Новый метод визуализации хиральности наноструктур
Новый метод позволяет определить, являются ли наноструктуры лево- или правосторонними, и визуализировать результат в одном изображении. На фото показаны различные лево- и правосторонние структуры. Автор: Ребекка Бюхнер / ETH Zurich
Чем отличаются лево- и правосторонние молекулы? Исследователи из ETH Zurich разработали новый метод визуализации, который позволяет увидеть то, что ранее можно было измерить только как усреднённое значение. Это открывает новые возможности для биологии и материаловедения.
Почему мята и тмин пахнут по-разному, хотя их основные ароматические молекулы почти идентичны? Почему одно лекарство может спасти жизнь, а его зеркальное отражение оказывается бесполезным или даже вредным? Ответ кроется в хиральности — «рукости» молекул. Подобно тому, как левая и правая руки похожи, но не могут быть наложены друг на друга, многие молекулы существуют в лево- и правосторонних версиях, которые часто оказывают совершенно разное воздействие.
Группа исследователей из ETH Zurich под руководством профессора нанофотоники Романа Кидана разработала метод, позволяющий визуализировать хиральность в пространстве с помощью всего одного изображения. До сих пор хиральность можно было измерить только для всего образца в целом, и результат всегда представлял собой усреднённое значение.
«С помощью этого нового метода мы можем по одному изображению определить участки образца, где встречаются лево- и правосторонние структуры», — объясняет Ребекка Бюхнер, аспирантка Кидана и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics.
Свет как ключ к определению хиральности
Для исследования Бюхнер использовала специально изготовленные золотые наноструктуры — искусственно созданные хиральные образцы, которые были изготовлены Хосе Гарсиа-Гирадо, руководителем лаборатории в группе Кидана. Благодаря этому Бюхнер заранее знала, сколько право- и левосторонних компонентов следует ожидать на изображении.
Чтобы сделать хиральность образцов видимой, она применила новый метод визуализации, работающий как высокоспециализированная камера. Его уникальность заключается в способности определять, как образец взаимодействует с разными типами циркулярно поляризованного света.
Циркулярно поляризованный свет — это свет, волны которого вращаются по спирали при движении, либо влево, либо вправо. Многие хиральные молекулы в природе по-разному реагируют на такой свет: например, они могут поглощать левосторонний свет сильнее, чем правосторонний, или слегка изменять направление колебаний.
В отличие от традиционных методов, требующих двух отдельных измерений с лево- и правоциркулярной поляризацией, система Бюхнер фиксирует оба направления спирали одновременно. Для этого используется сложная оптическая схема: после прохождения через образец свет разделяется на лево- и правоциркулярные компоненты с помощью опорных лучей, создающих интерференционные картины. Эти картины показывают, как каждый тип света взаимодействовал с образцом, делая хиральность видимой.
Обычная камера зафиксировала бы лишь нечитаемое наложение изображений. Однако благодаря новому методу компьютер может точно считать информацию. Получающиеся цветные карты показывают, какие части образца являются левосторонними, а какие — правосторонними. «Мы даже смогли визуализировать буквы, такие как "L" и "R", составленные из наноструктур с разной хиральностью», — сообщает Бюхнер.
Верхний ряд показывает дизайн образца (зелёный = левосторонний, фиолетовый = правосторонний). Средний ряд — соответствующие снимки, сделанные исследователями, а нижний ряд — вычисленные пропорции лево- и правосторонних структур. До сих пор точное распределение нельзя было отобразить в одном изображении. Автор: Ребекка Бюхнер / ETH Zurich
Перспективы для биологии и материаловедения
«Наибольший потенциал нашего метода я вижу там, где хиральность меняется в пространстве, что до сих пор было практически невозможно измерить», — говорит Хайме Ортега Арройо, старший научный сотрудник и соруководитель проекта. Это известная проблема, особенно в материаловедении: хиральные материалы сложно анализировать пространственно, например, когда разные зоны материала имеют разную хиральность. Новый метод теперь позволяет визуализировать эти различия напрямую.
Исследователи также видят потенциал для биологических образцов. Например, здоровые и поражённые ткани могут отличаться не только по структуре клеток, но и по хиральности. С помощью нового метода можно было бы обнаружить такие различия непосредственно в ткани без окрашивания или механического вмешательства. «Это касается не только молекул, но и более крупных структур, таких как части клеток, чья хиральность почти не изучена», — поясняет Бюхнер.
Есть потенциал и для фармацевтики: многие лекарства состоят из хиральных молекул, и эффективна лишь одна их версия. Метод, раскрывающий хиральность, может помочь лучше анализировать сложные смеси или разрабатывать новые диагностические процедуры.
Доработка метода
Новый метод визуализации пока находится на стадии исследований, и измеряемые сигналы остаются умеренными и чувствительными к шумам. «Нашей главной задачей было снизить уровень шума и сигналов от артефактов изображения настолько, чтобы быть уверенными, что сигналы действительно связаны с хиральностью», — говорит Ортега Арройо.
Следующим шагом исследователи планируют повысить чувствительность системы. До реального применения метода ещё далеко, и сейчас основное внимание уделяется поиску подходящих областей применения и адаптации метода под них. «Мы знаем, что может наша платформа, но другие исследователи лучше представляют, какие задачи можно с её помощью изучить», — отмечает Бюхнер.
Дополнительная информация: Rebecca Büchner et al, Wide-field spectroscopic imaging of optical activity, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01722-0
Источник: ETH Zurich
0 комментариев