolekylære interaktioner med lægemidler, sondering af proteinfoldning, og i andre applikationer, hvor stereometriske egenskaber er vigtige, " sagde Oleg Gang, en forsker ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials og hovedforfatter på papiret. "Vi kunne bruge den samme tilgang til at overvåge konformationelle ændringer i biomolekyler under forskellige miljøforhold, såsom temperatur - og også at fremstille nanoobjekter, der udviser en chiral reaktion på lys, som derefter kunne bruges som nye slags nanoskala-sensorer."

Forskerne vidste, at venstre- og højrehåndede chirale molekyler ville interagere forskelligt med "cirkulært polariseret" lys - hvor retningen af ​​det elektriske felt roterer rundt om strålens akse. Denne idé ligner den måde, polariserede solbriller filtrerer reflekteret genskin fra i modsætning til almindelige glas.

Andre forskere har opdaget denne forskel, kaldet "cirkulær dikroisme, " i organiske molekylers spektroskopiske "fingeraftryk" - detaljerede kort over bølgelængderne af lys absorberet eller reflekteret af prøven. Men for de fleste chirale biomolekyler og mange organiske molekyler, dette "CD"-signal er i det ultraviolette område af det elektromagnetiske spektrum, og signalet er ofte svagt. Testene kræver således betydelige mængder materiale i upraktisk høje koncentrationer.

Holdet blev opmuntret til, at de kunne finde en måde at forbedre signalet på, af nylige eksperimenter, der viser, at kobling af visse molekyler med metalliske nanopartikler i høj grad kunne øge deres reaktion på lys. Teoretisk arbejde antydede endda, at disse såkaldte plasmoniske partikler - som inducerer en kollektiv oscillation af materialets ledende elektroner, fører til stærkere absorption af en bestemt bølgelængde - kunne støde signalet ind i den synlige lys del af det spektroskopiske fingeraftryk, hvor det ville være nemmere at måle.

Gruppen eksperimenterede med forskellige former og sammensætninger af nanopartikler, og fandt ud af, at terninger med et guldcenter omgivet af en sølvskal ikke kun er i stand til at vise et chiralt optisk signal i det nær-synlige område, men endnu mere slående, var effektive signalforstærkere. For deres testbiomolekyle, de brugte syntetiske DNA-strenge - et molekyle, de var bekendt med at bruge som "lim" til at klæbe nanopartikler sammen.

Da DNA blev knyttet til de sølvbelagte nanokuber, signalet var cirka 100 gange stærkere end det var for frit DNA i opløsningen. Det er, de kubiske nanopartikler gjorde det muligt for forskerne at detektere det optiske signal fra de chirale molekyler (gør dem "synlige") ved 100 gange lavere koncentrationer.

"Dette er en meget stor optisk forstærkning i forhold til, hvad der tidligere blev observeret, " sagde Fang Lu, den første forfatter på papiret.

Den observerede forstærkning af det cirkulære dikroisme-signal er en konsekvens af interaktionen mellem de plasmoniske partikler og "exciton, " eller energiabsorberende, elektroner i DNA-nanokubekomplekset, forklarede forskerne.

"Denne forskning kunne tjene som en lovende platform for ultrafølsom sensing af chirale molekyler og deres transformationer i syntetiske, biomedicinsk, og farmaceutiske applikationer, " sagde Lu.

"Ud over, " sagde Gang, "vores tilgang tilbyder en måde at fremstille, via selvmontering, diskrete plasmoniske nano-objekter med en chiral optisk respons fra strukturelt ikke-chirale nano-komponenter. Disse chirale plasmoniske objekter kunne i høj grad forbedre designet af metamaterialer og nano-optik til applikationer inden for energihøst og optisk telekommunikation."