Un equipo internacional de científicos dirigido por físicos de la Universidad de Bath ha demostrado un nuevo fenómeno óptico, con importantes implicaciones potenciales en la ciencia farmacéutica, la seguridad, la ciencia forense, la ciencia ambiental, la conservación industrial y la medicina.
Las moléculas giran y vibran de formas muy específicas. Cuando la luz incide sobre ellos, rebota y se dispersa. Por cada millón de partículas de luz (fotones), una cambia de color. Este cambio es el efecto Raman. La recolección de muchos de estos fotones que cambian de color crea una imagen del estado energético de la molécula y los identifica.
Sin embargo, algunas propiedades moleculares (estados energéticos) son invisibles para el efecto Raman. Se necesita ‘Adhi-Raman’ para revelarlos y pintar un cuadro más completo.
Hiper-Raman
El efecto hiper-Raman es un fenómeno más avanzado que el Raman ordinario. Esto ocurre cuando dos fotones impactan la molécula simultáneamente y luego se combinan para producir un fotón disperso que exhibe un cambio de color Raman.
Hyper-Raman puede penetrar profundamente en el tejido vivo, es menos probable que dañe las moléculas y produce imágenes con mejor contraste (menos ruido de autofluorescencia). Es importante destacar que, aunque los fotones hiper-Raman son incluso menos que los del campo Raman, su número puede aumentar considerablemente por la presencia de pequeños fragmentos metálicos (nanopartículas) cerca de la molécula.
A pesar de sus importantes ventajas, hasta ahora el hiper-Raman no ha podido estudiar una propiedad activa clave de la vida: la quiralidad.
actividad visual
En las moléculas, la quiralidad se refiere a su sentido de torsión, muy parecido a la estructura helicoidal del ADN. Muchas biomoléculas exhiben clasicidad, incluidas proteínas, ARN, carbohidratos, aminoácidos, algunas vitaminas, algunos esteroides y varios alcaloides.
La luz también puede ser quiral, y en 1979, el investigador David L. Andrews y Thiruyappa Thirunamachandran teorizaron que la luz quiral utilizada para el efecto hiper-Raman podría proporcionar información tridimensional sobre las moléculas para revelar su quiralidad.
Sin embargo, se esperaba que este nuevo efecto, conocido como actividad óptica hiper-Raman, fuera muy sutil, tal vez imposible de medir. Los experimentadores que no lograron observar esto lucharon con la pureza de su luz quiral. Además, como el efecto es muy sutil, intentaron utilizar un láser de gran potencia, pero esto daña las moléculas estudiadas.
El profesor Venislav Valev, que dirigió tanto el equipo de Bath como la investigación, explicó: “Si bien los esfuerzos anteriores tenían como objetivo medir directamente el efecto de las moléculas quirales, adoptamos un enfoque indirecto.
“Empleamos moléculas que no son quirales por sí mismas, pero las hicimos quirales ensamblándolas en una estructura quiral. Específicamente, depositamos las moléculas en pequeñas nanohélices de oro que efectivamente impartieron su torsión (quiralidad) a las moléculas.
“Las nanohélices de oro tienen otra ventaja muy significativa: actúan como pequeñas antenas y enfocan la luz en las moléculas. Este proceso amplifica la señal hiper-Raman y nos ayuda a detectarla.
“Esas nanohélices no aparecieron en el artículo teórico de 1979, y recurrimos nada menos que a uno de los autores originales y pioneros en este campo de investigación para que las explicara”.
Confirmando una teoría de 45 años
Andrews, profesor emérito de la Universidad de East Anglia y coautor del artículo, afirmó: “Es muy satisfactorio ver que este trabajo finalmente ha confirmado nuestra predicción teórica después de todos estos años. El equipo de Bath ha llevado a cabo un experimento excepcional “.
Este nuevo efecto puede analizar la composición de los productos farmacéuticos y controlar su calidad. Puede ayudar a identificar la autenticidad del producto y revelar falsificaciones. También puede servir para detectar drogas ilegales y explosivos en aduanas o escenas de crímenes.
Ayudará a detectar contaminantes en muestras ambientales del aire, el agua y el suelo. Podría revelar la combinación de pigmentos en la industria con fines de conservación y restauración, y probablemente encontraría aplicaciones clínicas para el diagnóstico médico mediante la detección de cambios moleculares inducidos por enfermedades.
El profesor Valev dijo: “Este trabajo de investigación es una colaboración entre la teoría química y la física experimental que abarca muchas décadas y entre académicos de todos los niveles, desde estudiantes de doctorado hasta profesores eméritos.
“Esperamos que inspire a otros científicos y genere conciencia de que el progreso científico a menudo lleva décadas”.
De cara al futuro, añadió: “La nuestra es la primera observación de un proceso físico fundamental. Aún queda un largo camino por recorrer hasta que el efecto se implemente como una herramienta analítica estándar que otros científicos puedan adoptar.
el investigó fue financiado por la Royal Society, el Leverhulme Trust y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC).