(Phys.org) —Een combinatie van nanotechnologie en een unieke draaiende eigenschap van licht zou kunnen leiden tot nieuwe methoden om de zuiverheid en veiligheid van geneesmiddelen te waarborgen.

Een directe relatie tussen de manier waarop licht wordt verwrongen door structuren op nanoschaal en de niet-lineaire manier waarop het interageert met materie, zou kunnen worden gebruikt om een ​​grotere zuiverheid voor farmaceutische producten te garanderen, waardoor 'kwaadaardige tweelingen' van drugs met veel grotere gevoeligheid kunnen worden geïdentificeerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben deze relatie gebruikt, in combinatie met krachtige lasers en gouden oppervlakken met nanopatroon, om een ​​detectiemechanisme voor te stellen dat kan worden gebruikt om de rechtshandige en linkshandige versies van moleculen te identificeren.

Sommige moleculen zijn symmetrisch, dus hun spiegelbeeld is een exacte kopie. Echter, de meeste moleculen in de natuur hebben een ander spiegelbeeld - probeer een linkshandige handschoen aan je rechterhand te doen en je zult zien dat je handen niet op elkaar kunnen worden getransponeerd. Moleculen waarvan de spiegelbeelden dit soort "handigheid" vertonen, staan ​​bekend als chiraal.

De chiraliteit van een molecuul beïnvloedt de interactie met zijn omgeving, en verschillende chirale vormen van hetzelfde molecuul kunnen totaal verschillende effecten hebben. Misschien wel het bekendste voorbeeld hiervan is Thalidomide, die in de jaren vijftig en zestig werd voorgeschreven aan zwangere vrouwen. Eén chirale vorm van Thalidomide werkte als een effectieve behandeling voor ochtendmisselijkheid in het begin van de zwangerschap, terwijl de andere vorm, als een 'boze tweeling', verhinderde een goede groei van de foetus. Het medicijn dat aan patiënten werd voorgeschreven, was een mix van beide vormen, resulterend in meer dan 10, 000 kinderen wereldwijd geboren met ernstige geboorteafwijkingen, zoals verkorte of ontbrekende ledematen.

Bij de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen, het identificeren van de juiste chirale vorm is cruciaal. Specifieke moleculen binden aan specifieke receptoren, dus ervoor zorgen dat de juiste chirale vorm aanwezig is, bepaalt de zuiverheid en effectiviteit van het eindproduct. Echter, de moeilijkheid bij het bereiken van chirale zuiverheid is dat gewoonlijk beide vormen in gelijke hoeveelheden worden gesynthetiseerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een nieuw type detectiemechanisme ontworpen, het combineren van een unieke draaiende eigenschap van licht met frequentieverdubbeling om verschillende chirale vormen van moleculen met extreem hoge gevoeligheid te identificeren, die nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Het detectiemechanisme, ontworpen door Dr. Ventsislav Valev en Professor Jeremy Baumberg van het Cavendish Laboratory, in samenwerking met collega's uit binnen- en buitenland, maakt gebruik van een goudkleurig oppervlak met nanopatroon in combinatie met krachtige lasers.

Momenteel, verschillende chirale vormen van moleculen worden gedetecteerd door bundels van gepolariseerd licht te gebruiken. De manier waarop het licht door de moleculen wordt gedraaid, resulteert in chiroptische effecten, die doorgaans erg zwak zijn. Door krachtige lasers te gebruiken, tweede harmonische generatie (SHG) chiroptische effecten ontstaan, die typisch drie orden van grootte sterker zijn. SHG is een kwantummechanisch proces waarbij twee rode fotonen kunnen worden vernietigd om een ​​blauw foton te creëren, blauw licht maken van rood.

Onlangs, een andere belangrijke stap in de richting van het vergroten van chiroptische effecten kwam van de ontwikkeling van superchiraal licht - een superkronkelige vorm van licht.

De onderzoekers identificeerden een direct verband tussen de fundamentele vergelijkingen voor superchiraal licht en SHG, wat nog sterkere chiroptische effecten mogelijk zou maken. De combinatie van superchiraal licht en SHG kan recordbrekende effecten opleveren, wat zou resulteren in een zeer hoge gevoeligheid voor het meten van de chirale zuiverheid van geneesmiddelen.

De onderzoekers gebruikten ook kleine goudstructuren, bekend als plasmonische nanostructuren, om de lichtstralen te focussen. Net zoals een glazen lens kan worden gebruikt om zonlicht op een bepaalde plek te concentreren, deze plasmonische nanostructuren concentreren binnenkomend licht in hotspots op hun oppervlak, waar de optische velden enorm worden. Door de aanwezigheid van optische veldvariaties, het is in deze hotspots dat superchiraal licht en SHG hun effecten combineren.

"Door nanostructuren te gebruiken, lasers en deze unieke draaiende eigenschap van licht, we zouden selectief de ongewenste vorm van het molecuul kunnen vernietigen, terwijl de gewenste vorm onaangetast blijft, " zei Dr Valev. "Samen, deze technologieën kunnen ervoor zorgen dat nieuwe medicijnen veilig en puur zijn."