Potential of optical waveguide structures to measure the chirality parameter of chiral substances

Abstract

The chiral molecule interactions depend on their chirality. Important molecules of life such as proteins, enzymes, amino acids, carbohydrates, and so on, are chiral. Chiral substances which interact with them, such as drugs and agrochemicals, must present a specific enantiomeric content to assure effectiveness. Thus, whereas one enantiomer of a chiral drug or agrochemical product has a desired effect, the other one may be inactive or even toxic. The study of methods to identify the enantiomeric content of chiral substances is a current research topic. Although there are a wide variety of methods, which generally demand expensive reagents, large equipment, and the need for highly qualified personnel, new techniques are still in demand due to the continuous development of new chiral substances, and the industrial need to perform millions of tests during short periods of time. In this scenary, methods based on optical waveguide structures present a great potential, providing great sensitivity, real-time monitoring, and no invasiveness. For this reason, in this M.Sc. thesis, a theoretical and numerical study of optical waveguides involving chiral media is presented. The study is centered around planar symmetric and asymmetric waveguides, where the effects of the real, and for the first time, the imaginary part of the chirality parameter are analyzed in the characteristics of the guided light. As an application of the study, a lossy mode resonances (LMR) based optical fiber sensor is designed to measure the chirality parameter. (Tomado de la fuente)

Las interacciones de moléculas quirales dependen de su quiralidad. Las moléculas importantes para la vida como proteínas, enzimas, aminoácidos, carbohidratos, etc., son quirales. Las sustancias quirales que interactúan con ellas, como fármacos y agroquímicos, deben poseer un contenido enantiomérico específico para asegurar su efectividad. De esta manera, mientras un enantiómero de un fármaco quiral o un agroquímico quiral produce los efectos deseados, el otro podría ser inactivo o incluso tóxico. El estudio de los métodos para identificar el contenido enantiomérico de sustancias quirales es un área de investigación actual. A pesar de que hay una amplia variedad de métodos, los cuales generalmente demandan reactivos caros, equipos de gran tamaño y la necesidad de personal altamente calificado, se demandan nuevas técnicas debido al continuo desarrollo de sustancias quirales y la necesidad industrial de llevar a cabo millones de pruebas en cortos periodos de tiempo. En este escenario, los métodos basados en guías de onda ópticas presentan un gran potencial, ofreciendo gran sensibilidad, monitoreo en tiempo real y no invasibidad. Por esta razón, en esta tesis de maestría en ciencias se presenta un estudio teórico y numérico de guías de onda óptica con medios quirales. El estudio se centra en guías de onda planas simétricas y asimétricas, donde se analizan los efectos de la parte real, y por primera vez, la parte imaginaria del parámetro de quiralidad sobre la luz guiada. Como una aplicación del estudio, se diseña un sensor basado en resonancias de modos con pérdidas en fibra óptica para medir el parámetro de quiralidad. (Tomado de la fuente)