(Phys.org) —En kombination av nanoteknik och en unik vridningsegenskap hos ljus kan leda till nya metoder för att säkerställa renheten och säkerheten hos läkemedel.
Ett direkt samband mellan det sätt på vilket ljus vrids av strukturer i nanoskala och det olinjära sättet på vilket det interagerar med materia skulle kunna användas för att säkerställa större renhet för läkemedel, gör det möjligt att identifiera "onda tvillingar" av droger med mycket större känslighet.
Forskare från University of Cambridge har använt detta förhållande, i kombination med kraftfulla lasrar och nanomönstrade guldytor, att föreslå en avkänningsmekanism som skulle kunna användas för att identifiera högerhänta och vänsterhänta versioner av molekyler.
Vissa molekyler är symmetriska, så deras spegelbild är en exakt kopia. Dock, de flesta molekyler i naturen har en spegelbild som skiljer sig åt - försök att sätta en vänsterhänt handske på din högra hand så ser du att dina händer inte går att flytta på varandra. Molekyler vars spegelbilder visar denna typ av "händighet" är kända som kirala.
En molekyls kiralitet påverkar hur den interagerar med sin omgivning, och olika kirala former av samma molekyl kan ha helt olika effekter. Det kanske mest kända exemplet på detta är Thalidomide, som skrevs ut till gravida kvinnor på 1950- och 1960-talen. En kiral form av Thalidomide fungerade som en effektiv behandling mot illamående på morgonen i tidig graviditet, medan den andra formen, som en "ond tvilling", förhindrade korrekt tillväxt av fostret. Läkemedlet som ordinerades till patienter, var en blandning av båda formerna, vilket resulterar i mer än 10, 000 barn världen över föds med allvarliga fosterskador, såsom förkortade eller saknade lemmar.
När man utvecklar nya läkemedel, att identifiera den korrekta kirala formen är avgörande. Specifika molekyler binder till specifika receptorer, så att säkerställa att den korrekta kirala formen finns bestämmer renheten och effektiviteten hos slutprodukten. Dock, svårigheten med att uppnå kiral renhet är att vanligtvis syntetiseras båda formerna i lika stora mängder.
Forskare från University of Cambridge har designat en ny typ av avkänningsmekanism, kombinerar en unik vridningsegenskap hos ljus med frekvensfördubbling för att identifiera olika kirala former av molekyler med extremt hög känslighet, vilket skulle kunna vara användbart vid utvecklingen av nya läkemedel. Resultaten publiceras i tidskriften Avancerade material .
Avkänningsmekanismen, designad av Dr Ventsislav Valev och professor Jeremy Baumberg från Cavendish Laboratory, i samarbete med kollegor från Storbritannien och utomlands, använder en nanomönstrad guldyta i kombination med kraftfulla lasrar.
För närvarande, olika kirala former av molekyler detekteras genom att använda strålar av polariserat ljus. Sättet på vilket ljuset vrids av molekylerna resulterar i kirotiska effekter, som vanligtvis är mycket svaga. Men genom att använda kraftfulla lasrar, andra harmoniska generationens (SHG) chiroptiska effekter uppstår, som vanligtvis är tre storleksordningar starkare. SHG är en kvantmekanisk process där två röda fotoner kan förintas för att skapa en blå foton, skapar blått ljus från rött.
Nyligen, ett annat stort steg mot att öka chiroptiska effekter kom från utvecklingen av superkiralt ljus – en supersnurrig form av ljus.
Forskarna identifierade en direkt koppling mellan de grundläggande ekvationerna för superkiralt ljus och SHG, vilket skulle möjliggöra ännu starkare kirotiska effekter. Att kombinera superkiralt ljus och SHG kan ge rekordartade effekter, vilket skulle resultera i mycket hög känslighet för att mäta den kirala renheten hos läkemedel.
Forskarna använde också små guldstrukturer, känd som plasmoniska nanostrukturer, för att fokusera ljusstrålarna. Precis som en glaslins kan användas för att fokusera solljus till en viss plats, dessa plasmoniska nanostrukturer koncentrerar inkommande ljus till hotspots på deras yta, där de optiska fälten blir enorma. På grund av förekomsten av optiska fältvariationer, det är i dessa hotspots som superkiralt ljus och SHG kombinerar sina effekter.
"Genom att använda nanostrukturer, lasrar och ljusets unika vridningsegenskap, vi kunde selektivt förstöra den oönskade formen av molekylen, medan du lämnar den önskade formen opåverkad, sade Dr Valev. Tillsammans, dessa tekniker kan hjälpa till att säkerställa att nya läkemedel är säkra och rena."
