Forskere afslører mekanisme til at skaffe metal nanoskruer

Anført af den Ikerbasque professor Luis Liz-Marzán, forskere ved Center for kooperativ forskning i biomaterialer CIC biomaGUNE har udviklet en mekanisme, hvormed guldatomer deponeres ved hjælp af kemisk reduktion på tidligere dannede guldnanoroder for at producere en kvasi-helikoid struktur (partiklerne opnår kiralitet). Denne geometri gør det muligt for disse "nanoskruer" at interagere med cirkulært polariseret lys meget mere effektivt end hvad der opnås med noget andet kendt objekt. Disse egenskaber kan føre til påvisning af biomolekyler på en meget selektiv og meget følsom måde. Det, vi har her, er en alsidig, reproducerbar mekanisme, der er skalerbar til fremstilling af nanopartikler med stærk kiral optisk aktivitet. Denne forskning er blevet offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Videnskab .

Der er mange felter, hvor interaktionen mellem lys og materiale bruges til at opdage stoffer. I bund og grund, lys skinner på materialet og absorberes eller reflekteres enten meget klart eller meget selektivt, afhængigt af partikelens størrelse og geometri og typen af ​​indfaldende lys. Forskningsgruppen ledet af Luis Liz-Marzán, som arbejder inden for området kendt som nanoplasmonik, bruger nanopartikler af ædle metaller, såsom guld eller sølv, "fordi lys interagerer på en særlig måde med partikler af denne type og størrelse, "forklarede Liz-Marzán, Videnskabelig direktør for CIC biomaGUNE. "I dette tilfælde, vi studerede interaktionen mellem disse kirale guldnanopartikler og cirkulært polariseret lys. "

Lys er normalt ikke polariseret, med andre ord, bølgerne ekspanderer i næsten enhver retning inden for lysstrålen. "Når det er polariseret, bølgen går kun i en retning; når den er cirkulært polariseret, roterer bølgen, enten med eller mod uret, "tilføjede forskeren." Kirale stoffer har en tendens til at absorbere lys med en specifik cirkulær polarisering, frem for lys polariseret i den modsatte retning. "

Kiralitet er et fænomen, der forekommer på alle skalaer:et kiralt objekt kan ikke have sit spejlbillede overlejret på det; for eksempel, den ene hånd er spejlbilledet af den anden, de er identiske, men hvis den ene er lagt oven på den anden, fingrenes position falder ikke sammen. Det samme sker "i nogle biomolekyler; og det faktum, at et molekyle ikke kan overlejres på sit spejlbillede, giver anledning til mange biologiske processer. F.eks. nogle sygdomme opstår på grund af tabet af anerkendelse af en af ​​de to former for det kirale stof, der er ansvarlig for en bestemt handling, "sagde Liz-Marzán.

Tredimensionel fremstilling på et nanometrisk objekt

Som den Ikerbasque professor forklarede, "hvad vi har gjort er at kigge efter en mekanisme til at styre aflejringen af ​​guldatomer på nanopartikler fremstillet på forhånd i form af en stang, så disse atomer afsættes i henhold til en praktisk talt helikoid struktur, en slags 'nanoskrue. "På den måde får partiklen selv en kiral geometri. Denne nye strategi er baseret på en supramolekylær kemisk mekanisme, med andre ord, på strukturer opnået gennem molekyler, der forbinder hinanden uden at danne kemiske bindinger. "Liz-Marzán hævder, at" dette virkelig betyder at være i stand til at kontrollere materialets struktur på en nanometrisk skala, men inde i en og samme nanopartikel; med andre ord, det involverer tredimensionel fremstilling oven på et nanometrisk objekt. Faktisk er det er næsten som at beslutte, hvor de skal placeres atom for atom for at opnå en struktur, der virkelig er kompliceret. "

For at få disse nanopartikler til at vokse, "de cylindriske partikler er omgivet af sæbemolekyler, af et overfladeaktivt stof. Midt i de almindelige sæbemolekyler har vi placeret additiver med molekylær chiralitet, så den supramolekylære interaktion får dem til at blive organiseret på metalstangens overflade med en næsten helikoid struktur, på sin side styrer metalets vækst med den samme struktur, der giver det den kiralitet, vi søger. Som resultat, vi kan praktisk talt opnå de største effektiviteter, der nogensinde er opnået i spektrometrisk detektion med cirkulært polariseret lys. "

Liz-Marzán bekræftede, at processen kan generaliseres til andre typer materialer:"Vi har set, at når den samme strategi anvendes, platinatomer kan deponeres på guldnanoroder med samme helikoidformede struktur. A whole host of possibilities is thus opened up both in applications of their optical properties and in others in the field of catalysis (platinum is a very efficient catalyst). På samme tid, it could lead to a huge improvement in the synthesis of chiral molecules that would be of biological and therapeutic importance." This mechanism could also be applied to new biomedical imaging techniques, for the manufacture of sensors, etc. "We believe that this work is going to open up many paths for other researchers precisely because of the generalization of the mechanism that can be used with many different molecules. A lot of work lies ahead, " han sagde.

The research was conducted and coordinated by CIC biomaGUNE, but they had the collaboration of research groups from other organizations. These include the Complutense University of Madrid (computer calculations showing the formation of the helicoidal structures when the two types of surfactants are blended), the University of Vigo and the University of Extremadura (theoretical calculations of the optical properties of the particles), and the University of Antwerp (obtaining of three-dimensional electron microscopy images and the animated reconstructions of the particles fabricated).

Mapping nano chirality in three dimensions

Essential to understanding the behavior of these complex nanoparticle assemblies is to intimately understand their structure. When handling such intricate three-dimensional morphologies, imaging in two dimensions simply will not do. The EMAT team lead by Prof. Sara Bals at the University of Antwerp is the world leading electron microscopy group for imaging nanoparticles in three dimensions. By taking a series of two-dimensional images collected at many viewing angles they can be combined with specially designed computer code to generate a three-dimensional representation of the particle. This is the so-called transmission electron tomography method, which is an essential tool in nanoscience, helping researchers from around the world to visualize nanoparticles and understand their structure and how they are formed.

The EMAT team has gone one step further to understand the origin of the chiral properties these unprecedented nanorods display. By developing a method to study the three-dimensional periodicity of the individual particles using a 3-D Fast Fourier Transform on the tomography previously obtained, repetitive patterns have been discovered in the structure. "The nanoparticles appeared to show a long-range chiral structure, but how can we identify this in a meaningful way to understand the nanoparticle's properties?" asks Prof. Bals. By mapping the periodic structure using this technique, a characteristic X-shape appeared within the 3-D FFT pattern. Scientists have seen this characteristic fingerprint before; in the revolutionary X-ray diffraction experiment leading to the discovery of the most known chiral structure—our DNA.

Using that characteristic pattern as an input, regions in the reconstruction with helicoidal features were identified. Ud over, "Our developed technique not only allows us to identify a chiral structure, but can also tell us the chiral handedness of each individual nanoparticle, " says Prof. Bals.

The preparation and characterization of such complex chiral nanoparticles is an important step in reaching a key scientific milestone. It was once believed that the complexity of biological superstructures could not be artificially prepared. Imidlertid, with increasing understanding of nanostructure design and growth, scientists can prepare atom-by-atom designed materials that are tailor-made for a desired application, and in doing so—continuously push the frontier of material design.