Амінокислоти допомогли отримати хіральні плазмонні наночастинки

Корейські хіміки запропонували метод синтезу хіральних золотих наночастинок з використанням амінокислоти цистеїну виділеної хіральності або олігопептидів на її основі. Отримані за допомогою розробленої методики плазмонні частинки вибірково поглинають світло різної поляризації і можуть бути використані, наприклад, для створення тривимірних оптичних метаматеріалів, пишуть вчені в.

Робота багатьох оптичних нано- і мікроустроїв заснована на використанні металевих наночастинок, які здатні вибірково поглинати світло певної хвилі за рахунок збудження на своїй поверхні резонансного поверхневого плазмона. При цьому частота колективних коливань електронів у частці залежить від її розміру і форми, тому, змінюючи їх, можна керувати оптичними властивостями таких пристроїв. Часто для синтезу металевих наночастинок із заданими плазмонними властивостями вчені застосовують методи, засновані на використанні біологічних сполук. Наприклад, для цих цілей неодноразово застосовували методику ДНК-орігамі (1, 2, 3). До переваг використання біологічних полімерів, крім досить точного контролю за формою наночастинок, відносять і можливість отримання хіральних структур. Наприклад, за допомогою тієї ж методики ДНК-орігамі вченим вже вдавалося отримувати різноманітні хіральні плазмонні структури, які по-різному взаємодіють зі світлом різної поляризації.

Однак ДНК - не єдина біомолекула, яка володіє виділеною хіральністю, і хіміки з Південної Кореї під керівництвом Нама Кі-Тхе (Ki Tae Nam) з Сеульського університету запропонували для отримання хіральних плазмонних золотих наночастинок використовувати інші молекули з хіральною активністю - амінокислоти і олігопептиди.

Автори статті описали двостадійний процес зростання золотих наночастинок, що відбувається у водному середовищі в присутності тіолів. На першому етапі вчені синтезували в розчині ізотропні золоті наночастинки однакового розміру, а на другому етапі - за допомогою одного з двох енантіомерів цистеїну (L або D) або олігопептидів на його основі цим золотим частинкам надавалася хіральна структура. Цистеїн - амінокислота, в бічний ланцюг якої присутня SH-група, яка може міцно зв'язуватися із золотом, виступаючи важливим учасником реакції відновлення іона золота до металу. Якщо при цьому якщо всі амінокислоти в розчині мають виражену хіральність, то це позначається і на формі наночастинок.

У результаті запропонованої методики відбувалося утворення частинок розміром близько 150 нанометрів з кубічним або октаедричним ядром, на поверхні якого формувалися досить складні спіральні структури, закручені по або проти годинникової стрілки залежно від типу енантіомера, який використовувався під час синтезу. При цьому, варіюючи тип речовини (окремі молекули цистеїну або олігопептиди), можна було домогтися отримання частинок, що досить сильно відрізняються за формою.

Отримані наночастинки вчені досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії та вимірювання кругового дихроїзму на різних довжинах хвиль. Виявилося, що правозакручені частинки, синтезовані за допомогою L-цистеїну, вибірково поглинали лівополяризоване світло, а лівозакручені - навпаки, правополяризоване. При цьому частка частинок виділеної хіральності в отриманих зразках склала понад 80 відсотків.

Вчені уважно вивчили оптичні властивості плазмонних частинок різної геометрії і виявилося, що найбільшою хіральною активністю володіють частинки, в яких зародок, який утворювався на першій стадії синтезу і мав октаедричну форму, а не кубічну. При цьому максимальна ефективність була у спіралеподібних частинок, що фактично складаються з восьми закручених «крил».

Ці частинки проявляли хіральну активність у діапазоні довжин хвиль від 552 до 668 нанометрів, вибірково поглинаючи світло однієї поляризації. Що цікаво, хіральною активністю володів і розчин плазмонних частинки, в якому вони були розподілені випадковим чином. При цьому зміну поляризації світла, що пройшов крізь розчин хіральних частинок, можна виміряти і при повороті детектора випромінювання. Якщо для світла, що пройшов через розчин ахіральних плазмонних частинок, інтенсивність випромінювання змінюється симетрично для повороту в обох напрямках, то для світла, що пройшов через розчин хіральних золотих частинок, відбувається несиметрична зміна довжини хвилі.

За словами вчених, запропонований ними метод отримання хіральних плазмонних наночастинок можна використовувати для отримання тривимірних оптичних метаматеріалів з налаштованими властивостями, в тому числі для створення дисплеїв або голографічних пристроїв.

Плазмонні матеріали, що по-різному взаємодіють з кольором різної поляризації, нерідко використовуються при отриманні кольорових зображень з незвичайними властивостями. Наприклад, на основі плазмонних наночастинок алюмінію австралійські фізики створили кольорове зображення, яке може змінювати кольоровість залежно від поляризації падаючого на них світла. А вчені з Шотландії запропонували використовувати подібний механізм для створення поверхонь, на яких можна закодувати одночасно два зображення високої роздільної здатності.