Utilizando técnicas de teste convencionais, pode ser desafiador – às vezes impossível – detectar contaminantes nocivos, como nanoplásticos, poluentes atmosféricos e micróbios em organismos vivos e materiais naturais. Às vezes, esses contaminantes são encontrados em quantidades tão pequenas que os testes não conseguem detectá-los com segurança.



No entanto, isto poderá mudar em breve. A nanotecnologia emergente (baseada num estado "torcido" da luz) promete tornar mais fácil a identificação da composição química das impurezas e da sua forma geométrica em amostras de ar, líquidos e tecidos vivos.

Uma equipa internacional de cientistas liderada por físicos da Universidade de Bath está a contribuir para esta tecnologia, que pode abrir caminho a novos métodos de monitorização ambiental e medicamentos avançados. Seu trabalho foi publicado na revista Advanced Materials .

A técnica emergente de detecção química é baseada em uma interação luz-matéria conhecida como efeito Raman. O efeito Raman ocorre quando um material iluminado com uma determinada cor de luz se espalha e transforma a luz em uma infinidade de cores ligeiramente diferentes. Essencialmente, produz um mini-arco-íris que depende de como os átomos dos materiais vibram.

Medir as cores do arco-íris Raman revela ligações atômicas individuais porque as ligações moleculares têm padrões vibracionais distintos. Cada ligação dentro de um material produz sua própria mudança de cor exclusiva em relação à iluminação. Ao todo, as cores do arco-íris Raman servem para detectar, analisar e monitorar a composição química (ligações químicas) de moléculas complexas, como aquelas encontradas em misturas de poluentes ambientais.

"O efeito Raman serve para detectar pesticidas, produtos farmacêuticos, antibióticos, metais pesados, patógenos e bactérias. Também é usado para analisar aerossóis atmosféricos individuais que afetam a saúde humana e o clima", disse o Dr. Robin Jones, do Departamento de Física de Bath, quem é o primeiro autor do estudo.

Poluentes nocivos

Expandindo, o coautor Professor Liwu Zhang, do Departamento de Ciência Ambiental da Universidade Fudan, na China, disse:"Os poluentes aquáticos, mesmo em pequenas quantidades, podem se acumular nos organismos vivos através da cadeia biológica. Isso representa uma ameaça à saúde humana e ao bem-estar animal e vida selvagem. Geralmente, é realmente difícil saber exatamente qual é a composição química de misturas complexas."

O professor Ventsislav Valev de Bath, que liderou o estudo, acrescentou:"É necessário compreender os poluentes complexos e potencialmente prejudiciais no meio ambiente, para que possamos aprender como decompô-los em componentes inofensivos. Mas não se trata apenas de quais átomos eles são. A forma como os átomos são organizados é muito importante - pode ser decisiva na forma como as moléculas agem, especialmente nos organismos vivos.

"Nosso trabalho visa desenvolver novas maneiras pelas quais o efeito Raman pode nos informar sobre a forma como os átomos estão organizados no espaço e agora demos um importante passo tecnológico usando pequenas antenas em forma de hélice feitas de ouro."

O efeito Raman é muito fraco – apenas um em cada 1.000.000 fótons (partículas de luz) sofre a mudança de cor. Para melhorá-lo, os cientistas usam antenas em miniatura fabricadas em nanoescala que canalizam a luz incidente para as moléculas. Freqüentemente, essas antenas são feitas de metais preciosos e seu design é limitado pelas capacidades de nanofabricação.

A equipe de Bath usou as menores antenas helicoidais já empregadas:seu comprimento é 700 vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano e a largura das antenas é 2.800 vezes menor. Essas antenas foram feitas de ouro por cientistas da equipe do professor Peer Fischer, da Universidade de Stuttgart, na Alemanha.

"Nossas medições mostram que essas antenas helicoidais ajudam a extrair muitos fótons do arco-íris Raman das moléculas", disse o Dr. "Mas o mais importante é que a forma helicoidal aumenta a diferença entre dois tipos de luz que são frequentemente usados ​​para sondar a geometria das moléculas. Estas são conhecidas como luz polarizada circularmente.

"A luz circularmente polarizada pode ser canhota ou destra e nossas hélices podem, basicamente, apertar a mão com a luz. E como podemos fazer as hélices girarem para a esquerda ou para a direita, o aperto de mão com a luz que criamos pode ser ambos com a mão esquerda ou direita."

"Embora esses apertos de mão já tenham sido observados antes, o principal avanço aqui é que demonstramos pela primeira vez que ele é sentido pelas moléculas, pois afeta seu arco-íris Raman. Este é um passo importante que nos permitirá distinguir de forma eficiente e confiável entre moléculas canhotas e destras, primeiro no laboratório e depois no meio ambiente."

Cristal violeta

Para demonstrar que o novo aperto de mão entre a luz e as antenas poderia ser transmitido às moléculas, os pesquisadores utilizaram moléculas – cristal violeta – que são incapazes de “apertar” a luz por si mesmas. No entanto, estas moléculas comportavam-se como se pudessem desempenhar esta função, expressando a capacidade de “aperto de mão” das nanohélices de ouro às quais estavam ligadas.

“Outro aspecto importante do nosso trabalho aqui é que trabalhamos com dois parceiros industriais”, disse o professor Valev. "VSParticle produz nanomateriais padrão para medir a luz Raman. Ter padrões comuns é realmente importante para que pesquisadores de todo o mundo possam comparar os resultados."

Ele acrescentou:"Nosso parceiro industrial Renishaw PLC é um fabricante líder mundial de equipamentos de espectroscopia e microscopia Raman. Essas parcerias são essenciais para que novas tecnologias possam sair dos laboratórios e entrar no mundo real, onde estão os desafios ambientais. "

Com base neste trabalho, a equipe está agora trabalhando no desenvolvimento de formas mais avançadas de tecnologias Raman.

Mais informações: Robin R. Jones et al, Dense Arrays of Nanohelices:Raman Scattering from Achiral Molecules Reveals the Near-Field Enhancements at Chiral Metasurfaces, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202209282
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pela Universidade de Bath