Roberto R. Gil en Rongchao Jin van Carnegie Mellon University hebben met succes NMR gebruikt om de structuur van oneindig kleine gouden nanodeeltjes te analyseren. die de ontwikkeling en het gebruik van de kleine deeltjes bij de ontwikkeling van geneesmiddelen zouden kunnen bevorderen.

Hun aanpak biedt een aanzienlijk voordeel ten opzichte van routinemethoden voor het analyseren van gouden nanodeeltjes, omdat het kan bepalen of de nanodeeltjes bestaan ​​in een zowel rechtshandige als linkshandige configuratie, een fenomeen dat chiraliteit wordt genoemd. Het bepalen van de chiraliteit van nanodeeltjes is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling ervan als chirale katalysatoren - hulpmiddelen die zeer gewild zijn bij de farmaceutische industrie. Hun resultaten worden online gepubliceerd op: ACS Nano .

Veel medicijnen die tegenwoordig op de markt zijn, bevatten ten minste één molecuul dat chiraal is. Vaak slechts één van de configuraties, of isomeren, is effectief in het lichaam. In sommige gevallen, de andere isomeer kan zelfs schadelijk zijn. Een sprekend voorbeeld is het medicijn thalidomide, die uit twee isomeren bestond:waarvan de ene zwangere vrouwen hielp de misselijkheid onder controle te houden, terwijl de andere schade toebracht aan de zich ontwikkelende foetus. In een poging om veiliger, effectievere medicijnen, geneesmiddelenfabrikanten zoeken naar manieren om zuiverdere stoffen te produceren die alleen de links- of rechtshandige isomeer bevatten.

Huifeng Qian, een vierdejaarsstudent die bij Jin werkt, creëerde een gouden nanodeeltje dat het potentieel heeft om chemische reacties te katalyseren die de ene isomeer zullen produceren in plaats van de andere. Het nanodeeltje bestaat uit precies 38 goudatomen en meet slechts 1,4 nanometer. Qian werkte bijna een jaar ijverig om de nanodeeltjes te laten groeien tot kristallen van hoge kwaliteit, zodat hij hun structuur kon bestuderen met behulp van röntgenkristallografie.

"Het kweken van een zuiver kristal uit nanodeeltjes is een hele uitdaging, en je kunt misschien helemaal geen kristal krijgen, " zei Jin, een assistent-professor scheikunde aan het Mellon College of Science van CMU. "In de nanodeeltjesgemeenschap de kristalstructuren van slechts drie nanodeeltjes zijn gemeld."

In het geval van Jin, Röntgenkristallografie onthulde dat het gouden nanodeeltje chiraal is. Chemici onderzoeken meestal de interne chirale structuur van gouden nanodeeltjes met behulp van een techniek die circulaire dichoïsme-spectroscopie wordt genoemd. Wanneer zuivere chirale moleculen worden blootgesteld aan circulair gepolariseerd licht, elke isomeer absorbeert het licht anders, wat resulteert in een uniek - en tegengesteld teken - spectrum voor elke isomeer. Het proces van het maken van de gouden nanodeeltjes, echter, resulteert vaak in een 50/50 mix van elke isomeer, bekend als racematen.

"Omdat het spectrum voor elke isomeer van tegengesteld teken is, ze heffen elkaar op en de netto optische respons is nul. Dit maakt circulaire dichoïsme (CD) spectroscopie nutteloos als het gaat om het bepalen van de chiraliteit van gouden nanodeeltjes in 50/50 mengsels, " zei Gil, universitair hoofddocent scheikunde en directeur van de NMR-faciliteit van de afdeling Chemie.

Omdat Jin geen circulaire dichoïsme-spectroscopie kon gebruiken, Gil was in staat om NMR te gebruiken om Jin te helpen onderscheid te maken tussen de links- en rechtshandige isomeren van zijn gouden nanodeeltjes.

NMR-spectroscopie maakt gebruik van het fysieke fenomeen waarbij sommige kernen wiebelen en draaien als toppen, het uitzenden en absorberen van een radiofrequentiesignaal in een magnetisch veld. Door het gedrag van deze draaiende kernen te observeren, wetenschappers kunnen de chemische structuur van de verbinding samenstellen.

In 1957, wetenschappers merkten op dat de waterstofatomen van een vrij roterende methyleengroep (CH2) twee verschillende frequenties produceerden als ze dicht bij een chiraal centrum waren. Jin's gouden nanodeeltjes, die een chirale kern hebben, worden opgevangen door verschillende chemische groepen, inclusief vrij roterende methyleengroepen. Gil redeneerde dat de chirale kern van de nanodeeltjes de twee waterstofatomen van de methyleengroep zou moeten induceren om verschillende frequenties af te geven, een fenomeen dat bekend staat als diastereotopie.

Gil en Jin vergeleken het NMR-signaal van de waterstofatomen in een niet-chiraal gouden nanodeeltje met het NMR-signaal van de waterstofatomen in chiraal gouden nanodeeltje. Het NMR-spectrum van de niet-chirale nanodeeltjes bracht geen verschillen aan het licht, maar het NMR-spectrum van het chirale nanodeeltje onthulde twee verschillende waterstofsignalen, een eenvoudige en efficiënte manier bieden om te bepalen of het deeltje chiraal is of niet, zelfs voor een 50/50 mengsel van isomeren.

"NMR is een alternatieve - en zeer efficiënte - methode om nuttige informatie te verstrekken over hoe de atomen in nanodeeltjes de moleculaire structuur vormen. Omdat NMR in sommige gevallen chiraliteit kan bepalen, het kan gemakkelijk worden gebruikt om de zuiverheid van een mengsel van nanodeeltjes te bepalen, ' zei Jin.

In het huidige werk, Jin en Qian streven ernaar om hun 50/50 mengsel van rechts- en linkshandige isomeren om te zetten in een zuivere oplossing van het een of het ander.