L形超构材料轻松识别分子手性,助力药物开发
2024-06-12 09:43:01   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

宾夕法尼亚州立大学和内布拉斯加林肯大学利用超构材料开发出一种可以控制偏振电磁光波方向的超薄光学元件。这种新的控制方法使研究人员不仅能引导光的手性,还能通过确定偏振光与分子的相互作用来识别分子的手性。

偏振光波在传播过程中会顺时针或逆时针旋转,其中一个旋转方向与分子相互作用时的表现与另一个旋转方向不同。这种方向性被称为手性(chirality),可以为生物医学应用提供一种识别和分类特定分子的方法,但研究人员对光波方向的控制能力一直有限,直到现在。

据麦姆斯咨询报道,宾夕法尼亚州立大学和内布拉斯加林肯大学(UNL)的电气工程研究团队,利用超构材料开发出一种可以控制偏振电磁光波方向的超薄光学元件。这种新的控制方法使研究人员不仅能引导光的手性,还能通过确定偏振光与分子的相互作用来识别分子的手性。

所提出的纳米结构可用于大量新兴的纳米光子应用,如手性传感器、偏振滤波器和自旋锁定纳米波导等。

研究人员利用超构材料制造的光学元件,能够控制光的自旋。从纳米尺度看,超构材料中纳米棒的形状就像字母“L”。

研究人员利用超构材料制造的光学元件,能够控制光的自旋。从纳米尺度看,超构材料中纳米棒的形状就像字母“L”。

识别分子的手性可以揭示分子与其它系统相互作用的关键信息,例如特定药物是否有助于愈合病变或受损组织,而不会伤害健康细胞。研究人员在Nature Communications期刊上发表了他们的研究成果。

该论文的共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学电气工程系副教授Christos Argyropoulos解释说,手性指的是一种分子镜像,就像握手时的左右手。在物理学中,手性的作用之一是影响光波的旋转方向。

Argyropoulos和他的同事制造了一种类似于玻璃片的光学元件,这种光学元件使用了大量类似于天线的微小纳米棒,这些纳米棒共同构成了超构材料,或者说是一种经过设计、具有自然界中通常不存在特殊性质的材料,它能够控制光的自旋。从纳米尺度看,超构材料纳米棒的形状就像字母“L”。

L型超构材料制作过程

L型超构材料制作过程

Argyropoulos说:“当光与物质的相互作用由超构材料介导时,可以对分子进行成像,并通过检测手性光与分子的相互作用来识别其手性。”

UNL的研究人员采用了一种名为“倾斜角度沉积(GLAD)”的新兴制造方法,用硅制造出了这种光学元件。

“硅不会大幅消散入射光,而金属则存在这个问题,我们以前曾尝试用金属来制造这种元件。”论文共同通讯作者、UNL研究教授Ufuk Kilic说,“硅使我们能够调整平台上纳米棒的形状和长度,这反过来又使我们能够改变控制光线的方式。”

Argyropoulos解释说,识别分子的手性可以在生物医学领域产生广泛影响,尤其是在药物领域,因为药物有时具有右手或左手手性。例如,右旋分子结构可以有效治疗疾病,而具有左旋结构的相同分子则可能对健康细胞有毒。

手性转换响应

手性转换响应

Argyropoulos提到了“沙利度胺”经典案例,这是一种具有手性结构的药物,在1957年至1962年期间被用于治疗妇女的晨吐。其右旋分子可以缓解恶心症状,但对发育中的胎儿有剧毒,导致全球成千上万的婴儿出现先天缺陷。

Argyropoulos说,这种光学元件可以快速成像药物的分子结构,让科学家更好地了解药物行为的细微差别。

此外,该光学元件还可用于产生右旋或左旋电磁波,Argyropoulos说,这对于开发和维护经典与量子通信系统(如加密Wi-Fi和手机服务)是必需的。

Argyropoulos说:“以前,对于光通信系统来说,我们需要又大又笨重的设备,还只能在单一频率下工作。而这种新型光学元件重量轻,可轻松调谐到多个频率。”

延伸阅读:

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《超构透镜(Metalens)专利态势分析-2024版》

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