Σημαντικά Ερευνητικά Αποτελέσματα

Η μέτρηση της χειρομορφίας είναι κεντρικής σημασίας σε πολλά επιστημονικά πεδία, με εφαρμογές που εκτείνονται από το σχεδιασμό φαρμάκων και το καθορισμό της δομής πρωτεϊνών έως την μέτρηση της παραβίασης της διατήρησης της ομοτιμίας σε άτομα, για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Μοντέλου σε χαμηλές ενέργειες. Οι συνηθέστερες οπτικές τεχνικές για την ανίχνευση της χειρομορφίας είναι οι τεχνικές του κυκλικού διχρωισμού (circular dichroism (CD)) και της οπτικής περιστροφικής διασποράς (optical rotatοry dispersion (ORD)). Ωστόσο, τα σήματα που παράγουν αυτές οι τεχνικές είναι συνήθως πολύ μικρά (της τάξης του 10^-6 σε σύγκριση με σήματα που δεν σχετίζονται με χειρομορφία) και η μέτρησή τους περιορίζεται από πολύ μεγαλύτερους θορύβους υποβάθρου (όπως η παρασιτική διπλοθλαστικότητα) και από ατελείς και αργές διαδικασίες κανονικοποίησης.

Η ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Πέτρου Ρακιτζή, στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), ανέπτυξαν και παρουσίασαν μια νέα τεχνική πολωσιμετρίας που βασίζεται σε μια οπτική κοιλότητα σε σχήμα παπιγιόν (bowtie cavity) που υποστηρίζει την ταλάντωση δύο διαφορετικών οπτικών ακτίνων σε αντίθετη διεύθυνση. Η νέα τεχνική λύνει τα προαναφερθέντα προβλήματα: Τα σήματα χειρομορφίας ενισχύονται κατά ένα παράγοντα της τάξης του αριθμού των περασμάτων μέσα στην κοιλότητα (>1000). Οι επιπτώσεις της παρασιτικής διπλοθλαστικότητας ελαχιστοποιούνται από μια μεγάλη περιστροφή Faraday που εφαρμόζεται στο φως μέσα στην κοιλότητα. Επιπλέον, η ταυτόχρονη ανίχνευση των δύο ακτίνων σε αντίθετη διεύθυνση και η περιστροφή Faraday δίνουν την δυνατότητα γρήγορων αντιστροφών σήματος. Συγκεκριμένα, αυτές οι αντιστροφές σήματος δίνουν τη δυνατότητα μέτρησης της χειρομορφίας σε απόλυτη τιμή χωρίς να χρειάζεται αφαίρεση του δείγματος και μέτρηση του υποβάθρου. Αυτές οι καινοτομίες επιτρέπουν την απόλυτη μέτρηση της χειρομορφίας σε περιβάλλοντα όπου η αφαίρεση υποβάθρου δεν είναι εφικτή και όπου τα συμβατικά πολωσίμετρα αποτυγχάνουν. Για πρώτη φορά έγινε εφικτή η μέτρηση της χειρομορφίας στο μεταβατικό κύμα που δημιουργείται κατά την ολική εσωτερική ανάκλαση στην επιφάνεια ενός πρίσματος, σε διαλύματα μαλτοδεξτρίνης ((+)-maltodextrin) και φρουκτόζης ((-)-fructose). Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν το μοντέλο Drude-Condon για τις εξισώσεις του Maxwell σε ισοτροπικά, οπτικώς ενεργά μέσα. Συγκεκριμένα δείχνεται ότι το ενεργό μήκος διαδρομής, σε συνθήκες σχετικής ταύτισης του δείκτη διάθλασης, είναι ίσο με τη μετατόπιση Goos-Hänchen του μεταβατικού κύματος. Με χρήση συνεχούς laser κλειδωμένο σε κοιλότητα μεγάλου finesse, τα όρια της ευαισθησίας αυτού του νέου πολωσίμετρου θα πρέπει να ταυτίζονται με τα όρια της ευαισθησίας σε μετρήσεις γραμμικής διπλοθλαστικότητας (3x10^-13 rad), κάνοντάς το κατά πολλές τάξεις μεγέθους πιο ευαίσθητο από τα σημερινά πολωσίμετρα, ενισχύοντας τις δυνατότητες της ανίχνευσης χειρομορφίας σε πολλούς επιστημονικούς τομείς.

Επιστημονικό άρθρο: “Evanescent-wave and ambient chiral sensing by signal-reversing cavity-ringdown polarimetry” by Dimitris Sofikitis, Lykourgos Bougas, Georgios E. Katsoprinakis, Alexandros K. Spiliotis, Benoit Loppinet and T. Peter Rakitzis, Nature 514, 76-79 (2 October 2014).

Εικόνα: a) Οι τέσσερις συχνότητες ταλάντωσης της πόλωσης , , και και που αντιστοιχούν σε μετρήσεις, στο μεταβατικό κύμα, διαλυμάτων μαλτοδεξτρίνης φρουκτόζης και γλυκερίνης (που αποτελεί ένα μη χειρόμορφο δείγμα αναφοράς), σε δείκτη διάθλασης n = 1.442. Τα διαλύματα εναλλάσσονται μέσω μιας κυψέλης ροής (flow cell) κάθε δέκα λεπτά. b) Η αφαίρεση των συχνοτήτων ταλάντωσης της πόλωσης αναδεικνύει το σήμα της οπτικής περιστροφής των δειγμάτων στο μεταβατικό κύμα, ανάμεσα σε πολύ μεγαλύτερους θορύβους υποβάθρου. c) Μετρήσεις δειγμάτων με δείκτες διάθλασης από 1.417 έως 1.442. Οι θεωρητικές καμπύλες παράγονται χρησιμοποιώντας το μοντέλο Drude-Condon για τις εξισώσεις Maxwell σε ισοτροπικό, οπτικά ενεργό μέσο. d) Η μετατόπιση Goos-Hänchen του μεταβατικού κύματος