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Mittwoch, 19.09.2018
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Laserpulse bringen Elektronen zum Tanzen

Neue Technologie identifiziert rechts- und linkshändige Moleküle

Kurzer Puls, starker Effekt: Wissenschaftler haben ein neues Verfahren erfunden, um die Struktur von Molekülen zu bestimmen. Mithilfe ultrakurzer Laserpulse ließen sich rechts- und linkshändige Moleküle weit effizienter unterscheiden als mit der üblichen, über 100 Jahren alten Methode. Das in "Nature Physics" veröffentlichte Verfahren könnte so giftige Spiegelmoleküle besser von ihren heilsamen Originalen trennen und die pharmazeutische Forschung vorantreiben, wie die Forscher berichten.
Durch einen ultrakurzen, zirkular polarisierten Laserpuls folgen die Elektronen einer spiralförmigen Rechts- oder Linksdrehung, die von der Händigkeit der Moleküle abhängt.

Durch einen ultrakurzen, zirkular polarisierten Laserpuls folgen die Elektronen einer spiralförmigen Rechts- oder Linksdrehung, die von der Händigkeit der Moleküle abhängt.

In der Welt der Moleküle ist die Händigkeit oder Chiralität von großer Bedeutung. Links- und rechtshändige Moleküle sind in ihrer atomaren Zusammensetzung zwar identisch, unterscheiden sich aber in ihrer räumlichen Struktur wie Bild und Spiegelbild. Dies kann ihre biologische Wirkung beeinflussen, sie können beispielsweise je nach Händigkeit entweder giftig oder heilsam sein. Tragisches Beispiel ist das Schlafmittel "Contergan", deren rechtshändige Form als harmloses Schlafmittel wirkt, während das linkshändige Molekül starke Missbildungen bei Neugeborenen verursachte. Es ist daher besonders wichtig, die Chiralität von Molekülen verlässlich bestimmen zu können.

Chiralität: Zwei Molekülvarianten mit spiegelbildlicher Symmetrie

Chiralität: Zwei Molekülvarianten mit spiegelbildlicher Symmetrie

Eine empfindlichere Methode ist nötig


Das Problem dabei liegt darin, rechts- und linkshändige Moleküle, die chemisch meist gleich reagieren, zu identifizieren und zu trennen. Seit über 100 Jahren ermittelt man die Händigkeit üblicherweise mit sogenannten zirkular polarisierte Lichtstrahlen, die entweder rechts- oder linksdrehende elektromagnetische Felder aufweisen – wie ein Korkenzieher entlang der Ausbreitungsachse gewickelt. Dieses chirale Licht wird etwas besser oder schlechter absorbiert, wenn es auf Moleküle mit gleichem oder umgekehrtem Drehsinn trifft. Der messbare Effekt ist jedoch klein, da die Wellenlänge von Licht sehr viel größer ist, als die atomaren Abstände in Molekülen.

Laserpulse bringen Elektronen zum Tanzen


Samuel Beaulieu von der Universität Bordeaux und seine Kollegen haben dieses Verfahren weiterentwickelt, wodurch sich die Händigkeit von Molekülen nun präziser bestimmen lässt. "Der Trick besteht darin, die Moleküle mit einem sehr kurzen Laserpuls zu bestrahlen", sagt Koautorin Olga Smirnova vom Max-Born-Institut. Solch ein Puls ist nur rund eine zehntel billionstel Sekunde lang und überträgt Energie auf die Elektronen im Molekül. Das regt sie für kurze Zeit zu Schwingungen an, die auch rechts- oder linkshändig orientiert sind.


Darstellung von rechtshändig zirkular polarisiertem Licht

Darstellung von rechtshändig zirkular polarisiertem Licht

Ein zweiter kurzer Laserpuls zeichnet anschließend die Schwingung der Elektronen auf. Er ist so energiereich, dass er die Elektronen aus dem Molekül schlägt. Je nachdem, ob diese vorher rechts- oder linkshändig orientiert schwangen, fliegen sie dann entweder in Richtung des Laserstrahls aus dem Molekül oder in umgekehrter Richtung.

Klare Signale in Fenchonen und Campher


In ihrem Experiment testeten die Forscher ihre Methode an sogenannten Fenchonen - chiralen Molekülen, die in vielen ätherischen Ölen vorkommen, sowie an Campher, der unter anderem in Medizinprodukten und Mottenkugeln enthalten ist. Durch die Analyse mittels Laserpulsen erhielten sie klare Signaturen für die gespiegelten Molekülformen. Die gemessenen Signale waren bis zu 10.000-fach stärker als mit der bisher üblichen Methode, wie sie berichten. Dadurch ließ sich die Händigkeit der Moleküle zuverlässig bestimmen.

In Zukunft wollen die Forscher mit der Technologie noch einen Schritt weiter gehen und ein Trennverfahren für chirale Moleküle entwickeln. Sie können sich sogar vorstellen, mit den Laserpulsen chemische Reaktionen zu steuern. Das könnte viele Türen in der chemischen und pharmazeutischen Forschung öffnen. (Nature Physics, 2018; doi: 10.1038/s41567-017-0038-z )
(Forschungsverbund Berlin e.V., 21.02.2018 - YBR)
 
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