Roberto R. Gil e Rongchao Jin della Carnegie Mellon University hanno utilizzato con successo la risonanza magnetica nucleare per analizzare la struttura delle nanoparticelle di oro infinitesime, che potrebbe far avanzare lo sviluppo e l'uso delle minuscole particelle nello sviluppo di farmaci.

Il loro approccio offre un vantaggio significativo rispetto ai metodi di routine per l'analisi delle nanoparticelle d'oro perché può determinare se le nanoparticelle esistono in una configurazione sia destrorsa che sinistrorsa, un fenomeno chiamato chiralità. La determinazione della chiralità di una nanoparticella è un passo importante verso lo sviluppo di catalizzatori chirali, strumenti molto ricercati dall'industria farmaceutica. I loro risultati sono pubblicati online su ACS Nano .

Molti farmaci oggi sul mercato contengono almeno una molecola chirale. Spesso solo una delle configurazioni, o isomeri, è efficace nel corpo. In alcuni casi, l'altro isomero può anche essere dannoso. Un esempio lampante è il farmaco talidomide, che consisteva di due isomeri:uno dei quali aiutava le donne incinte a controllare la nausea mentre l'altro causava danni al feto in via di sviluppo. Nel tentativo di creare un ambiente più sicuro, farmaci più efficaci, i produttori di farmaci sono alla ricerca di modi per produrre sostanze più pure che contengano solo l'isomero levogiro o destrorso.

Huifeng Qian, uno studente del quarto anno che lavora con Jin, ha creato una nanoparticella d'oro che ha il potenziale per catalizzare reazioni chimiche che produrranno un isomero piuttosto che l'altro. La nanoparticella è composta esattamente da 38 atomi d'oro e misura solo 1,4 nanometri. Qian ha lavorato diligentemente per quasi un anno per far crescere le nanoparticelle in cristalli di alta qualità in modo da poter studiare la loro struttura utilizzando la cristallografia a raggi X.

"Coltivare un cristallo puro da nanoparticelle è molto impegnativo, e potresti non essere nemmeno in grado di ottenere un cristallo, " disse Jin, un assistente professore di chimica al Mellon College of Science della CMU. "Nella comunità delle nanoparticelle, sono state segnalate le strutture cristalline di sole tre nanoparticelle."

Nel caso di Jin, La cristallografia a raggi X ha rivelato che la nanoparticella d'oro è chirale. I chimici tipicamente sondano la struttura chirale interna delle nanoparticelle d'oro usando una tecnica chiamata spettroscopia di dicoismo circolare. Quando le molecole chirali pure sono esposte alla luce polarizzata circolarmente, ogni isomero assorbe la luce in modo diverso, risultando in uno spettro unico — e di segno opposto — per ciascun isomero. Il processo di creazione delle nanoparticelle d'oro, però, spesso si traduce in una miscela 50/50 di ciascun isomero, conosciuti come racemi.

"Poiché lo spettro è di segno opposto per ogni isomero, si annullano a vicenda e la risposta ottica netta è nulla. Ciò rende inutile la spettroscopia di dicoismo circolare (CD) quando si tratta di determinare la chiralità delle nanoparticelle d'oro in miscele 50/50, " disse Gil, professore associato di chimica e direttore della NMR Facility del Dipartimento di Chimica.

Dal momento che Jin non poteva usare la spettroscopia di dicoismo circolare, Gil è stato in grado di utilizzare la risonanza magnetica nucleare per aiutare Jin a distinguere tra gli isomeri sinistrorsi e destrorsi delle sue nanoparticelle d'oro.

La spettroscopia NMR sfrutta il fenomeno fisico in cui alcuni nuclei oscillano e ruotano come vertici, emettendo e assorbendo un segnale a radiofrequenza in un campo magnetico. Osservando il comportamento di questi nuclei rotanti, gli scienziati possono mettere insieme la struttura chimica del composto.

Nel 1957, gli scienziati hanno osservato che gli atomi di idrogeno di un gruppo di metilene a rotazione libera (CH2) producevano due frequenze diverse se erano vicini a un centro chirale. Le nanoparticelle d'oro di Jin, che hanno un nucleo chirale, sono imbottite da diversi gruppi chimici, compresi i gruppi metilenici a rotazione libera. Gil pensò che il nucleo chirale delle nanoparticelle avrebbe dovuto indurre i due atomi di idrogeno del gruppo metilene a emettere frequenze diverse, un fenomeno noto come diastereotopicità.

Gil e Jin hanno confrontato il segnale NMR degli atomi di idrogeno in una nanoparticella d'oro non chirale con il segnale NMR degli atomi di idrogeno in una nanoparticella d'oro chirale. Lo spettro NMR della nanoparticella non chirale non ha rivelato differenze, ma lo spettro NMR della nanoparticella chirale ha rivelato due diversi segnali di idrogeno, fornendo un modo semplice ed efficiente per dire se la particella è chirale o meno, anche per una miscela 50/50 di isomeri.

"L'NMR è un metodo alternativo - e molto efficiente - per fornire informazioni utili su come gli atomi nelle nanoparticelle formano la struttura molecolare. Poiché l'NMR può determinare la chiralità in alcuni casi, può essere facilmente utilizzato per determinare la purezza di una miscela di nanoparticelle, " disse Jin.

Nel lavoro attuale, Jin e Qian stanno cercando di trasformare la loro miscela 50/50 di isomeri destrorsi e mancini in una soluzione pura dell'uno o dell'altro.