Carnegie Mellon Universitys Roberto R. Gil och Rongchao Jin har framgångsrikt använt NMR för att analysera strukturen hos oändliga guldnanopartiklar, vilket kan främja utvecklingen och användningen av de små partiklarna vid läkemedelsutveckling.

Deras tillvägagångssätt erbjuder en betydande fördel jämfört med rutinmetoder för att analysera guldnanopartiklar eftersom det kan avgöra om nanopartiklarna finns i en både högerhänt och vänsterhänt konfiguration, ett fenomen som kallas kiralitet. Att bestämma en nanopartikels kiralitet är ett viktigt steg mot att utveckla dem som kirala katalysatorer - verktyg som är mycket eftertraktade av läkemedelsindustrin. Deras resultat publiceras online på ACS Nano .

Många läkemedel på marknaden idag innehåller minst en molekyl som är kiral. Ofta bara en av konfigurationerna, eller isomerer, är effektivt i kroppen. I vissa fall, den andra isomeren kan till och med vara skadlig. Ett slående exempel är läkemedlet talidomid, som bestod av två isomerer:den ena hjälpte gravida kvinnor att kontrollera illamående medan den andra orsakade skador på det utvecklande fostret. I ett försök att skapa säkrare, mer effektiva läkemedel, läkemedelsproducenter letar efter sätt att producera renare ämnen som endast innehåller vänster- eller högerhänt isomer.

Huifeng Qian, en fjärdeårs doktorand som arbetar med Jin, skapat en guldnanopartikel som har potential att katalysera kemiska reaktioner som kommer att producera en isomer snarare än den andra. Nanopartikeln består av exakt 38 ​​guldatomer och mäter bara 1,4 nanometer. Qian arbetade flitigt i nästan ett år för att odla nanopartiklarna till högkvalitativa kristaller så att han kunde studera deras struktur med hjälp av röntgenkristallografi.

"Att odla en ren kristall från nanopartiklar är mycket utmanande, och du kanske inte ens kan få en kristall alls, sa Jin, en biträdande professor i kemi vid CMU:s Mellon College of Science. "I nanopartikelsamhället, kristallstrukturerna för endast tre nanopartiklar har rapporterats. "

I Jins fall, röntgenkristallografi avslöjade att guldnanopartikeln är kiral. Kemister undersöker vanligtvis den interna kirala strukturen hos guldnanopartiklar med en teknik som kallas cirkulär dikoispektroskopi. När rena kirala molekyler utsätts för cirkulärt polariserat ljus, varje isomer absorberar ljuset på olika sätt, vilket resulterar i ett unikt - och med motsatt tecken - spektrum för varje isomer. Processen att skapa guld nanopartiklar, dock, resulterar ofta i en 50/50-blandning av varje isomer, kända som racemater.

"Eftersom spektrumet har motsatt tecken för varje isomer, de tar bort varandra och den optiska nettoresponsen är noll. Detta gör cirkulär dikoism (CD) spektroskopi värdelös när det gäller att bestämma kiraliteten hos guldnanopartiklar i 50/50-blandningar, sa Gil, docent i kemi och chef för Institutionen för kemi NMR -anläggning.

Eftersom Jin inte kunde använda cirkulär dikoismspektroskopi, Gil kunde använda NMR för att hjälpa Jin att skilja mellan hans guld-nanopartiklar vänster- och högerhänt isomerer.

NMR -spektroskopi drar fördel av det fysiska fenomenet där vissa kärnor vinglar och snurrar som toppar, sänder ut och absorberar en radiofrekvenssignal i ett magnetfält. Genom att observera beteendet hos dessa snurrande kärnor, forskare kan pussla ihop den kemiska strukturen av föreningen.

1957, forskare observerade att väteatomerna i en fritt roterande metylengrupp (CH2) producerade två olika frekvenser om de var nära ett kiralt centrum. Jins guld nanopartiklar, som har en kiral kärna, är dämpade av flera kemiska grupper, inklusive fritt roterande metylengrupper. Gil resonerade att nanopartiklarnas kirala kärna borde få metylengruppens två väteatomer att avge olika frekvenser, ett fenomen som kallas diastereotopicitet.

Gil och Jin jämförde NMR-signalen från väteatomerna i en icke-kiral guldnanopartikel med NMR-signalen från väteatomerna i kiral guldnanopartikel. Den icke-kirala nanopartikelns NMR-spektrum avslöjade inga skillnader, men den kirala nanopartikelns NMR -spektrum avslöjade två olika vätesignaler, tillhandahålla ett enkelt och effektivt sätt att avgöra om partikeln är kiral eller inte, även för en 50/50-blandning av isomerer.

"NMR är en alternativ - och mycket effektiv - metod för att ge användbar information om hur atomerna i nanopartiklar bildar molekylstrukturen. Eftersom NMR kan bestämma kiralitet i vissa fall, den kan lätt användas för att bestämma renheten hos en nanopartikelblandning, " sa Jin.

I nuvarande arbete, Jin och Qian strävar efter att förvandla sin 50/50-blandning av höger- och vänsterhänta isomerer till en ren lösning av det ena eller det andra.