Un team di scienziati dell’Università di Bath ha fatto una scoperta rivoluzionaria nel campo della spettroscopia molecolare. Utilizzando una tecnica avanzata chiamata iper-Raman, gli studiosi sono riusciti a penetrare più a fondo nella struttura delle molecole, rivelando stati energetici finora inaccessibili. Questa scoperta apre nuove prospettive per lo studio di processi molecolari complessi e potrebbe avere importanti implicazioni in settori come la chimica, la biologia e la scienza dei materiali.
l’iper-Raman rivoluziona l’analisi molecolare
Le molecole possiedono livelli energetici vibrazionali e rotazionali ben definiti. Quando una radiazione elettromagnetica interagisce con una molecola, può eccitarla a un livello energetico virtuale superiore. Durante il decadimento da questo stato, la molecola può emettere un fotone con una frequenza diversa da quella incidente, dando luogo all’effetto Raman. L’analisi dello spettro Raman permette di identificare le frequenze caratteristiche delle vibrazioni molecolari, fornendo così informazioni dettagliate sulla struttura e sulla composizione di un campione.
L’effetto Raman, pur essendo una tecnica analitica molto versatile, presenta dei limiti. Alcune transizioni molecolari, infatti, hanno una probabilità di scattering Raman molto bassa o addirittura nulla. Per ovviare a questa limitazione, si ricorre all’iper-Raman, una tecnica che permette di rivelare transizioni vibrazionali e rotazionali proibite nella spettroscopia Raman tradizionale. Combinando le informazioni ottenute dalle due tecniche, è possibile ottenere un quadro più completo e accurato della struttura molecolare.
L’effetto iper-Raman è un fenomeno più avanzato del semplice Raman. Si verifica quando due fotoni impattano simultaneamente sulla molecola e poi si combinano per creare un singolo fotone disperso che mostra un cambiamento di colore Raman.
L’iper-Raman può penetrare più in profondità nei tessuti viventi, è meno probabile che danneggi le molecole e produce immagini con un contrasto migliore (meno rumore da autofluorescenza). È importante notare che, mentre i fotoni iper-Raman sono ancora meno di quelli nel caso del Raman, il loro numero può essere notevolmente aumentato dalla presenza di minuscoli pezzi di metallo (nanoparticelle) vicino alla molecola.
Nonostante i suoi notevoli vantaggi, finora la tecnica iper-Raman non è stata in grado di studiare una proprietà fondamentale della vita: la chiralità.
L’iper-Raman conferma una teoria di 45 anni
Nelle molecole, la chiralità si riferisce al loro senso di torsione, in molti modi simile alla struttura elicoidale del DNA. Molte biomolecole mostrano chiralità, tra cui proteine, RNA, zuccheri, amminoacidi, alcune vitamine, alcuni steroidi e diversi alcaloidi.
Anche la luce può essere chirale e nel 1979 i ricercatori David L. Andrews e Thiruiappah Thirunamachandran hanno teorizzato che la luce chirale utilizzata per l’effetto iper-Raman potesse fornire informazioni tridimensionali sulle molecole, rivelandone la chiralità.
Ci si aspettava, tuttavia, che questo nuovo effetto, noto come attività ottica iper-Raman, fosse molto sottile, forse persino impossibile da misurare. Gli sperimentatori che non sono riusciti a osservarlo hanno lottato con la purezza della loro luce chirale. Inoltre, poiché l’effetto è molto sottile, hanno provato a usare grandi potenze laser, ma questo ha finito per danneggiare le molecole studiate.
Il Professor Ventsislav Valev che ha guidato sia il team di Bath che lo studio, ha spiegato: “Mentre i tentativi precedenti miravano a misurare l’effetto direttamente dalle molecole chirali, abbiamo adottato un approccio indiretto. Abbiamo impiegato molecole che non sono chirali di per sé, ma le abbiamo rese tali assemblandole su un’impalcatura chirale. Nello specifico, abbiamo depositato molecole su minuscole nanoeliche d’oro che hanno effettivamente conferito la loro torsione (chiralità) alle molecole”.
Egli ha poi aggiunto: “Le nanoeliche d’oro hanno un altro vantaggio molto significativo: fungono da minuscole antenne e focalizzano la luce sulle molecole. Questo processo aumenta il segnale iper-Raman e ci ha aiutato a rilevarlo. Tali nanoeliche non erano presenti nel documento teorico del 1979 e per tenerne conto ci siamo rivolti a nientemeno che a uno degli autori originali e pioniere di questo campo di ricerca”.
L’iper-Raman: una svolta per la scienza
Il Professore Emerito Andrews dell’Università di East Anglia e coautore del documento ha affermato: “È molto gratificante vedere questo lavoro sperimentale confermare finalmente la nostra previsione teorica dopo tutti questi anni. Il team di Bath ha eseguito un esperimento eccezionale”.
Questo nuovo effetto potrebbe servire ad analizzare la composizione dei prodotti farmaceutici e a controllarne la qualità. Può aiutare a identificare l’autenticità dei prodotti e a rivelare i falsi. Potrebbe anche servire a identificare droghe illegali ed esplosivi alla dogana o sulle scene del crimine.
Aiuterà a rilevare gli inquinanti nei campioni ambientali di aria, acqua e suolo. Potrebbe rivelare la composizione dei pigmenti nell’arte per scopi di conservazione e restauro e probabilmente troverà applicazioni cliniche per la diagnosi medica rilevando i cambiamenti molecolari indotti dalle malattie.
Il professor Valev ha affermato: “Questo lavoro di ricerca è stato una collaborazione tra teoria chimica e fisica sperimentale per molti decenni e tra accademici di tutti i livelli, da studenti di dottorato a professori emeriti. Ci auguriamo che possa ispirare altri scienziati e che possa aumentare la consapevolezza che il progresso scientifico spesso richiede molti decenni”.
Guardando al futuro ha aggiunto: “La nostra è la prima osservazione di un meccanismo fisico fondamentale. C’è ancora molta strada da fare prima che l’effetto possa essere implementato come uno strumento analitico standard che altri scienziati possano adottare. Non vediamo l’ora di intraprendere questo viaggio, insieme ai nostri collaboratori di Renishaw PLC, un produttore di spettrometri Raman di fama mondiale”.
Il Dottor Robin Jones, primo autore del nuovo documento di ricerca pubblicato sulla rivista Nature Photonics, e dottorando a Bath fino a poco tempo fa, ha concluso: “Eseguire gli esperimenti che hanno mostrato l’effetto dell’attività ottica iper-Raman è stata la mia esperienza accademica più gratificante. A posteriori, sembra che quasi ogni passaggio del mio dottorato sia stato come un pezzo del puzzle che è andato a posto per raggiungere l’osservazione”.
