Detectar la manejabilidad de una sola nanopartícula
El nuevo espectrómetro basado en el microscopio registra ambos estados de polarización simultáneamente y permitió la primera observación de una sola nanopartícula en movimiento dinámico
Los científicos del Laboratorio de Micro, Nano y Sistemas Moleculares del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes han desarrollado un nuevo microscopio espectroscópico, que puede ser utilizado para observar una sola nanopartícula en tiempo real. Esto ha permitido la primera detección de la manejabilidad de una nanopartícula mientras se mueve libremente en la solución. Los resultados de su investigación allanan el camino para las mediciones ópticas con altas sensibilidades de detección hasta en las moléculas individuales y en muestras de volúmenes ultrabajos.
Detección de la mano de una nanoestructura giratoria con luz polarizada circularmente.
J. Sachs / J.-Ph. Günther (MPI-IS)
Casi todas las biomoléculas, incluyendo azúcares, ADN, aminoácidos y proteínas existen, como nuestras manos, en forma de zurdos y diestros. Sorprendentemente, en la vida en la Tierra uno generalmente encuentra la mayoría de las biomoléculas en sólo una de las dos formas posibles de mano. La razón de esta "mano", también conocida como quiralidad, es una de las grandes cuestiones sin resolver en la ciencia. Sin embargo, su consecuencia es que todos los organismos vivos, muchos objetos y la mayoría de los productos farmacéuticos son quirales. Por lo tanto, es importante ser capaz de detectar la lateralidad. Esto puede lograrse usando luz polarizada circularmente a la izquierda y a la derecha. Por ejemplo, un objeto diestro absorbe y dispersa la luz polarizada en el círculo derecho de manera diferente a la de un objeto zurdo. Debido a que las diferencias detectadas son muy pequeñas, los instrumentos clásicos requieren muchos miles de millones de moléculas o partículas para detectar si son quirales. Esto significa que se necesitan mayores volúmenes de muestra, lo que puede ser costoso, y significa que los detalles interesantes encontrados en objetos individuales se promedian en el conjunto.
Los investigadores de Stuttgart han logrado observar la mano en una sola nanoestructura. Las nanoestructuras metálicas pueden actuar como antenas ópticas y ofrecen la posibilidad de aumentar dramáticamente las señales ópticas. Por esta razón, las nanoestructuras de oro y plata se utilizan ampliamente como sondas para la espectroscopia óptica y también son prometedoras para la espectroscopia quiral. Sin embargo, para la detección de la lateralidad hay que registrar la diferencia entre la polarización circular izquierda y derecha. Esto significa que hasta ahora la nanoestructura tenía que permanecer fija a una superficie mientras se realizaban dos mediciones independientes. Esto introduce considerables artefactos e incluso puede hacer que los objetos que no se manejan con la mano aparezcan en forma de quiral.
El espectrómetro basado en el microscopio, que el investigador de Stuttgart desarrolló, registra ambos estados de polarización simultáneamente y permitió la primera observación de una sola nanopartícula en movimiento dinámico. Con este enfoque, se hizo posible registrar los espectros quirales de una sola nanoestructura en solución. De hecho, ese espectro hace que se pueda observar una novedad a la que nunca antes se había accedido.
"En la medición del conjunto clásico medimos un promedio de miles de millones de nanopartículas. Debido a las inevitables imperfecciones durante la fabricación de tantas estructuras individuales, la señal registrada es un promedio sobre muchas formas diferentes. En contraste, aquí la observación ocurre en una sola nanoestructura", dice Peer Fischer, que dirigió el estudio y dirige el Laboratorio de Micro Nano y Sistemas Moleculares y que es profesor de la Universidad de Stuttgart.
Un gran desafío fue inventar un novedoso esquema de detección que permitiera la adquisición simultánea de ambos espectros, el derecho y el izquierdo, polarizados circularmente, en "un solo disparo". "El concepto es tan simple como ingenioso porque utiliza sólo ópticas de polarización fija para separar espacialmente la luz polarizada circularmente a la izquierda y a la derecha y luego detectarlas en diferentes lugares en un detector de cámara especializado", dice Johannes Sachs, quien, junto con Jan-Philipp Günther es el primer autor del estudio que apareció en Nature Communications.
Los científicos pudieron utilizar el microscopio para registrar los espectros ópticos de las nanopartículas en tiempo real, lo que permitió realizar mediciones con resolución temporal. Basándose en el nuevo dispositivo, el equipo demostró cómo el espectro quiral de una sola nanopartícula depende sensiblemente de su orientación. Los investigadores demostraron entonces que podían utilizar el movimiento Browniano - las fluctuaciones térmicas aleatorias que experimenta cualquier objeto pequeño - para observar la nanopartícula en todos los ángulos. Esto proporciona la misma información que el espectro promedio del conjunto clásico, pero con una sola partícula en lugar de varios miles de millones de partículas.
Los científicos creen que sus hallazgos y el novedoso concepto es una plataforma prometedora para futuras aplicaciones de detección. "El uso de partículas individuales permite trabajar en volúmenes de muestra ultra-bajos y con una alta localización, por ejemplo, dentro de células individuales", dice Johannes Sachs. Además, el espectro de una sola nanopartícula metálica es muy sensible a los cambios del entorno local de las partículas, por ejemplo, cuando una sola molécula se acerca o una proteína unida cambia su conformación. "La capacidad de observar el espectro quiral de una sola partícula a lo largo del tiempo puede revelar detalles sobre los procesos de reacción locales, que quedarían ocultos en una medición convencional que promedie la respuesta de un gran número de partículas", dice Jan-Philipp Günther.
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