Dichroïsme circulaire collectif par nanoparticules plasmoniques chirales

La chiralité moléculaire fait référence à la propriété géométrique des molécules à symétrie miroir brisée. La caractérisation de la chiralité moléculaire et la compréhension de leurs rôles dans des situations physiochimiques ont été importantes dans un large champ de recherche tel que la biologie, la chimie et la pharmacie.

En général, la chiralité moléculaire peut être analysée à l’aide de la spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD), qui mesure la différence d’absorption de la lumière polarisée circulairement à gauche et à droite (LCP et RCP). Cependant, le signal ou le changement résultant de l’interaction est trop faible en raison du décalage d’échelle de la lumière (quelques centaines de nanomètres) et des molécules (quelques nanomètres).

Bien que le CD moléculaire puisse être amplifié par résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), qui confine le champ électromagnétique à l’échelle moléculaire, il est encore difficile de détecter la chiralité moléculaire à de très faibles concentrations.

Une équipe de recherche de l’Université nationale de Séoul et de l’Université de Corée a utilisé un nouveau mode de CD dans des nanoparticules plasmoniques chirales régulièrement assemblées pour une quantification in situ ultra-sensible de la chiralité moléculaire. L’étude est publiée dans la revue La nature.

Les nouvelles nanoparticules plasmoniques chirales (180 nm), qui ont une symétrie de rotation quadruple, triple ou double sans aucune symétrie miroir, sont disposées avec une périodicité de 400 nm à l’aide d’un modèle polymère à motifs hexagonaux. À l’angle d’incidence et à la longueur d’onde spécifiques du CPL, une forte réponse CD supplémentaire à la réponse CD du LSPR d’une nanoparticule unique peut être générée.

Bien que la résonance plasmonique supplémentaire au LSPR d’une nanoparticule unique ait déjà été démontrée dans un réseau de nanoparticules achirales, il n’y a pas de réponse CD. Ainsi, le couplage avec des molécules chirales ne peut pas se produire sur la surface et seule une légère amélioration du signal peut être attendue du couplage avec des molécules chirales et LSPR.

L’équipe de recherche a trouvé l’origine physique du CD fort (c’est-à-dire du CD collectif) dans la résonance collective et la rotation des dipôles électriques induits sur chaque nanoparticule sur l’ensemble du réseau. Le CPL et l’arrangement périodique des nanoparticules induit une onde d’électrons libres dans chaque nanoparticule (c’est-à-dire un dipôle électrique effectif) qui interagissent collectivement les uns avec les autres le long de la surface. Ici, la polarisation circulaire de la lumière assure la rotation de chaque dipôle dans la même direction.

Ils ont également découvert que la rotation collective des dipôles génère un champ électromagnétique uniforme et chiral dans tout le réseau. En conséquence, l’interaction chirale entre les molécules et ce champ est grandement améliorée pour modifier différemment la réponse CD en fonction de la latéralité moléculaire (c’est-à-dire, décalage spectral opposé pour les molécules gauchers et droitiers).

La présente étude a clarifié la façon dont les molécules chirales ont influencé la réponse CD et obtenu une détection in situ ultrasensible (limite de détection : 10-4 M) de la chiralité moléculaire. L’intégration de réseaux dans des dispositifs de preuve de concept, tels qu’un capteur colorimétrique à résolution de polarisation et une puce fluidique, a prouvé la polyvalence du principe sous-jacent présenté dans cette étude pour la surveillance énantiosélective de l’hybridation ADN/ARN et du changement structurel des protéines à des taux extrêmement bas. concentrations. Il montre la possibilité d’appliquer ce principe de détection à l’étude des protéines membranaires, en intégrant des membranes bidimensionnelles sur le réseau et en surveillant les changements de chiralité dans leurs structures et leur repliement.