SciTechDaily

ניקולס

תיאוריה בת 45 שנה אושרה: פיזיקאים שופכים אור חדש על מצבי האנרגיה ה"בלתי נראית" של מולקולות

ייצוג אמנותי של פעילות אופטית היפר-ראמאן: אור מעוות (סלילים אדומים) המתרחש על מולקולות המסודרות על פיגום סליל (נקודות לבנות) מייצרים ספקטרום פיזור היפר-ראמאן (כתמי אור רב-צבעוניים) המבטאים 'כיראליות' (כתמים בדפוסים ספירליים ושבורים מַרְאָה). קרדיט: ונסיסלב ואלב וקיליאן ואלב

צוות של מדענים מאוניברסיטת באת' בבריטניה גילה שיטה להשתמש בחלקיקי אור כדי לחשוף את מצבי האנרגיה החבויים של מולקולות.

צוות בינלאומי של מדענים, בראשות פיזיקאים מאוניברסיטת באת', הדגים תופעה אופטית חדשה שעלולה להשפיע באופן משמעותי על תחומים שונים, כולל מדע התרופות, אבטחה, זיהוי פלילי, מדעי הסביבה, שימור אמנות ורפואה.

מולקולות מסתובבות ורוטטות בדרכים מאוד ספציפיות. כשאור מאיר עליהם הוא קופץ ומתפזר. על כל מיליון חלקיקי אור (פוטונים), אחד אחד משנה את צבעו. השינוי הזה הוא אפקט רמאן. איסוף רבים מהפוטונים המשתנים בצבע מצייר תמונה של מצבי האנרגיה של מולקולות ומזהה אותם.

עם זאת, כמה מאפיינים מולקולריים (מצבי אנרגיה) אינם נראים לאפקט רמאן. כדי לחשוף אותם ולצייר תמונה שלמה יותר, יש צורך ב'היפר-ראמאן'.

היפר-ראמאן

אפקט ההיפר-ראמאן הוא תופעה מתקדמת יותר מראמן פשוט. זה מתרחש כאשר שני פוטונים משפיעים על המולקולה בו זמנית ואז מתאחדים ליצירת מפוזר יחיד פוטון שמציג שינוי צבע ראמן.

Hyper-Raman יכול לחדור עמוק יותר לתוך רקמה חיה, הוא נוטה פחות לפגוע במולקולות והוא מניב תמונות עם ניגודיות טובה יותר (פחות רעש מאוטופלואורסצנטי). חשוב לציין, בעוד שהפוטונים ההיפר-ראמאן הם אפילו פחות מאלה שבמקרה של ראמאן, מספרם יכול לגדול במידה ניכרת על ידי נוכחותם של חלקי מתכת זעירים (ננו-חלקיקים) קרובים למולקולה.

למרות יתרונותיו המשמעותיים, עד כה היפר-ראמאן לא הצליח לחקור תכונה מפתחת המאפשרת של חיים – כיראליות.

פעילות אופטית

במולקולות, כיראליות מתייחסת לתחושת הפיתול שלהן – במובנים רבים דומה למבנה הסליל של DNA. ביו-מולקולות רבות מפגינות כיראליות, כולל חלבונים, RNAסוכרים, חומצות אמינוכמה ויטמינים, כמה סטרואידים וכמה אלקלואידים.

גם אור יכול להיות כיראלי ובשנת 1979, החוקרים דיוויד ל. אנדרוז ו-Thiruiappah Thirunamachandran העלו תיאוריה שאור כיראלי המשמש לאפקט ההיפר-ראמאן יכול לספק מידע תלת-ממדי על המולקולות, כדי לחשוף את הכיריאליות שלהן.

עם זאת, האפקט החדש הזה – המכונה פעילות אופטית היפר-ראמאן – היה צפוי להיות עדין מאוד, אולי אפילו בלתי אפשרי למדוד. ניסויים שלא הצליחו להתבונן בו נאבקו בטוהר האור הכירלי שלהם. יתרה מכך, מכיוון שהאפקט עדין מאוד, הם ניסו להשתמש בכוחות לייזר גדולים, אך זה בסופו של דבר גרם נזק למולקולות שנחקרו.

