Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Physikern der Universität Bath hat ein neues optisches Phänomen demonstriert, das erhebliche Auswirkungen auf die Pharmazie, Sicherheit, Forensik, Umweltwissenschaften, Kunstkonservierung und Medizin haben könnte.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.
Moleküle rotieren und vibrieren auf ganz bestimmte Weise. Wenn Licht auf sie fällt, wird es reflektiert und gestreut. Pro Million Lichtteilchen (Photonen) ändert ein einziges seine Farbe. Diese Änderung ist der Raman-Effekt. Das Sammeln vieler dieser farbwechselnden Photonen zeichnet ein Bild der Energiezustände von Molekülen und identifiziert sie.
Einige Moleküleigenschaften (Energiezustände) sind für den Raman-Effekt jedoch unsichtbar. Um sie sichtbar zu machen und ein vollständigeres Bild zu zeichnen, ist „Hyper-Raman“ erforderlich.
Hyper-Raman
Der Hyper-Raman-Effekt ist ein komplexeres Phänomen als der einfache Raman-Effekt. Er tritt auf, wenn zwei Photonen gleichzeitig auf das Molekül treffen und sich dann zu einem einzigen gestreuten Photon verbinden, das eine Raman-Farbänderung aufweist.
Hyper-Raman kann tiefer in lebendes Gewebe eindringen, Moleküle werden weniger beschädigt und es entstehen Bilder mit besserem Kontrast (weniger Rauschen durch Autofluoreszenz). Wichtig ist, dass die Hyper-Raman-Photonen zwar noch weniger sind als bei Raman, ihre Anzahl jedoch durch die Anwesenheit winziger Metallteile (Nanopartikel) in der Nähe des Moleküls erheblich erhöht werden kann.
Trotz seiner erheblichen Vorteile war es mit Hyper-Raman bislang nicht möglich, eine Schlüsseleigenschaft des Lebens – die Chiralität – zu untersuchen.
Optische Aktivität
Bei Molekülen bezieht sich Chiralität auf die Richtung ihrer Verdrehung – in vielerlei Hinsicht ähnlich der helikalen Struktur der DNA. Viele Biomoleküle weisen Chiralität auf, darunter Proteine, RNA, Zucker, Aminosäuren, einige Vitamine, einige Steroide und mehrere Alkaloide.
Auch Licht kann chiral sein, und 1979 stellten die Forscher David L. Andrews und Thiruiappah Thirunamachandran die Theorie auf, dass chirales Licht, das für den Hyper-Raman-Effekt verwendet wird, dreidimensionale Informationen über die Moleküle liefern und so deren Chiralität offenlegen könnte.
Allerdings ging man davon aus, dass dieser neue Effekt – bekannt als Hyper-Raman-optische Aktivität – sehr subtil und vielleicht sogar unmöglich zu messen sein würde. Experimentatoren, denen es nicht gelang, ihn zu beobachten, hatten Probleme mit der Reinheit ihres chiralen Lichts. Da der Effekt zudem sehr subtil ist, versuchten sie, hohe Laserleistungen einzusetzen, was jedoch letztendlich die untersuchten Moleküle schädigte.
Professor Ventsislav Valev, der sowohl das Team in Bath als auch die Studie leitete, erklärte: „Während frühere Versuche darauf abzielten, den Effekt chiraler Moleküle direkt zu messen, haben wir einen indirekten Ansatz gewählt.
„Wir haben Moleküle verwendet, die an sich nicht chiral sind, aber wir haben sie chiral gemacht, indem wir sie auf einem chiralen Gerüst angeordnet haben. Genauer gesagt haben wir Moleküle auf winzigen Gold-Nanohelices abgelagert, die den Molekülen effektiv ihre Drehung (Chiralität) verliehen haben.
„Die Gold-Nanohelices haben noch einen weiteren, ganz entscheidenden Vorteil: Sie dienen als winzige Antennen und fokussieren das Licht auf die Moleküle. Dieser Prozess verstärkt das Hyper-Raman-Signal und hat uns geholfen, es zu erkennen.
„Derartige Nanohelices kamen in dem Theoriepapier von 1979 nicht vor und um sie zu erklären, wandten wir uns an niemand anderen als einen der ursprünglichen Autoren und Pioniere dieses Forschungsgebiets.“
Bestätigung einer 45 Jahre alten Theorie
Emeritus Professor Andrews von der University of East Anglia und Co-Autor der Studie sagte: „Es ist sehr erfreulich, dass dieses Arbeitsexperiment nach all diesen Jahren endlich unsere theoretische Vorhersage bestätigt. Das Team aus Bath hat ein herausragendes Experiment durchgeführt.“
Dieser neue Effekt könnte dazu dienen, die Zusammensetzung von Arzneimitteln zu analysieren und ihre Qualität zu kontrollieren. Er kann helfen, die Echtheit von Produkten festzustellen und Fälschungen zu entlarven. Er könnte auch dazu dienen, illegale Drogen und Sprengstoffe am Zoll oder an Tatorten zu identifizieren.
Damit können Schadstoffe in Umweltproben aus Luft, Wasser und Boden nachgewiesen werden. Die Zusammensetzung von Pigmenten in Kunstwerken könnte zu Konservierungs- und Restaurierungszwecken ermittelt werden. Außerdem wird das System wahrscheinlich klinische Anwendung in der medizinischen Diagnostik finden, indem es krankheitsbedingte molekulare Veränderungen erkennt.
Professor Valev sagte: „Diese Forschungsarbeit ist das Ergebnis einer jahrzehntelangen Zusammenarbeit zwischen chemischer Theorie und experimenteller Physik und umfasste Akademiker aller Stufen – vom Doktoranden bis zum emeritierten Professor.“
„Wir hoffen, dass es andere Wissenschaftler inspiriert und das Bewusstsein dafür schärft, dass wissenschaftlicher Fortschritt oft viele Jahrzehnte dauert.“
Mit Blick auf die Zukunft fügte er hinzu: „Unsere Beobachtung ist die allererste eines fundamentalen physikalischen Mechanismus. Es ist noch ein langer Weg, bis der Effekt als standardmäßiges Analyseinstrument implementiert werden kann, das andere Wissenschaftler übernehmen können.“
„Wir freuen uns auf die Reise zusammen mit unseren Mitarbeitern von Renishaw PLC, einem weltbekannten Hersteller von Raman-Spektrometern.“
Dr. Robin Jones, Erstautor der neuen Forschungsarbeit und bis vor kurzem Doktorand in Bath, sagte: „Die Durchführung der Experimente, die den optischen Hyper-Raman-Aktivitätseffekt zeigten, war meine lohnendste akademische Erfahrung. Rückblickend scheint es, als wäre fast jeder Schritt meiner Doktorarbeit wie ein Puzzleteil gewesen, das an seinen Platz fiel, um die Beobachtung zu erreichen.“
Mehr Informationen:
Robin R. Jones et al., Chiralitätsübertragung ermöglicht die Beobachtung von Hyper-Raman-optischer Aktivität, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01486-z