Στριφτό λέιζερ ξεχωρίζει «καθρεφτικά» μόρια από τα θραύσματά τους

Μια νέα οπτική μέθοδος για τη διάκριση των λεγόμενων χειρόμορφων μορίων —μορίων που υπάρχουν σε δύο μορφές που μοιάζουν σαν το αριστερό με το δεξί χέρι— παρουσιάζουν ερευνητές από το Tata Institute of Fundamental Research, το Indian Institute of Technology Bombay και το Indian Institute of Technology Hyderabad. Στη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances, δείχνουν ότι το φως μπορεί να «διαμορφωθεί» ώστε να στρίβει καθώς ταξιδεύει και, όταν αλληλεπιδρά με τέτοια μόρια, το αποτέλεσμα εξαρτάται από το πώς η «στρέψη» του φωτός ταιριάζει με την εγγενή δεξιοστροφία ή αριστεροστροφία του μορίου.

Γιατί είναι δύσκολη η διάκριση των «καθρεφτικών» μορίων

Πολλά μόρια υπάρχουν σε δύο κατοπτρικές μορφές που φαίνονται πανομοιότυπες, αλλά μπορούν να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά — κάτι ιδιαίτερα κρίσιμο στα βιολογικά συστήματα και στα φαρμακευτικά προϊόντα. Η διάκριση αυτών των εναντιομερών αποτελεί ένα μακροχρόνιο πρόβλημα για την επιστήμη και την τεχνολογία. Οι ίδιοι οι ερευνητές χρησιμοποιούν την εικόνα της βίδας και του παξιμαδιού: μια δεξιόστροφη βίδα ταιριάζει μόνο σε δεξιόστροφο σπείρωμα, ενώ μια αριστερόστροφη δεν «πιάνει» σωστά.

Το ίδιο το φως, δείχνει η εργασία, μπορεί να μηχανικευθεί ώστε να λειτουργεί σαν μια τέτοια «σπειρωτή» ανιχνευτική δέσμη, αλληλεπιδρώντας επιλεκτικά με τα μόρια ανάλογα με τη χειρομορφία τους.

Το πείραμα με την καμφορά στο Hyderabad

Στα πειράματα, που έγιναν στην εγκατάσταση λέιζερ του TIFR στο Hyderabad, εξαιρετικά σύντομοι παλμοί λέιζερ —διάρκειας μερικών εκατοντάδων femtoseconds— με ελεγχόμενο spin και στρέψη κατευθύνθηκαν σε αέρια δείγματα R- ή S-καμφοράς, ενός γνωστού χειρόμορφου μορίου. Η αλληλεπίδραση προκάλεσε τη διάσπαση των μορίων σε φορτισμένα θραύσματα, τα οποία στη συνέχεια αναλύθηκαν με φασματογράφο μάζας χρόνου πτήσης. Το όργανο αυτό μετρά πόσο γρήγορα ταξιδεύουν τα ιόντα προς έναν ανιχνευτή, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της μάζας τους — τα ελαφρύτερα ιόντα φτάνουν ταχύτερα.

Η καθοριστική παρατήρηση ήταν ότι ο αριθμός των παραγόμενων θραυσμάτων εξαρτιόταν από τον συνδυασμό της στρέψης του φωτός και της χειρομορφίας του μορίου. Συγκρίνοντας απλώς αυτούς τους αριθμούς θραυσμάτων, κατέστη δυνατή η διάκριση μεταξύ των κατοπτρικών μορφών.

Μια πιο απλή ανάγνωση της χειρομορφίας

Οι παραδοσιακές τεχνικές ανίχνευσης της χειρομορφίας συχνά στηρίζονται στη μέτρηση πολύ μικρών διαφορών στον τρόπο που τα μόρια απορροφούν το φως ή στην παρακολούθηση της γωνιακής κατανομής των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων· και τα δύο μπορούν να απαιτούν σύνθετες διατάξεις και προσεκτική ευθυγράμμιση. Η νέα προσέγγιση, αντιθέτως, διαβάζει τη χειρομορφία απευθείας από τα σήματα ιόντων, χωρίς ανάγκη για γωνιακές μετρήσεις ή ανίχνευση σε σύμπτωση. Αυτό, σύμφωνα με τους ερευνητές, απλοποιεί τις πειραματικές απαιτήσεις ενισχύοντας ταυτόχρονα την ευαισθησία της μέτρησης.

Σημαντικό στοιχείο είναι ότι η μελέτη εξετάζει τα μόρια στην αέρια φάση, όπου είναι απομονωμένα από εξωτερικές επιδράσεις όπως διαλύτες ή επιφάνειες. Έτσι, η εγγενής αλληλεπίδραση φωτός και μοριακής δομής παρατηρείται πιο άμεσα, ενώ η χρήση δομημένου φωτός ενισχύει περαιτέρω την αλληλεπίδραση, παράγοντας ισχυρότερες διαφορές μεταξύ των εναντιομερών από όσες συνήθως προκύπτουν με τις συμβατικές οπτικές μεθόδους.

Τι μπορεί να σημαίνει για τη χημεία και τα φάρμακα

Τα ευρήματα υποδεικνύουν έναν νέο τρόπο να «ταιριάξουν τα σπειρώματα» μεταξύ φωτός και ύλης, χρησιμοποιώντας στριφτές δέσμες λέιζερ ως ανιχνευτές της μοριακής χειρομορφίας. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι η ταυτοποίηση του σωστού εναντιομερούς —μια διαδικασία που είναι συχνά κρίσιμη στη χημεία, τη βιολογία και τη φαρμακευτική επιστήμη— θα μπορούσε να γίνεται με απλούστερες διατάξεις. Στον φαρμακευτικό τομέα, όπου η μία κατοπτρική μορφή μιας ουσίας μπορεί να είναι θεραπευτική και η άλλη ανενεργή ή ανεπιθύμητη, μια πιο άμεση και ευαίσθητη μέθοδος ανίχνευσης έχει προφανή αξία.

Πιστεύετε ότι τέτοιες οπτικές μέθοδοι μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο ελέγχου των φαρμάκων; Μοιραστείτε τη γνώμη σας στα σχόλια.