בהסבר, פרופסור ונסיסלב ואלב, שהוביל הן את צוות האמבט והן את המחקר, אמר: "בעוד שניסיונות קודמים נועדו למדוד את ההשפעה ישירות ממולקולות כיראליות, נקטנו בגישה עקיפה. השתמשנו במולקולות שאינן כיראליות בפני עצמן, אך הפכנו אותן לכיראליות על ידי הרכבתן על פיגום כירלי. באופן ספציפי, הפקדנו מולקולות על ננו-הליצי זהב זעירים שהעניקו למעשה את הטוויסט (הכיראליות) שלהם למולקולות. לננוסלי הזהב יש יתרון משמעותי נוסף – הם משמשים כאנטנות זעירות וממקדים אור אל מולקולות. תהליך זה מגביר את האות ההיפר-ראמאן ועזר לנו לזהות אותו. ננו-הליקים כאלה לא הופיעו במאמר התיאוריה משנת 1979, וכדי לתת עליהם את הדעת פנינו ללא אחר מאשר אחד המחברים המקוריים וחלוצי תחום המחקר הזה".

מאשר תיאוריה בת 45 שנים

פרופסור אמריטוס אנדרוז מאוניברסיטת מזרח אנגליה ומחבר שותף של המאמר אמר: "זה מאוד משמח לראות את העבודה הזו, הניסוי מאשר סוף סוף את התחזית התיאורטית שלנו, אחרי כל השנים האלה. הצוות מבאת' ביצע ניסוי יוצא מן הכלל".

אפקט חדש זה יכול לשמש לניתוח הרכב התרופות ולבקרת איכותם. זה יכול לעזור לזהות את האותנטיות של מוצרים ולחשוף זיופים. זה יכול לשמש גם לזיהוי סמים וחומרי נפץ בלתי חוקיים במכס או בזירות פשע.

זה יסייע באיתור מזהמים בדגימות סביבתיות מאוויר, מים ואדמה. זה יכול לחשוף את הרכב הפיגמנטים באמנות למטרות שימור ושיקום, וסביר להניח שהוא ימצא יישומים קליניים לאבחון רפואי על ידי זיהוי שינויים מולקולריים שנגרמו ממחלה.

פרופסור ולב אמר: "עבודת המחקר הזו הייתה שיתוף פעולה בין תיאוריה כימית לפיזיקה ניסויית לאורך עשורים רבים ולרוחב אקדמאים בכל השלבים – מסטודנט לתואר שלישי ועד פרופסור אמריטוס. אנו מקווים שזה יהווה השראה למדענים אחרים ושזה יגביר את המודעות לכך שהקדמה מדעית נמשכת לעתים קרובות עשורים רבים".

במבט קדימה הוא הוסיף: "התצפית שלנו היא התצפית הראשונה במנגנון פיזי בסיסי. יש עוד דרך ארוכה עד שניתן יהיה ליישם את האפקט ככלי אנליטי סטנדרטי שמדען אחר יכול לאמץ. אנו מצפים למסע, יחד עם משתפי הפעולה שלנו מ-Renishaw PLC, יצרנית בעלת שם עולמי של ספקטרומטרים של ראמאן".

ד"ר רובין ג'ונס, המחבר הראשון של מאמר המחקר החדש וסטודנט לתואר שלישי ב-Bath עד לאחרונה, אמר: "ביצוע הניסויים שהראו את אפקט הפעילות האופטית ההיפר-ראמאן היה החוויה האקדמית המתגמלת ביותר שלי. בדיעבד, נראה שכמעט כל שלב בדוקטורט שלי היה כמו חלק מהפאזל שנפל במקום כדי להשיג את התצפית".

המחקר מומן על ידי החברה המלכותית, ה-Leverhulme Trust, ומועצת המחקר להנדסה ומדעי הפיזיקה (EPSRC).

ניקולס