Elektronmikroskopi "kartor" av oktaedriska guld nanopartiklar omgivna av kubiska silverskal. Att fästa en biomolekyl (t.ex. DNA) till dessa nanopartiklar stärker en signal som representerar en skillnad mellan vänster- och högerhänta molekylers svar på ljus med 100 gånger, och skjuter den mot det synliga området för det elektromagnetiska spektrumet.
(Phys.org) —I kemiska reaktioner, vänster och höger kan göra stor skillnad. En "vänsterhänt" molekyl med en viss kemisk sammansättning kan vara ett effektivt läkemedel, medan dess spegelvända "högerhänta" motsvarighet kan vara helt inaktiv. Det är för att, i biologi, "vänster" och "höger" molekylära konstruktioner är avgörande:Levande organismer tillverkas endast av vänsterhänta aminosyror. Så att skilja de två isär är viktigt – men svårt.
Nu, ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och Ohio University har utvecklat en ny, enklare sätt att urskilja molekylär handenhet, känd som kiralitet. De använde guld-och-silver kubiska nanopartiklar för att förstärka skillnaden i vänster- och högerhänta molekylers svar på en viss typ av ljus. Studien, beskrivs i journalen Nanobokstäver , ger grunden för ett nytt sätt att undersöka effekterna av handedness i molekylära interaktioner med oöverträffad känslighet.
"Vår upptäckt och metoder baserade på denna forskning kan vara extremt användbara för att karakterisera biomolekylära interaktioner med läkemedel, sondera proteinveckning, och i andra applikationer där stereometriska egenskaper är viktiga, sa Oleg Gang, en forskare vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials och huvudförfattare på tidningen. "Vi skulle kunna använda samma tillvägagångssätt för att övervaka konformationsförändringar i biomolekyler under varierande miljöförhållanden, såsom temperatur - och även att tillverka nanoobjekt som uppvisar ett kiralt svar på ljus, som sedan skulle kunna användas som nya sorters nanosensorer."
Forskarna visste att vänster- och högerhänta kirala molekyler skulle interagera annorlunda med "cirkulärt polariserat" ljus - där det elektriska fältets riktning roterar runt strålens axel. Denna idé liknar hur polariserade solglasögon filtrerar bort reflekterad bländning till skillnad från vanliga linser.
Andra forskare har upptäckt denna skillnad, kallad "cirkulär dikroism, " i organiska molekylers spektroskopiska "fingeravtryck" — detaljerade kartor över våglängderna av ljus som absorberas eller reflekteras av provet. Men för de flesta kirala biomolekyler och många organiska molekyler, denna "CD"-signal är i det ultravioletta området av det elektromagnetiska spektrumet, och signalen är ofta svag. Testerna kräver således betydande mängder material vid opraktiskt höga koncentrationer.
Teamet uppmuntrades att de kan hitta ett sätt att förstärka signalen genom nyligen genomförda experiment som visar att koppling av vissa molekyler med metalliska nanopartiklar avsevärt kan öka deras reaktion på ljus. Teoretiskt arbete antydde till och med att dessa så kallade plasmoniska partiklar – som inducerar en kollektiv oscillation av materialets ledande elektroner, vilket leder till starkare absorption av en viss våglängd - kan stöta signalen in i den synliga ljusdelen av det spektroskopiska fingeravtrycket, där det skulle vara lättare att mäta.
Gruppen experimenterade med olika former och sammansättningar av nanopartiklar, och fann att kuber med ett guldcentrum omgivna av ett silverskal inte bara kan visa en kiral optisk signal i det nästan synliga området, men ännu mer slående, var effektiva signalförstärkare. För deras testbiomolekyl, de använde syntetiska DNA-strängar – en molekyl som de var bekanta med att använda som "lim" för att fästa ihop nanopartiklar.
När DNA fästes till de silverbelagda nanokuberna, signalen var ungefär 100 gånger starkare än den var för fritt DNA i lösningen. Det är, de kubiska nanopartiklarna gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka den optiska signalen från de kirala molekylerna (gör dem "synliga") vid 100 gånger lägre koncentrationer.
"Detta är en mycket stor optisk förstärkning i förhållande till vad som tidigare observerats, sa Fang Lu, den första författaren på tidningen.
Den observerade förstärkningen av den cirkulära dikroismsignalen är en konsekvens av interaktionen mellan de plasmoniska partiklarna och "exciton, " eller energiabsorberande, elektroner i DNA-nanokubkomplexet, förklarade forskarna.
"Denna forskning kan fungera som en lovande plattform för ultrakänslig avkänning av kirala molekyler och deras transformationer i syntetiska, biomedicinska, och farmaceutiska tillämpningar, " sa Lu.
"Dessutom, sa gänget, "vårt tillvägagångssätt erbjuder ett sätt att tillverka, via självmontering, diskreta plasmoniska nanoobjekt med ett kiralt optiskt svar från strukturellt icke-kirala nanokomponenter. Dessa kirala plasmoniska objekt kan avsevärt förbättra designen av metamaterial och nanooptik för applikationer inom energiskörd och optisk telekommunikation."
