los puntos principales

• El grupo de investigación propuso y probó una nanoantena que utiliza la resonancia óptica específica de nanopartículas dieléctricas para formar un campo cercano de luz polarizada circularmente.
• Esta técnica apoya la respuesta selectiva de la luz polarizada circularmente a las moléculas quirales.
• Los resultados de este estudio deberían proporcionar aplicaciones en el análisis de quiralidad y reacciones fotoquímicas asimétricas de biomoléculas, productos químicos y farmacéuticos.

Fondo de investigación

La palabra “quiral” se refiere a una propiedad de un material que no se puede superponer a su imagen especular. Debido a que los isómeros de imagen especular de las moléculas quirales tienen efectos fisiológicos dramáticamente diferentes, existe una gran demanda en los campos de las ciencias de la vida y la farmacología de nuevas técnicas para identificar y clasificar eficientemente los isómeros espejo. Los métodos de detección y las reacciones fotoquímicas que utilizan la diferencia en la absorción óptica de la luz polarizada circularmente izquierda y derecha (dicroísmo circular) están disponibles en moléculas quirales, pero el análisis que utiliza estas técnicas actuales requiere concentraciones de muestra altas y tiempos de medición prolongados. Estos requisitos se derivan de la diferencia de absorción insignificante entre la luz polarizada circularmente izquierda y derecha debido al pequeño tamaño de las partículas quirales en relación con el paso helicoidal de esta luz. El aumento del dicroísmo circular requiere una técnica que cree campos mejorados con polarización circular en regiones a nanoescala más pequeñas que las longitudes de onda ópticas. El contraste óptico, que es una medida de la polarización circular potenciada por el campo, se maximiza cuando se potencian los campos eléctrico y magnético, y se conserva la orientación manual de la polarización circular incidente (helicoidal). Sin embargo, las nanoantenas convencionales (por ejemplo, las nanoantenas metálicas con resonancias de plasmón localizadas en la superficie¹) interactúan con el campo eléctrico incidente, pero su respuesta al campo magnético incidente es despreciable, lo que dificulta la conservación de la antena. Por lo tanto, es necesario desarrollar un nuevo tipo de nanoantena que resuene tanto en campos eléctricos como magnéticos.

Resumen del estudio

Este estudio se centró en el Mi echo² de nanopartículas dieléctricas con un alto índice de refracción. Las resonancias de Mie incluyen resonancias dipolares eléctricas y magnéticas (Fig. 1, izquierda), y las nanopartículas dieléctricas con resonancias de Mie bajas en rangos de frecuencia de luz pueden mejorar tanto los campos eléctricos como magnéticos incidentes. Estas nanopartículas son electromagnéticamente simétricas y se denominan nanoantenas “acopladas” (Fig. 1, derecha). Las nanoantenas duales mejoran el contraste óptico a través de sus respectivas resonancias, aunque estas nanoantenas tienen un efecto aquiral.³ edificio. En este caso, la luz dispersada por la resonancia conserva la helicidad de la luz incidente (polarizada circularmente). En este estudio, el equipo de investigación desarrolló un nuevo tipo de nanoantena que puede aumentar los campos electromagnéticos y mantener la polarización circular utilizando resonancias de Mie en el espectro óptico e infrarrojo cercano.

En primer lugar, los investigadores calcularon la densidad helicoidal de resonancia óptica en nanopartículas de silicio basándose en la teoría de Mie. Muestran que estas partículas mantienen la quiralidad de la luz polarizada circularmente incidente en condiciones de Kirker.⁴– igual intensidad y fase en resonancias dipolares eléctricas y magnéticas – forman un campo cercano de luz polarizada circularmente. Para demostrar esta propiedad, el grupo de investigación utilizó una solución coloidal de nanopartículas de silicio que desarrollaron de forma independiente. La Figura 2(a) muestra la imagen de soluciones coloidales de nanopartículas de silicio de diferentes tamaños. Prevenir la distribución del tamaño a menos del 5% da como resultado una coloración biodispersa. El equipo construyó una configuración para la medición precisa de los componentes polarizados circularmente para diestros y zurdos de la luz dispersada cuando las nanopartículas se irradian con luz polarizada circularmente en el sentido de las agujas del reloj, para obtener un espectro de intensidad de la espiral. Las partículas que no tienen esta ‘doble’ resonancia (por ejemplo, las nanopartículas de oro) presentan cambios en la polarización de la luz dispersada, como se muestra en la Fig. 2(b), y no mantienen la inversión de la luz incidente. La densidad de la antena es casi cero tanto en los experimentos como en los cálculos, como se muestra en la Fig. 2(c). Mientras tanto, las nanopartículas “dobles” que cumplen las condiciones de Kirker mantienen la birrefringencia dispersada por la luz de la luz incidente polarizada circularmente (Fig. 2 (d)). La solución coloidal de las nanopartículas de silicio que se muestra en la Fig. 2(e) permite que la densidad helicoidal alcance un valor teórico de 0,96 y un valor experimental de 0,7 a una longitud de onda de aproximadamente 680 nm. Este resultado indica la formación de un campo cercano circularmente polarizado en la superficie de las nanopartículas. El grupo de investigación realizó mediciones similares en nanopartículas de silicio con diámetros promedio que oscilan entre 114 y 179 nm y demostraron que la conservación en espiral de la luz polarizada circularmente incidente es posible en longitudes de onda de 550 a 750 nm.

futuros desarrollos

Los campos cercanos de luz polarizada circularmente mejoran la interacción entre la luz y las moléculas quirales. Este efecto mejora el dicroísmo circular de las moléculas quirales, lo que permite la detección y el análisis de alta sensibilidad y aumenta la eficiencia de las reacciones fotoquímicas asimétricas, con aplicaciones potenciales en el campo farmacéutico. Además, la solución de nanopartículas desarrollada tiene el potencial de usarse como un nuevo fluido para controlar la polarización de la luz.

Glosario

¹Resonancia de Mie: un fenómeno de dispersión resonante que se encuentra en dieléctricos de alto índice de refracción que se observan en partículas esféricas de tamaño de luz inferior a la longitud de onda, cuya solución exacta fue derivada por Gustav Mie en 1908. La resonancia de Mie combina resonancias eléctricas y magnéticas en respuesta a incidentes eléctricos y magnéticos. resonancias campos. El tamaño de partícula puede controlar la longitud de onda de resonancia.

² Resonancia de plasmón superficial localizada: fenómeno de resonancia óptica generado por nanoestructuras metálicas, que surge de la oscilación colectiva de electrones libres en el metal. La resonancia eléctrica ocurre principalmente en respuesta a un campo eléctrico incidente.

³ Aquiral: Que tiene la propiedad de poder superponer una sustancia a su imagen especular, en contraste con la propiedad de quiralidad en la que una sustancia no puede superponerse a su imagen especular.

⁴ Condiciones de Kirker: condiciones de longitud de onda en las que la magnitud y la fase de los dipolos de resonancia del dipolo eléctrico y magnético son idénticas.

gracias y aprecio

Esta investigación fue apoyada por la Agencia Japonesa para la Ciencia y la Tecnología (JST) a través del programa Fusion Oriented Research for Disruptive Science and Technology (FOREST) ​​(JPMJFR213L) (investigador principal: SUGIMOTO Hiroshi) y la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) subvención en ayuda Exploratory Research Challenge (22K18949) (investigador principal: FUJII Minoru).