Représentation artistique de l'activité optique hyper-Raman : la lumière torsadée (hélices rouges) incidente sur des molécules disposées sur un échafaudage hélicoïdal (points blancs) produit des spectres de diffusion hyper-Raman (taches lumineuses multicolores) qui expriment la « chiralité » (taches en motifs en spirale et miroir brisé). Crédit : Ventsislav Valev et Kylian Valev
Une équipe de scientifiques de l'Université de Bath au Royaume-Uni a découvert une méthode permettant d'utiliser des particules lumineuses pour découvrir les états énergétiques cachés des molécules.
Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des physiciens de l'Université de Bath, a démontré un nouveau phénomène optique qui pourrait avoir un impact significatif sur divers domaines, notamment la science pharmaceutique, la sécurité, la médecine légale, la science de l'environnement, la conservation de l'art et la médecine.
Les molécules tournent et vibrent de manière très spécifique. Lorsque la lumière les touche, elles rebondissent et se dispersent. Pour chaque million de particules lumineuses (photons), une seule change de couleur. Ce changement est appelé effet Raman. La collecte d'un grand nombre de ces photons changeant de couleur permet de dresser un tableau des états énergétiques des molécules et de les identifier.
Certaines caractéristiques moléculaires (états énergétiques) sont toutefois invisibles à l'effet Raman. Pour les révéler et brosser un tableau plus complet, il faut recourir à l'« hyper-Raman ».
Hyper-Raman
L'effet hyper-Raman est un phénomène plus avancé que le Raman simple. Il se produit lorsque deux photons impactent simultanément la molécule, puis se combinent pour créer un seul effet diffusé. photon qui présente un changement de couleur Raman.
L'hyper-Raman peut pénétrer plus profondément dans les tissus vivants, il est moins susceptible d'endommager les molécules et il produit des images avec un meilleur contraste (moins de bruit dû à l'autofluorescence). Il est important de noter que, bien que les photons hyper-Raman soient encore moins nombreux que ceux du Raman, leur nombre peut être considérablement augmenté par la présence de minuscules morceaux de métal (nanoparticules) à proximité de la molécule.
Malgré ses avantages considérables, l’hyper-Raman n’a pas encore permis d’étudier une propriété clé de la vie : la chiralité.
Activité optique
Dans les molécules, la chiralité fait référence à leur sens de torsion – à bien des égards similaire à la structure hélicoïdale de ADN. De nombreuses biomolécules présentent une chiralité, notamment les protéines, ARNsucres, acides aminéscertaines vitamines, certains stéroïdes et plusieurs alcaloïdes.
La lumière peut également être chirale et en 1979, les chercheurs David L. Andrews et Thiruiappah Thirunamachandran ont émis l'hypothèse que la lumière chirale utilisée pour l'effet hyper-Raman pourrait fournir des informations tridimensionnelles sur les molécules, pour révéler leur chiralité.
Cependant, on s’attendait à ce que ce nouvel effet – connu sous le nom d’activité optique hyper-Raman – soit très subtil, voire impossible à mesurer. Les expérimentateurs qui n’ont pas réussi à l’observer ont eu du mal à contrôler la pureté de leur lumière chirale. De plus, comme l’effet est très subtil, ils ont essayé d’utiliser des lasers de grande puissance, mais cela a fini par endommager les molécules étudiées.
Le professeur Ventsislav Valev, qui a dirigé l’équipe de Bath et l’étude, a expliqué : « Alors que les tentatives précédentes visaient à mesurer l’effet directement à partir de molécules chirales, nous avons adopté une approche indirecte. Nous avons utilisé des molécules qui ne sont pas chirales par elles-mêmes, mais nous les avons rendues chirales en les assemblant sur un échafaudage chiral. Plus précisément, nous avons déposé des molécules sur de minuscules nanohélices d’or qui ont effectivement conféré leur torsion (chiralité) aux molécules. Les nanohélices d’or ont un autre avantage très important : elles servent de minuscules antennes et focalisent la lumière sur les molécules. Ce processus augmente le signal hyper-Raman et nous a aidé à le détecter. De telles nanohélices n’étaient pas présentées dans l’article théorique de 1979 et afin de les expliquer, nous nous sommes tournés vers nul autre que l’un des auteurs originaux et pionnier de ce domaine de recherche. »
Confirmation d'une théorie vieille de 45 ans
Le professeur émérite Andrews de l’Université d’East Anglia et co-auteur de l’étude a déclaré : « Il est très gratifiant de voir ce travail expérimental confirmer enfin notre prédiction théorique, après toutes ces années. L’équipe de Bath a réalisé une expérience exceptionnelle. »
Ce nouvel effet pourrait servir à analyser la composition des produits pharmaceutiques et à contrôler leur qualité. Il pourrait aider à identifier l'authenticité des produits et à révéler les contrefaçons. Il pourrait également servir à identifier les drogues illégales et les explosifs aux douanes ou sur les scènes de crime.
Il permettra de détecter les polluants dans les échantillons environnementaux provenant de l'air, de l'eau et du sol. Il pourrait révéler la composition des pigments dans les œuvres d'art à des fins de conservation et de restauration, et trouvera probablement des applications cliniques pour le diagnostic médical en détectant les changements moléculaires induits par les maladies.
Le professeur Valev a déclaré : « Ce travail de recherche est le fruit d’une collaboration entre la théorie chimique et la physique expérimentale depuis de nombreuses décennies et entre des universitaires de tous niveaux – du doctorant au professeur émérite. Nous espérons qu’il inspirera d’autres scientifiques et qu’il fera prendre conscience que le progrès scientifique prend souvent plusieurs décennies. »
« Nous avons observé pour la première fois un mécanisme physique fondamental, a-t-il ajouté. Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que cet effet puisse être mis en œuvre comme un outil d’analyse standard que d’autres scientifiques pourront adopter. Nous sommes impatients de poursuivre ce voyage avec nos collaborateurs de Renishaw PLC, un fabricant de spectromètres Raman de renommée mondiale. »
Le Dr Robin Jones, premier auteur de la nouvelle étude et doctorant à Bath jusqu’à récemment, a déclaré : « Réaliser les expériences qui ont montré l’effet d’activité optique hyper-Raman a été mon expérience universitaire la plus enrichissante. Rétrospectivement, il semble que presque chaque étape de mon doctorat ait été comme une pièce du puzzle qui s’est mise en place pour parvenir à l’observation. »
L’étude a été financée par la Royal Society, le Leverhulme Trust et l’Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC).
