Как описано в статье в Nature, доктор наук Дэвид Паттерсон, профессор физики Джон Дойл и доктор. Мелани Шнелл из Центра лазерных исследований на свободных электронах (CFEL) в Гамбурге, Германия, разработала систему, которая использует точно настроенные микроволновые поля для идентификации различных вариантов молекул и определения количества вариантов в смеси.
По словам исследователей, способность различать такие варианты имеет решающее значение, поскольку многие химические соединения существуют в двух формах, каждая из которых является зеркальным отображением другого. Такие молекулы называются хиральными, от древнегреческого «рука», и часто описываются как «правые» или «левосторонние»."
Ученые говорят, что важно знать, является ли молекула правосторонней или левосторонней, потому что каждый тип молекулы ведет себя по-разному в химических реакциях. Например, большая часть биологии основана на идее, что аминокислоты «левосторонние», а молекулы сахара – «правосторонние»."
«Неправильный тип соединения может функционировать в организме совершенно по-разному», – объясняет Шнелл, возглавляющий независимую исследовательскую группу Макса Планка по структуре и динамике молекул в CFEL. «В лучшем случае это просто неэффективно. В худшем случае токсичен."
Проблема, однако, заключается в том, что отличить два варианта хиральной молекулы обособленно – непростая задача.
Распространенный способ различать их – пропускать через них линейно поляризованный свет. В то время как один вариант поворачивает плоскость поляризации влево, другой – вправо. Проблема с этим методом, по словам исследователей, заключается в том, что он дает довольно слабые эффекты и может использоваться только с жидкими образцами, и его может быть трудно использовать с образцами, которые содержат смесь многих различных видов.
«Чрезвычайно распространенная ситуация – иметь смесь – скажем, образец крови или что-то из сложного химического процесса – которая содержит левую версию одних соединений и правую версию других – например, левосторонний аланин. вместе с правой лимонной кислотой.
Оптическая поляриметрия действительно борется с такой ситуацией – если существует более трех соединений, это довольно безнадежно. Мы надеемся, что наша методика предоставит инструмент, позволяющий произвести полный анализ такой смеси."
Напротив, метод, разработанный Паттерсоном, Дойлом и Шнеллом, для сравнения, полагается на так называемый электрический дипольный момент каждой молекулы или способ взаимодействия каждой из них с внешним электрическим полем. Как следствие их конструкции зеркального изображения, молекулы вращаются в противоположных направлениях при приложении определенных микроволновых полей – и это приводит к сигнатуре, которая сообщает, являются ли молекулы левыми или правыми.
Чтобы измерить дипольный момент молекул, команда использовала микроволны.
Исследователи загрузили газовый образец в камеру, а затем охладили его до -226 градусов по Цельсию. Поскольку холодный газ взаимодействует с точно настроенным микроволновым полем, которое заставляет молекулы вращаться и испускать собственное микроволновое излучение. Наблюдая за этими выбросами, исследователи могут определить, являются ли молекулы правосторонними или левосторонними.
Исследователи протестировали свой метод с использованием органического соединения 1,2-пропандиола и смогли надежно различить два варианта, а также определить соотношение вариантов в смеси путем точной настройки частоты микроволн.
«Вскоре мы сможем измерять смеси различных соединений и определять энантиомерные отношения каждого из них», – объясняет Шнелл. На следующем этапе исследователи планируют применить эту технику в широкополосном спектрометре в CFEL, который затем сможет измерять отношения в других смесях веществ.
В более долгосрочной перспективе этот метод открывает захватывающие перспективы для разработки метода разделения вариантов – метода, который в случае успеха может представлять большой интерес для ряда отраслей, особенно для разработки новых фармацевтических препаратов.