Une équipe internationale de scientifiques a démontré un nouveau phénomène optique avec des implications significatives pour la science pharmaceutique, la sécurité, la criminalistique, la science environnementale, la conservation de l’art et la médecine.
Le phénomène hyper-Raman se révèle plus avancé que l’effet Raman simple. Lorsqu’un photon impacte une molécule, il en résulte un photon diffusé exhibant un changement de couleur Raman. Dans le cas de l’hyper-Raman, deux photons interagissent simultanément avec la molécule pour créer un photon unique qui montre un changement de couleur Raman.
L’hyper-Raman peut pénétrer plus profondément dans les tissus vivants, il a moins de chances d’endommager les molécules et il produit des images avec un meilleur contraste (moins de bruit dû à l’autofluorescence). Bien que les photons hyper-Raman soient encore moins nombreux que ceux du Raman, leur nombre peut être considérablement augmenté par la présence de nanoparticules métalliques à proximité de la molécule.
Malgré ces avantages significatifs, l’hyper-Raman n’a pas encore permis d’étudier une propriété clé de la vie – la chiralité.
Activité optique
La chiralité des molécules se réfère à leur sens de torsion – similaire à la structure hélicoïdale de l’ADN. De nombreuses biomolécules, telles que les protéines, l’ARN, les sucres, les acides aminés, certaines vitamines, certains stéroïdes et plusieurs alcaloïdes, présentent cette caractéristique.
La lumière peut également être chirale. En 1979, les chercheurs David L. Andrews et Thiruiappah Thirunamachandran ont théorisé que la lumière chirale utilisée pour l’effet hyper-Raman pourrait fournir des informations tridimensionnelles sur les molécules, révélant ainsi leur chiralité.
Cependant, cet effet – connu sous le nom d’activité optique hyper-Raman – était attendu comme étant très subtil, voire impossible à mesurer. Les expérimentateurs qui n’ont pas réussi à l’observer ont lutté avec la pureté de leur lumière chirale. De plus, l’utilisation de puissances laser élevées pour détecter l’effet a souvent endommagé les molécules étudiées.
Confirmation d’une théorie vieille de 45 ans
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 employé des molécules qui ne sont pas chirales par elles-mêmes, mais nous les avons rendues chirales en les assemblant sur une structure chirale. »
Le professeur émérite Andrews de l’Université d’East Anglia et co-auteur de l’article 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 peut aider à identifier l’authenticité des produits et révéler les contrefaçons. Il pourrait également être utilisé pour identifier les drogues illégales et les explosifs aux douanes ou sur les scènes de crime.
Applications futures
Il facilitera la détection des polluants dans les échantillons environnementaux d’air, d’eau et de sol. Il pourrait révéler la composition des pigments dans l’art pour 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 indiqué : « Ce travail de recherche a été une collaboration entre la théorie chimique et la physique expérimentale sur plusieurs décennies et entre des universitaires de tous niveaux – de l’étudiant en doctorat au professeur émérite. Nous espérons qu’il inspirera d’autres scientifiques et qu’il sensibilisera au fait que le progrès scientifique prend souvent de nombreuses décennies. »
En regardant vers l’avenir, il a ajouté : « Notre observation est la toute première d’un mécanisme physique fondamental. Il y a encore un long chemin à parcourir avant que l’effet puisse être mis en œuvre comme un outil analytique standard que d’autres scientifiques pourront adopter. Nous attendons avec impatience ce voyage, avec nos collaborateurs de Renishaw PLC, un fabricant de spectromètres Raman de renommée mondiale. »
Dr Robin Jones, premier auteur du nouvel article de recherche et étudiant en doctorat à Bath jusqu’à récemment, a conclu : « Réaliser les expériences qui ont montré l’effet d’activité optique hyper-Raman a été mon expérience académique la plus gratifiante. Rétrospectivement, il semble que presque chaque étape de mon doctorat était comme une pièce du puzzle qui s’est mise en place pour obtenir cette observation. »
Article : « Chirality conferral enables the observation of hyper-Raman optical activity » – DOI: 10.1038/s41566-024-01486-z
