Ultraviolette meta-oppervlakken kunnen de handigheid van biomoleculen onderscheiden met attomolaire gevoeligheid

Onderzoekers van LSU hebben, in samenwerking met het Zuse Institute in Berlijn, Duitsland, een ultraviolet meta-oppervlak ontwikkeld dat onderscheid maakt tussen links- en rechtshandige aminozuren met attomolaire gevoeligheid.

Dat werk is net gepubliceerd in Nano-letters en getiteld “Resonant Plasmonisch-Biomolecular Chiral Interactions in the Far-Ultraviolet: Enantiomeric Discrimination of sub-10 nm Amino Acid Films.”

“Het detecteren van de handigheid van verdunde concentraties van biomoleculen is een belangrijke stap naar de vroege detectie van veel neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, Huntington of Parkinson”, zegt LSU Chemical Engineering Associate Professor Kevin McPeak, hoofdauteur van het artikel.

“Het unieke aan ons werk is dat we een aluminium meta-oppervlak hebben ontwikkeld met chiroptische resonanties die overlappen met het bio-chirale signaal. Het ontwikkelen van meta-oppervlakken met een ultraviolette chirale respons in resonantie met biomoleculaire chiraliteit is van cruciaal belang voor het maximaliseren van de signaalversterking van zwakke biomoleculaire activiteit.”

Resonante plasmonisch-moleculaire chirale interacties zijn een veelbelovende route naar verbeterde biosensing, schrijft de groep. Biomoleculaire optische activiteit bestaat echter voornamelijk in het verre-ultraviolette regime, wat aanzienlijke uitdagingen vormt voor spectrale overlap met huidige meta-oppervlakken. De groep ontwikkelde een optisch model van een chirale biomoleculaire film op een plasmonisch meta-oppervlak. Het model toonde aan dat detecteerbare verbeteringen in de chiroptische signalen van de biomoleculen alleen mogelijk waren wanneer er een nauwe spectrale overlap bestaat tussen de plasmonische en biomoleculaire chirale responsen.

“Chirale objecten zijn objecten waarvan het spiegelbeeld niet over elkaar heen kan worden gelegd,” zei McPeak. “Je handen zijn hier een goed voorbeeld van. Biomoleculen, zoals aminozuren en eiwitten, die veel van de biologische processen in ons lichaam regelen, zijn ook chiraal. Licht kan ook chiraal zijn door polarisatie. Chiraal-chirale interacties zijn denkbaar zoals handenschudden, dwz twee rechterhanden schudden werkt, terwijl het schudden van de rechterhand naar de linkerhand tot ongemakkelijke momenten kan leiden.

“Hierdoor absorberen chirale biomoleculen chiraal licht op een manier die ons de structuur van de moleculen laat begrijpen. Het probleem is dat dit een zeer zwak effect is en daarom missen we veel informatie. Maar meta-oppervlakken met chirale resonanties in hetzelfde golflengteregime aangezien de biomoleculaire chirale respons (bijv. ver-ultraviolet) de zwakke, chirale biologische signalen kan versterken. Door de plasmonische chirale respons af te stemmen op het ver-ultraviolette regime, waar biomoleculen hun chirale respons hebben, maximaliseren we de potentiële signaalversterking en brengen ze in resonantie.”