Скрученный лазерный свет научился различать зеркальные молекулы

Скрученный лазерный свет теперь может определить, является ли молекула право- или левосторонней, по оставляемым ею фрагментам. Источник: AI/ScienceDaily.com

Многие молекулы существуют в двух формах, являющихся зеркальным отражением друг друга, подобно левой и правой рукам. Хотя эти молекулярные «близнецы» выглядят почти идентично, они могут вести себя кардинально разными способами, особенно в живых системах и лекарствах. Различение этих энантиомеров (также называемых хиральными молекулами) остается серьезной научной и технологической задачей.

Один из способов понять молекулярную «рукость» — представить винт и гайку. Правый винт подходит к правой резьбе, а левый — нет. Исследователи показали, что специально сформированный свет может действовать как аналогичный резьбовой зонд, взаимодействуя с молекулами по-разному в зависимости от их «рукости».

Придание лазерному лучу «кручения»

Ученые из Института фундаментальных исследований Тата, Индийского технологического института Мумбаи и Индийского технологического института Хайдарабада создали свет, который не просто вращается, но и скручивается при движении вперед.

Когда такой структурированный свет попадает на хиральную молекулу, взаимодействие меняется в зависимости от того, насколько «кручение» света соответствует естественной «рукости» молекулы. Это создает измеримую разницу, которую можно использовать для определения того, какая зеркальная форма присутствует.

Разрушение молекул на обнаруживаемые фрагменты

Эксперименты проводились на лазерной установке в TIFR Hyderabad. Исследователи направляли ультракороткие лазерные импульсы (длительностью в несколько сотен фемтосекунд) с тщательно контролируемыми вращением и кручением на газообразные образцы R- или S-камфоры, хорошо известной хиральной молекулы.

Лазерные импульсы вызывали распад молекул на заряженные фрагменты. Затем ученые анализировали эти фрагменты с помощью времяпролетного масс-спектрометра — прибора, который идентифицирует ионы, измеряя время их достижения детектора. Более легкие фрагменты достигают детектора быстрее, чем тяжелые.

Команда наблюдала ключевую закономерность. Количество образовавшихся фрагментов менялось в зависимости от комбинации кручения света и «рукости» молекулы. Простое сравнение количества фрагментов позволило исследователям различить две зеркальные формы.

Более простой способ обнаружения молекулярной «рукости»

Традиционные методы обнаружения хиральности часто измеряют чрезвычайно малые различия в том, как молекулы поглощают свет. Другие методы отслеживают направления, в которых испускаются электроны. Эти подходы могут требовать сложного оборудования, точной юстировки, угловых измерений или регистрации совпадений.

Новый метод, напротив, определяет хиральность напрямую по ионным сигналам. Это снижает потребность в сложных измерениях, одновременно повышая чувствительность.

Изучение молекул без внешних помех

Исследователи изучали молекулы в газовой фазе, где они были изолированы от внешних воздействий, таких как растворители и поверхности. Это позволило более непосредственно наблюдать лежащее в основе взаимодействие между структурированным светом и формой молекулы.

Скрученный свет также усиливал разницу между двумя энантиомерами. В результате сигналы были сильнее, чем те, которые обычно дают традиционные оптические методы.

Сопоставление скрученного света с хиральными молекулами

Результаты представляют новый способ «сопоставления резьбы» между светом и материей. Используя скрученные лазерные лучи в качестве зондов, ученые смогут легче и точнее определять молекулярную «рукость».

Метод может открыть новые возможности в химии, биологии и фармацевтике. В этих областях выбор правильного энантиомера может быть критически важным, поскольку две зеркальные версии одной и той же молекулы могут иметь совершенно разные биологические или медицинские эффекты.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом фундаментальных исследований Тата.

Haritha Venugopal, Parishkrith Aravind, Angitha Sajeevan, Sanket Sen, Abhisek Sinha, Sucharita Giri, Gopal Dixit, Ram Gopal, Vandana Sharma. Enhanced chiral discrimination in mass spectrometry with orbital angular momentum beams. Science Advances, 2026; 12 (23) DOI: 10.1126/sciadv.aec6549