Группа ученых из Университета ИТМО и Тринити-Колледжа экспериментально продемонстрировала, что нанокристаллы, полученные по стандартной методике, обладают естественной хиральностью и образуют смесь из зеркальных отражений друг друга. Понимание этого фундаментального явления открывает новые горизонты в области нанобиотехнологии и биомедицины, например, для адресной доставки лекарств. Результаты своей работы ученые представили на страницах двух журналов: Nano Letters и Nature Protocols.

С момента появления первых искусственных нанокристаллов считалось, что свойство хиральности, то есть несовместимости со своим зеркальным отражением, в них либо отсутствует, либо проявляется хаотично. Совместный эксперимент, проведенный учеными из лаборатории «Оптика квантовых наноструктур» Университета ИТМО и Центра адаптивных наноструктур и наноустройств (CRANN) Тринити-Колледжа, впервые показал, что стандартные нанокристаллы (квантовые точки и стержни из селенида кадмия), на самом деле, формируют рацемическую (50:50) смесь «правых» и «левых» хиральных форм. До сих пор хиральные формы нанокристаллов удавалось создать лишь искусственно путем присоединения к поверхности нанокристаллов специальных хиральных молекул-лигандов.

Хиральность присуща многим объектам окружающего мира, начиная от элементарных частиц и заканчивая спиральными галактиками. Наше тело, как и многие другие сложные биологические объекты, состоит практически полностью из хиральных биомолекул. При этом биологическая активность «правой» и «левой» форм одного и того же вещества может быть совершенно разной. Часто только одна из форм пригодна в пищу или обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как ее антипод будет в лучшем случае бесполезным, а в худшем — вызовет нежелательные побочные эффекты или окажется токсичным. Например, молекулы известного болеутоляющего лекарства ибупрофен имеют два зеркальных изомера. Один из них помогает избавится от боли, тогда как другой боль не утоляет и является токсичным для организма.

Ключевым признаком хиральной среды является так называемая оптическая активность: в зависимости от хиральной формы нанокристалла он будет закручивать плоскость поляризации проходящего света либо вправо, либо влево. При этом обычный раствор из нанокристаллов по умолчанию не обладает оптической активностью, что всегда принималось за свидетельство отсутствия у нанокристаллов хиральных форм. Разделив лево- и правовращающие формы нанокристаллов, ученым удалось доказать обратное.

Мария Мухина, первый автор статьи и научны...

Мария Мухина, первый автор статьи и научный сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур»

«Отсутствие оптической активности в растворе нанокристаллов можно объяснить тем, что в рацемической (50:50) смеси «левые» и «правые» формы гасят друг друга, закручивая плоскость поляризации одновременно в противоположные стороны, — рассказывает Мария Мухина, научный сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур». — Само же существование собственной хиральности в нанокристаллах мы объясняем хиральными дефектами естественного происхождения».

Правовращающие и левовращающие квантовые т...

Правовращающие и левовращающие квантовые точки с правыми и левыми винтовыми дислокациями

Юрий Гунько, профессор Тринити-Колледжа и соруководитель международного научно-образовательного центра «Физика наноструктур» Университета ИТМО рассказал пресс-службе о возможных применениях разработанного группой метода:

«Во всем мире существует огромная потребность в новых способах получения хиральных наночастиц. Мы рассчитываем, что наш метод найдет применение в биофармацевтике, нанобиотехнологии, нанотоксикологии и биомедицине, в особенности для медицинской диагностики и адресной доставки лекарств. По сути, если все наночастицы действительно хиральны, то при взаимодействии с биологическим объектом 50% смеси наночастиц проникнут в него, в то время как другие 50% останутся снаружи. Для нанотоксикологии, например, такой вывод имеет критическое значение, а раньше этого никто не учитывал. Кроме того, поскольку квантовые точки могут сами испускать левовращающий и правовращающий поляризованный свет, возможность их эффективного изготовления позволит разработать совершенно революционные устройства — голографические дисплеи с трехмерным изображением и многое другое».

Чтобы разделить разные формы нанокристаллов и зафиксировать проявление их собственной хиральности, ученым потребовалось разработать специальный метод, который, по мнению группы, может оправдать себя с большинством других неорганических наночастиц.

Метод заключался в следующем: исследователи поместили нанокристаллы в двухфазный несмешиваемый раствор из воды и органического растворителя (хлороформ). Нанокристаллы не растворяются в воде, поэтому для их перевода из органической фазы в водную ученые добавили в раствор хиральную молекулу цистеин, которая часто используется в качестве связующего лиганда для такого межфазового перевода. Цистеин замещает уже имеющиеся на поверхности гидрофобные лиганды и делает нанокристаллы водорастворимыми. Причем в конечном итоге, независимо от хиральной формы цистеина, в воде оказываются все нанокристаллы без исключения. Оказалось, что если охладить раствор и в определенный момент прервать процесс перевода нанокристаллов из одной фазы в другую, можно добиться ситуации, когда ансамбль нанокристаллов поровну поделится между фазами. При этом «левые» и «правые» нанокристаллы окажутся в разных фазах.

Оптическая активность у нанокристаллов, разделенных таким образом, сохраняется даже при дальнейшем удалении цистеина с поверхности, что дополнительно свидетельствует о естественном происхождении хиральности в нанокристаллах.

Пресс-служба Университета ИТМО выражает благодарность Юрию Гунько, Марии Мухиной и Елене Ушаковой за помощь в подготовке пресс-релиза.

Пресс-служба Университета ИТМО