Многие молекулы могут существовать в двух формах, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга, подобно левой и правой руке. Несмотря на внешнее сходство, такие молекулярные двойники могут проявлять различные свойства, особенно в биологических системах и фармацевтических препаратах. Различение этих энантиомеров (или хиральных молекул) остаётся важной задачей в науке и технологиях.

Принцип хиральности и роль структурированного света

Для понимания молекулярной хиральности можно использовать аналогию с винтом и гайкой: правый винт подходит к правой резьбе, а левый — нет. Исследования показали, что специально структурированный свет способен выполнять функцию своеобразного резьбового зонда, взаимодействуя с молекулами по-разному в зависимости от их хиральности.

Разработка нового метода

Учёные из Tata Institute of Fundamental Research, Indian Institute of Technology Mumbai и Indian Institute of Technology Hyderabad создали свет, который не только вращается, но и закручивается по мере распространения. При столкновении такого света с хиральной молекулой характер взаимодействия зависит от совпадения направления закрутки света с природной хиральностью молекулы. Это приводит к измеримой разнице, позволяющей определить, какая из зеркальных форм присутствует.

Проведение экспериментов

Эксперименты проводились в лазерной лаборатории TIFR Hyderabad. Исследователи направляли ультракороткие лазерные импульсы (длительностью несколько сотен фемтосекунд) с контролируемым вращением и закруткой на газовые образцы R- и S-камфоры — известных хиральных молекул. Лазерные импульсы вызывали распад молекул на заряжённые фрагменты, которые затем анализировались с помощью масс-спектрометра времени пролёта. Этот прибор определяет ионы по скорости их достижения детектора: лёгкие фрагменты прибывают быстрее тяжёлых.

Ключевые результаты

Было установлено, что количество образовавшихся фрагментов зависит от сочетания закрутки света и хиральности молекулы. Сравнение числа фрагментов позволило различить две зеркальные формы. В отличие от традиционных методов, которые измеряют незначительные различия в поглощении света или отслеживают направления испускания электронов и требуют сложного оборудования и точных настроек, новая методика определяет хиральность напрямую по ионным сигналам, что упрощает измерения и повышает чувствительность.

Преимущества и перспективы

Исследования проводились на молекулах в газовой фазе, что исключало влияние растворителей и поверхностей и позволяло более точно наблюдать взаимодействие структурированного света с формой молекулы. Использование закрученного света усилило различие между энантиомерами, благодаря чему сигналы оказались значительно сильнее по сравнению с традиционными оптическими методами.

Значение для науки и технологий

Полученные результаты открывают новый способ взаимодействия света и вещества. Применение закрученных лазерных лучей в качестве зондов позволяет более просто и точно определять хиральность молекул. Эта методика может найти применение в химии, биологии и фармацевтике, где выбор правильного энантиомера критически важен, поскольку зеркальные формы одной и той же молекулы могут обладать совершенно разными биологическими или медицинскими свойствами.