Roberto R. Gil et Rongchao Jin de l'Université Carnegie Mellon ont utilisé avec succès la RMN pour analyser la structure de nanoparticules d'or infinitésimales, ce qui pourrait faire avancer le développement et l'utilisation des minuscules particules dans le développement de médicaments.

Leur approche offre un avantage significatif par rapport aux méthodes de routine pour l'analyse des nanoparticules d'or car elle peut déterminer si les nanoparticules existent dans une configuration à la fois droitier et gaucher, un phénomène appelé chiralité. Déterminer la chiralité d'une nanoparticule est une étape importante vers leur développement en tant que catalyseurs chiraux, des outils très recherchés par l'industrie pharmaceutique. Leurs résultats sont publiés en ligne sur ACS Nano .

De nombreux médicaments actuellement sur le marché contiennent au moins une molécule chirale. Souvent une seule des configurations, ou isomères, est efficace dans le corps. Dans certains cas, l'autre isomère peut même être nocif. Un exemple frappant est le médicament thalidomide, qui consistait en deux isomères :l'un aidait les femmes enceintes à contrôler les nausées tandis que l'autre causait des dommages au fœtus en développement. Dans un effort pour créer plus de sécurité, médicaments plus efficaces, les fabricants de médicaments recherchent des moyens de produire des substances plus pures qui ne contiennent que l'isomère gauche ou droit.

Huifeng Qian, un étudiant diplômé de quatrième année travaillant avec Jin, a créé une nanoparticule d'or qui a le potentiel de catalyser des réactions chimiques qui produiront un isomère plutôt que l'autre. La nanoparticule est composée précisément de 38 atomes d'or et mesure à peine 1,4 nanomètre. Qian a travaillé avec diligence pendant près d'un an pour transformer les nanoparticules en cristaux de haute qualité afin de pouvoir étudier leur structure à l'aide de la cristallographie aux rayons X.

"Croissance d'un cristal pur à partir de nanoparticules est très difficile, et vous ne pourrez peut-être même pas obtenir de cristal du tout, " dit Jin, professeur adjoint de chimie au Mellon College of Science de la CMU. "Dans la communauté des nanoparticules, les structures cristallines de seulement trois nanoparticules ont été rapportées."

Dans le cas de Jin, La cristallographie aux rayons X a révélé que la nanoparticule d'or est chirale. Les chimistes sondent généralement la structure chirale interne des nanoparticules d'or à l'aide d'une technique appelée spectroscopie de dichoïsme circulaire. Lorsque des molécules chirales pures sont exposées à une lumière polarisée circulairement, chaque isomère absorbe la lumière différemment, résultant en un spectre unique - et de signe opposé - pour chaque isomère. Le processus de création des nanoparticules d'or, cependant, aboutit souvent à un mélange 50/50 de chaque isomère, connus sous le nom de racémiques.

"Parce que le spectre est de signe opposé pour chaque isomère, ils s'annulent et la réponse optique nette est nulle. Cela rend la spectroscopie du dichoisme circulaire (CD) inutile lorsqu'il s'agit de déterminer la chiralité des nanoparticules d'or dans des mélanges 50/50, " dit Gil, professeur agrégé de recherche en chimie et directeur de l'installation RMN du département de chimie.

Puisque Jin ne pouvait pas utiliser la spectroscopie de dichoïsme circulaire, Gil a pu utiliser la RMN pour aider Jin à distinguer les isomères gauche et droit de ses nanoparticules d'or.

La spectroscopie RMN tire parti du phénomène physique dans lequel certains noyaux vacillent et tournent comme des sommets, émettant et absorbant un signal radiofréquence dans un champ magnétique. En observant le comportement de ces noyaux en rotation, les scientifiques peuvent reconstituer la structure chimique du composé.

En 1957, les scientifiques ont observé que les atomes d'hydrogène d'un groupe de méthylène (CH2) en rotation libre produisaient deux fréquences différentes s'ils étaient proches d'un centre chiral. Les nanoparticules d'or de Jin, qui ont un noyau chiral, sont amortis par plusieurs groupes chimiques, y compris les groupes méthylène en rotation libre. Gil a estimé que le noyau chiral des nanoparticules devrait induire les deux atomes d'hydrogène du groupe méthylène à émettre des fréquences différentes, un phénomène connu sous le nom de diastéréotopicité.

Gil et Jin ont comparé le signal RMN des atomes d'hydrogène dans une nanoparticule d'or non chirale avec le signal RMN des atomes d'hydrogène dans une nanoparticule d'or chirale. Le spectre RMN des nanoparticules non chirales n'a révélé aucune différence, mais le spectre RMN de la nanoparticule chirale a révélé deux signaux d'hydrogène différents, fournir un moyen simple et efficace de dire si la particule est chirale ou non, même pour un mélange 50/50 d'isomères.

"La RMN est une méthode alternative - et très efficace - pour fournir des informations utiles sur la façon dont les atomes des nanoparticules forment la structure moléculaire. Parce que la RMN peut déterminer la chiralité dans certains cas, il peut être facilement utilisé pour déterminer la pureté d'un mélange de nanoparticules, " dit Jin.

Dans les travaux en cours, Jin et Qian s'efforcent de transformer leur mélange 50/50 d'isomères droitiers et gauchers en une solution pure de l'un ou de l'autre.