Теперь группа ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Огайо разработала новый, более простой способ распознавания молекулярной направленности, известный как хиральность. Они использовали кубические наночастицы золота и серебра, чтобы усилить разницу в реакции левых и правых молекул на определенный вид света. Исследование, описанное в журнале Nano Letters, обеспечивает основу для нового способа исследовать эффекты хиральности в молекулярных взаимодействиях с беспрецедентной чувствительностью.«Наше открытие и методы, основанные на этом исследовании, могут быть чрезвычайно полезны для характеристики биомолекулярных взаимодействий с лекарствами, исследования сворачивания белков и в других приложениях, где важны стереометрические свойства», — сказал Олег Ганг, исследователь из Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов. ведущий автор статьи. «Мы могли бы использовать тот же подход для мониторинга конформационных изменений в биомолекулах в различных условиях окружающей среды, таких как температура, а также для изготовления нанообъектов, которые проявляют хиральный отклик на свет, которые затем можно было бы использовать в качестве новых видов наноразмерных сенсоров».
Ученые знали, что левосторонние и правосторонние киральные молекулы будут по-разному взаимодействовать с "циркулярно поляризованным" светом, когда направление электрического поля вращается вокруг оси луча. Эта идея похожа на то, как поляризованные солнцезащитные очки отфильтровывают отраженные блики в отличие от обычных линз.Другие ученые обнаружили это различие, называемое «круговым дихроизмом», в спектроскопических «отпечатках пальцев» органических молекул — подробных картах длин волн света, поглощенного или отраженного образцом.
Но для большинства хиральных биомолекул и многих органических молекул этот сигнал «CD» находится в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного спектра, и этот сигнал часто бывает слабым. Таким образом, испытания требуют значительных количеств материала в практически невысоких концентрациях.Команда была воодушевлена тем, что они могут найти способ усилить сигнал с помощью недавних экспериментов, показывающих, что соединение определенных молекул с металлическими наночастицами может значительно увеличить их реакцию на свет (см.
Http://www.bnl.gov/newsroom/news.php? а = 11157). Теоретическая работа даже предполагала, что эти так называемые плазмонные частицы, которые вызывают коллективные колебания проводящих электронов материала, приводящие к более сильному поглощению определенной длины волны, могут направлять сигнал в видимую световую часть спектроскопического отпечатка пальца, где он будет легче измерить.Группа экспериментировала с различными формами и составами наночастиц и обнаружила, что кубы с золотым центром, окруженные серебряной оболочкой, не только способны показывать хиральный оптический сигнал в почти видимом диапазоне, но, что еще более поразительно, являются эффективными усилителями сигнала. . Для своей тестовой биомолекулы они использовали синтетические нити ДНК — молекулу, которую они использовали в качестве «клея» для склеивания наночастиц.
Когда ДНК была прикреплена к покрытым серебром нанокубикам, сигнал был примерно в 100 раз сильнее, чем для свободной ДНК в растворе. То есть кубические наночастицы позволили ученым обнаружить оптический сигнал от хиральных молекул (что сделало их «видимыми») при более низких концентрациях в 100 раз.«Это очень большое оптическое усиление по сравнению с тем, что наблюдалось ранее», — сказал Фанг Лу, первый автор статьи.Ученые объяснили, что наблюдаемое усиление сигнала кругового дихроизма является следствием взаимодействия между плазмонными частицами и «экситонными» электронами, поглощающими энергию, внутри комплекса ДНК-нанокубик.
«Это исследование может служить многообещающей платформой для сверхчувствительного определения хиральных молекул и их превращений в синтетических, биомедицинских и фармацевтических приложениях», — сказал Лу.«Кроме того, — сказал Ганг, — наш подход предлагает способ изготовления посредством самосборки дискретных плазмонных нанообъектов с хиральным оптическим откликом из структурно нехиральных нанокомпонентов.
Эти хиральные плазмонные объекты могут значительно улучшить конструкцию. метаматериалов и нанооптики для приложений в области сбора энергии и оптических телекоммуникаций ».Это исследование проводилось в Центре функциональных наноматериалов и финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США и Национальным научным фондом.