Un equipo internacional de científicos dirigido por físicos de la Universidad de Bath ha demostrado un nuevo fenómeno óptico que tendrá importantes implicaciones potenciales en la ciencia farmacéutica, la seguridad, la ciencia forense, la ciencia ambiental, la conservación del arte y la medicina.
Las moléculas giran y vibran de formas muy específicas. Cuando la luz incide sobre ellos, rebotan y se dispersan. Por cada millón de partículas de luz (fotones), una cambia de color. Este cambio es el efecto Raman. Al recolectar muchos de estos fotones que cambian de color, se obtienen imágenes e identifican los estados de energía de las moléculas.
Sin embargo, algunas propiedades moleculares (estados energéticos) quedan ocultas por el efecto Raman. Se necesita ‘Hyper Raman’ para revelarlos y crear una imagen más completa.
hiper raman
El efecto hiperraman es un fenómeno más avanzado que el simple Raman. Esto ocurre cuando dos fotones golpean la molécula simultáneamente y luego se combinan para formar un fotón disperso que exhibe un cambio de color Raman.
Hyper-Raman puede penetrar más profundamente en el tejido vivo, lo que hace que sea menos probable que dañe las moléculas y produzca imágenes con mejor contraste (menos ruido que la autofluorescencia). Es importante destacar que, si bien los fotones hiperraman son menores que en el caso Raman, su número puede aumentar considerablemente por la presencia de pequeñas piezas de metal (nanopartículas) cerca de la molécula.
A pesar de sus importantes ventajas, hasta ahora el hiperraman no ha podido estudiar una propiedad clave que permita la vida.
Actividad óptica
En las moléculas, la quiralidad se refiere a su sentido de torsión, similar en muchos aspectos a la estructura helicoidal del ADN. Muchas biomoléculas exhiben quiralidad, incluidas proteínas, ARN, azúcares, aminoácidos, algunas vitaminas, algunos esteroides y muchos alcaloides.
La luz también puede ser quiral, y en 1979, los investigadores David L. Andrews y Thiruipah Thirunamachandran teorizaron que la luz quiral utilizada para el efecto hiper-Raman podría proporcionar información tridimensional sobre las moléculas para revelar su orientación.
Sin embargo, se esperaba que este nuevo efecto, conocido como actividad óptica hiper-Raman, fuera tan sutil que tal vez fuera imposible de medir. Los experimentadores que no lograron observar esto lucharon con la pureza de su luz gris. Además, como el efecto es tan sutil, intentaron utilizar potencias láser mayores, pero esto resultó en daños a las moléculas en estudio.
El profesor Ventislav Value, que dirigió tanto el equipo de Bath como el estudio, explicó: “Si bien los esfuerzos anteriores tenían como objetivo medir el efecto directamente de las moléculas quirales, adoptamos un enfoque indirecto.
“Usamos moléculas que no son quirales por sí mismas, pero las hicimos quirales ensamblándolas en un armazón quiral. Específicamente, ensamblamos las moléculas en pequeñas nanohélices de oro que les dan su giro (quiralidad) de manera eficiente.
“Las nanohélices de oro tienen otra ventaja muy importante: actúan como pequeñas antenas y enfocan la luz en las moléculas. Este proceso amplifica la señal hiperraman y nos ayuda a detectarla.
“Esas nanohélices no se incluyeron en el artículo teórico de 1979 y no recurrimos a ninguno de los autores originales y pioneros de este campo de investigación para que las explicaran”.
Confirmación de una teoría de 45 años
Andrews, profesor emérito de la Universidad de East Anglia y coautor del artículo, dijo: “Es fantástico ver que este trabajo finalmente confirma nuestra predicción teórica después de todos estos años. ¿Cuál es la experiencia?
Este nuevo efecto podría ayudar a analizar la composición de los productos farmacéuticos y controlar su calidad. Puede ayudar a identificar la autenticidad del producto y revelar falsificaciones. También se puede utilizar para identificar drogas ilegales y explosivos en aduanas o escenas del crimen.
Ayudará a detectar contaminación en muestras ambientales del aire, el agua y el suelo. Puede revelar la estructura de los pigmentos en el arte con fines de preservación y restauración, y probablemente encontrará aplicaciones clínicas para el diagnóstico clínico mediante la detección de cambios moleculares causados por enfermedades.
El profesor Value dijo: “Este trabajo de investigación ha sido una colaboración entre la teoría química y la física experimental durante décadas y entre académicos en todas las etapas, 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 mecanismo 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 hace investigaciones La financiación fue proporcionada por la Royal Society, el Leverhulme Trust y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC).
