Uma equipe liderada por cientistas da Universidade de Bath descobre como partículas de luz podem ser usadas para revelar os estados de energia “ocultos” das moléculas.
Um novo fenômeno óptico foi demonstrado por uma equipe internacional de cientistas liderada por físicos da Universidade de Bath, com impacto potencial significativo em ciência farmacêutica, segurança, ciência forense, ciência ambiental, conservação de arte e medicina.
As moléculas giram e vibram de maneiras muito específicas. Quando a luz brilha sobre elas, ela ricocheteia e se espalha. Para cada milhão de partículas de luz (fótons), uma única muda de cor. Essa mudança é o efeito Raman. Coletar muitos desses fótons que mudam de cor pinta um quadro dos estados de energia das moléculas e os identifica.
No entanto, algumas características moleculares (estados de energia) são invisíveis ao efeito Raman. Para revelá-las e pintar um quadro mais completo, é necessário o ‘hiper-Raman’.
Hiper-Raman
O efeito hyper-Raman é um fenômeno mais avançado do que o Raman simples. Ele ocorre quando dois fótons impactam a molécula simultaneamente e então se combinam para criar um único fóton espalhado que exibe uma mudança de cor Raman.
O Hyper-Raman pode penetrar mais profundamente em tecidos vivos, é menos provável que danifique moléculas e produz imagens com melhor contraste (menos ruído de autofluorescência). É importante ressaltar que, embora os fótons do hyper-Raman sejam ainda menores do que aqueles no caso do Raman, seu número pode ser muito aumentado pela presença de pequenas peças de metal (nanopartículas) próximas à molécula.
Apesar de suas vantagens significativas, até agora o hiper-Raman não foi capaz de estudar uma propriedade essencial da vida: a quiralidade.
Atividade óptica
Em moléculas, quiralidade se refere ao seu senso de torção – de muitas maneiras semelhante à estrutura helicoidal do DNA. Muitas biomoléculas exibem quiralidade, incluindo proteínas, RNA, açúcares, aminoácidos, algumas vitaminas, alguns esteroides e vários alcaloides.
A luz também pode ser quiral e, em 1979, os pesquisadores David L. Andrews e Thiruiappah Thirunamachandran teorizaram que a luz quiral usada para o efeito hiper-Raman poderia fornecer informações tridimensionais sobre as moléculas, para revelar sua quiralidade.
No entanto, esperava-se que esse novo efeito – conhecido como atividade óptica hiper-Raman – fosse muito sutil, talvez até impossível de medir. Experimentalistas que falharam em observá-lo lutaram com a pureza de sua luz quiral. Além disso, como o efeito é muito sutil, eles tentaram usar grandes potências de laser, mas isso acabou danificando as moléculas que estavam sendo estudadas.
Explicando, o professor Ventsislav Valev, que liderou a equipe de Bath e o estudo, disse: “Enquanto tentativas anteriores visavam medir o efeito diretamente de moléculas quirais, adotamos uma abordagem indireta.
“Nós empregamos moléculas que não são quirais por si mesmas, mas as tornamos quirais ao montá-las em um andaime quiral. Especificamente, depositamos moléculas em pequenas nano-hélices de ouro que efetivamente conferiram sua torção (quiralidade) às moléculas.
“As nanohélices de ouro têm outro benefício muito significativo – elas servem como pequenas antenas e focam a luz nas moléculas. Esse processo aumenta o sinal hyper-Raman e nos ajudou a detectá-lo.
“Essas nano-hélices não foram apresentadas no artigo teórico de 1979 e, para explicá-las, recorremos a ninguém menos que um dos autores originais e pioneiros desse campo de pesquisa.”
Confirmando uma teoria de 45 anos
O professor emérito Andrews da University of East Anglia e coautor do artigo disse: “É muito gratificante ver este trabalho experimental finalmente confirmar nossa previsão teórica, depois de todos esses anos. A equipe de Bath realizou um experimento extraordinário.”
Este novo efeito pode servir para analisar a composição de produtos farmacêuticos e controlar sua qualidade. Pode ajudar a identificar a autenticidade de produtos e revelar falsificações. Também pode servir para identificar drogas ilegais e explosivos na alfândega ou em cenas de crime.
Ele ajudará a detectar poluentes em amostras ambientais do ar, água e solo. Poderia revelar a composição de pigmentos em arte para fins de conservação e restauração, e provavelmente encontrará aplicações clínicas para diagnóstico médico ao detectar mudanças moleculares induzidas por doenças.
O professor Valev disse: “Este trabalho de pesquisa tem sido uma colaboração entre a teoria química e a física experimental ao longo de muitas décadas e entre acadêmicos de todos os níveis – desde candidatos a doutorado até professores eméritos.
“Esperamos que isso inspire outros cientistas e aumente a conscientização de que o progresso científico geralmente leva muitas décadas.”
Olhando para o futuro, ele acrescentou: “A nossa é a primeira observação de um mecanismo físico fundamental. Há um longo caminho pela frente até que o efeito possa ser implementado como uma ferramenta analítica padrão que outros cientistas possam adotar.
“Estamos ansiosos pela jornada, junto com nossos colaboradores da Renishaw PLC, um fabricante de renome mundial de espectrômetros Raman.”
O Dr. Robin Jones, primeiro autor do novo artigo de pesquisa e candidato a PhD em Bath até recentemente, disse: “Realizar os experimentos que mostraram o efeito da atividade óptica hiper-Raman foi minha experiência acadêmica mais gratificante. Em retrospecto, parece que quase cada passo do meu PhD foi como uma peça do quebra-cabeça que se encaixou para atingir a observação.”
A pesquisa foi publicada na revista Fotônica da Natureza. Foi financiado pela Royal Society, pelo Leverhulme Trust e pelo Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC).
