Utilizando técnicas de prueba convencionales, puede resultar complicado (a veces imposible) detectar contaminantes nocivos como nanoplásticos, contaminantes del aire y microbios en organismos vivos y materiales naturales. Estos contaminantes a veces se encuentran en cantidades tan pequeñas que las pruebas no pueden detectarlos de manera confiable.
Sin embargo, esto podría cambiar pronto. La nanotecnología emergente (basada en un estado de luz "retorcido") promete facilitar la identificación de la composición química de las impurezas y su forma geométrica en muestras de aire, líquido y tejido vivo.
Un equipo internacional de científicos dirigido por físicos de la Universidad de Bath está contribuyendo a esta tecnología, que puede allanar el camino hacia nuevos métodos de vigilancia ambiental y medicamentos avanzados. Su trabajo está publicado en la revista Advanced Materials. .
La técnica emergente de detección de sustancias químicas se basa en una interacción luz-materia conocida como efecto Raman. El efecto Raman ocurre cuando un material que se ilumina con un cierto color de luz se dispersa y cambia la luz en una multitud de colores ligeramente diferentes. Básicamente, produce un mini-arco iris que depende de cómo vibran los átomos dentro de los materiales.
La medición de los colores del arco iris raman revela enlaces atómicos individuales porque los enlaces moleculares tienen patrones vibratorios distintos. Cada unión dentro de un material produce su propio cambio de color único con respecto al de la iluminación. En conjunto, los colores del arco iris Raman sirven para detectar, analizar y controlar la composición química (enlaces químicos) de moléculas complejas, como las que se encuentran en mezclas de contaminantes ambientales.
"El efecto Raman sirve para detectar pesticidas, productos farmacéuticos, antibióticos, metales pesados, patógenos y bacterias. También se utiliza para analizar aerosoles atmosféricos individuales que afectan la salud humana y el clima", dijo el Dr. Robin Jones del Departamento de Física de Bath. quién es el primer autor del estudio.
Ampliando, el coautor profesor Liwu Zhang del Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Fudan en China dijo:"Los contaminantes acuáticos, incluso en cantidades mínimas, pueden acumularse en organismos vivos a lo largo de la cadena biológica. Esto representa una amenaza para la salud humana y el bienestar animal. y la vida silvestre en general, es muy difícil saber exactamente cuál es la composición química de mezclas complejas."
El profesor Ventsislav Valev de Bath, que dirigió el estudio, añadió:"Es necesario comprender los contaminantes complejos y potencialmente dañinos del medio ambiente para que podamos aprender cómo descomponerlos en componentes inofensivos. Pero no se trata solo de qué átomos son". La forma en que están dispuestos los átomos es muy importante:puede ser decisiva en el modo en que actúan las moléculas, especialmente en los organismos vivos.
"Nuestro trabajo tiene como objetivo desarrollar nuevas formas en las que el efecto Raman pueda informarnos sobre la forma en que están dispuestos los átomos en el espacio y ahora hemos dado un paso tecnológico importante utilizando pequeñas antenas en forma de hélice hechas de oro".
El efecto Raman es muy débil:sólo uno de cada 1.000.000 de fotones (partículas de luz) sufre el cambio de color. Para mejorarlo, los científicos utilizan antenas en miniatura fabricadas a nanoescala que canalizan la luz incidente hacia las moléculas. A menudo, estas antenas están hechas de metales preciosos y su diseño está limitado por las capacidades de nanofabricación.
El equipo de Bath utilizó las antenas helicoidales más pequeñas jamás utilizadas:su longitud es 700 veces menor que el grosor de un cabello humano y el ancho de las antenas es 2.800 veces menor. Estas antenas fueron hechas de oro por científicos del equipo del profesor Peer Fischer de la Universidad de Stuttgart en Alemania.
"Nuestras mediciones muestran que estas antenas helicoidales ayudan a sacar una gran cantidad de fotones arcoíris Raman de las moléculas", dijo el Dr. Jones. "Pero lo más importante es que la forma helicoidal realza la diferencia entre dos tipos de luz que se utilizan a menudo para estudiar la geometría de las moléculas. Se conocen como luz polarizada circularmente.
"La luz polarizada circularmente puede ser hacia la izquierda o hacia la derecha y nuestras hélices pueden, básicamente, estrechar la mano con la luz. Y como podemos hacer que las hélices giren hacia la izquierda o hacia la derecha, el apretón de manos con la luz que ideamos puede ser ambas cosas". con la mano izquierda o derecha."
"Si bien este tipo de apretones de manos se han observado antes, el avance clave aquí es que demostramos por primera vez que las moléculas lo sienten, ya que afecta su arco iris Raman. Este es un paso importante que nos permitirá distinguir de manera eficiente y confiable entre Moléculas diestras y zurdas, primero en el laboratorio y luego en el medio ambiente."
Para demostrar que el nuevo intercambio entre la luz y las antenas podría transmitirse a las moléculas, los investigadores utilizaron moléculas (cristal violeta) que son incapaces de "estrechar" la luz por sí mismas. Sin embargo, estas moléculas se comportaron como si pudieran realizar esta función, expresando la capacidad de "apretón de manos" de las nanohélices de oro a las que estaban unidas.
"Otro aspecto importante de nuestro trabajo aquí es que trabajamos con dos socios industriales", dijo el profesor Valev. "VSParticle produce nanomateriales estándar para medir la luz Raman. Tener estándares comunes es realmente importante para que los investigadores de todo el mundo puedan comparar resultados".
Y añadió:"Nuestro socio industrial Renishaw PLC es un fabricante líder mundial de equipos de microscopía y espectroscopía Raman. Estas asociaciones son esenciales para que la nueva tecnología pueda salir de los laboratorios y llegar al mundo real, donde están los desafíos medioambientales. "
A partir de este trabajo, el equipo ahora está trabajando en el desarrollo de formas más avanzadas de tecnologías Raman.
Más información: Robin R. Jones et al, Matrices densas de nanohélices:la dispersión Raman de moléculas aquirales revela mejoras de campo cercano en metasuperficies quirales, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202209282
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por la Universidad de Bath
