Cientistas do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP e do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) desenvolveram um sensor ultrassensível capaz de diferenciar moléculas que, apesar de possuírem a mesma composição, comportam-se de maneiras opostas. Conhecidas como moléculas quirais – por serem imagens espelhadas uma da outra, como as mãos –, elas são cruciais em processos biológicos e na formulação de medicamentos, onde sua quiralidade pode determinar efeitos totalmente distintos.
A dificuldade em detectar essas estruturas, especialmente em concentrações muito baixas, reside no fato de que seus sinais ópticos naturais são extremamente fracos. Métodos convencionais exigem grandes volumes de amostra ou altas concentrações, e a detecção de poucas moléculas, ou até mesmo uma única, se mostrava um desafio complexo e custoso. Agora, essa nova tecnologia promete superar essas barreiras.
Como os Nanodiscos Funcionam
O novo sensor é composto por nanodiscos que têm a capacidade de confinar e amplificar campos eletromagnéticos. Esses discos são feitos de camadas alternadas de ouro e um material magneto-óptico, como a granada de ítrio e ferro substituída por cério. Essa combinação cria um campo eletromagnético tão intenso que “obriga” a molécula quiral a revelar sua orientação espacial de forma muito mais potente do que seria possível com a luz comum.
Na prática, o dispositivo “enxerga” a molécula através de sua resposta óptica, que é revelada pela interação com a luz e o campo magnético. “Moléculas quirais são aquelas que não podem ser sobrepostas à sua imagem no espelho, como ocorre com as mãos direita e esquerda”, explica o professor Osvaldo Novais de Oliveira Junior, do IFSC, um dos pesquisadores envolvidos. “Essa propriedade é comum em moléculas fundamentais para a vida, como aminoácidos, proteínas, carboidratos e lipídios, e aparece também em muitos medicamentos.”
A Ciência por Trás da Detecção Ultrassensível
A quiralidade é um fator crítico, pois duas moléculas com a mesma composição, mas quiralidades opostas (enantiômeros), podem ter comportamentos biológicos e efeitos farmacológicos totalmente diferentes. Alterações na quiralidade e estrutura também são associadas a doenças neurodegenerativas.
O professor William Orivaldo Faria Carvalho, do Inatel, destaca que o objetivo foi projetar uma metassuperfície magneto-óptica ultrassensível para detectar moléculas quirais em concentrações extremamente baixas, visando até mesmo uma única molécula. “A metassuperfície possui um arranjo periódico de nanodiscos feitos de camadas alternadas de ouro, apropriado para confinar a luz em escala nanométrica, e de granada de ítrio e ferro substituída por cério, um material que reage fortemente a campos magnéticos”, detalha o professor Oliveira Junior.
Para a detecção, a metassuperfície é iluminada com luz circularmente polarizada (direita e esquerda) e submetida a um campo magnético. O sistema reflete de maneira diferente às duas polarizações, gerando um sinal chamado dicroísmo circular magnético (MCD). A presença de moléculas quirais ao redor da metassuperfície altera essa resposta, permitindo sua identificação e quantificação mesmo em quantidades mínimas.
Potenciais Aplicações e Futuro da Tecnologia
Embora o sistema tenha sido investigado teoricamente por simulações numéricas, os resultados indicam um desempenho excepcional, com sinais significativamente amplificados. O professor Jorge Ricardo Mejía-Salazar, do Inatel, ressalta que a estratégia é compatível com técnicas de nanofabricação, tornando sua implementação experimental factível.
As aplicações diretas do dispositivo são amplas e prometem revolucionar áreas como biossensoriamento quiral ultrassensível e sem marcadores (labelfree). Isso significa poder detectar a molécula em seu estado “puro”, sem que marcadores químicos alterem seu comportamento natural. O sistema poderá ser empregado em:
- Diagnósticos precoces, identificando biomoléculas em concentrações extremamente baixas.
- Análise e controle de qualidade de fármacos quirais.
- Monitoramento em tempo real de processos biológicos, sem a necessidade de marcadores fluorescentes.
A pesquisa foi detalhada no artigo “Toward Optical Detection of Single Chiral Molecules Using Magneto-Optical Hyperbolic Metasurfaces”, publicado na revista científica ACS Applied Materials & Interfaces. O estudo contou com a participação dos professores William Orivaldo Faria Carvalho, Jorge Ricardo Mejía-Salazar e da aluna Ana Luísa Lyra Pavanelli, do Inatel, além do professor Osvaldo Novais de Oliveira Junior, do IFSC.
Fonte: jornal.usp.br
