Лазерный мир

В мире молекул «рукость» решает очень многое. Огромное число веществ существует в двух зеркальных формах — как левая и правая ладонь: выглядят одинаково, но не совмещаются при наложении. И ведут себя в живом организме порой совершенно по-разному.

• Винт и гайка
• Как ставили эксперимент
• Почему это проще, чем было, и что дальше

Эти две формы называют энантиомерами. Различить их — задача, над которой химики и физики бьются десятилетиями, и от её решения напрямую зависит безопасность лекарств: один энантиомер может лечить, а его зеркальный близнец — оказаться бесполезным или опасным.

Учёные из Института фундаментальных исследований Тата, Индийского технологического института в Бомбее и Индийского технологического института в Хайдарабаде предложили новый оптический подход. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Винт и гайка

Удобная аналогия — резьбовое соединение. Правая гайка навинчивается только на правый винт; левый в неё попросту не пойдёт. Исследователи показали, что свет можно «нарезать» так, чтобы он вёл себя как такой пробник с резьбой и по-разному взаимодействовал с молекулами в зависимости от их рукости.

Обычно оптические методы определения хиральности используют свет со спиновым угловым моментом — грубо говоря, вращающийся вокруг собственной оси. Новая работа добавляет второй параметр: орбитальный угловой момент. Такой луч не просто вращается — он закручивается по мере распространения, образуя винтовую структуру.

Когда закрученный свет попадает на хиральные молекулы, результат чувствительно зависит от того, насколько «шаг резьбы» света совпадает с внутренней рукостью молекулы. По данным авторов, сочетание орбитального и спинового момента повышает хиральную избирательность до четырёх раз.

Как ставили эксперимент

Схема оказалась на удивление лаконичной:

В качестве мишени взяли газообразные образцы камфоры — классическую хиральную молекулу, в её левой (1S) и правой (1R) формах.

По ним били сверхкороткими лазерными импульсами длительностью в несколько сотен фемтосекунд и энергией в несколько сотен микроджоулей, с контролируемыми спином и закруткой.

Молекулы под таким воздействием разлетались на заряженные осколки.

Осколки анализировали времяпролётным масс-спектрометром — прибором, который измеряет, как быстро ионы долетают до детектора, и по этому определяет их массу.

Ключевое наблюдение: количество образующихся фрагментов зависело от сочетания закрутки света и рукости молекулы.

То есть, чтобы отличить одну зеркальную форму от другой, достаточно сравнить число ионных осколков. Никаких дополнительных ухищрений не требуется.

Почему это проще, чем было, и что дальше

Традиционные методы детектирования хиральности опираются либо на измерение крошечных различий в поглощении света, либо на отслеживание углового распределения вылетающих электронов. И то и другое требует сложных установок, аккуратной юстировки и, как правило, схем совпадений.

Новый подход считывает хиральность прямо из ионного сигнала. Угловые измерения и детектирование совпадений не нужны. Это одновременно упрощает установку и повышает чувствительность измерения.

Есть и второй важный момент. Молекулы изучаются в газовой фазе, то есть в изоляции от растворителей и поверхностей, которые обычно вмешиваются в результат. Это позволяет наблюдать собственное взаимодействие света и молекулярной структуры более напрямую. А структурированный свет дополнительно усиливает это взаимодействие, давая различия между энантиомерами заметно более выраженные, чем при обычных оптических методах.

Практический интерес здесь очевиден и денежен. Фармацевтика тратит колоссальные ресурсы на разделение и контроль энантиомеров: в производстве лекарств правильная зеркальная форма — вопрос не эстетики, а эффективности и безопасности. Молекулярная диагностика тоже нуждается в быстрых и надёжных способах определения хиральности.

Авторы формулируют перспективу через ту же метафору: речь идёт о том, чтобы «подобрать резьбу» между светом и веществом, используя закрученные лазерные лучи как пробник молекулярной рукости. Сочетание продвинутого управления формой лазерного пучка с масс-спектрометрией, по их мнению, указывает на более простой и лучше масштабируемый путь к детектированию хиральности — как в фундаментальной науке, так и в прикладном химическом анализе.

Стоит трезво добавить, что от лабораторной демонстрации на камфоре до серийного прибора для контроля качества дистанция немалая: фемтосекундные лазерные системы дороги, а работа с газовой фазой подходит далеко не всем веществам. Но принцип показан, и он проще всего, что использовалось для этой задачи раньше.

Источник: https://pronedra.ru/twisted-laser-mirror-molecules-826531.html