Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kasseler Physiker entwickeln neue Methode zur Erkennung chiraler Moleküle

29.02.2012
Physikern der Uni Kassel ist es erstmals mit Hilfe von Laserpulsen gelungen, chirale Moleküle mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen.

Die neue Technik besitzt ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Chemie- und Pharmaforschung.

Forscher des Fachgebiets Experimentalphysik III – Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle - unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Baumert und Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt konnten in einem nur tischgroßen Laserexperiment Effekte im Bereich von zehn Prozent für Moleküle mit unterschiedlicher Chiralität demonstrieren. Die durchgeführten Experimente waren derart empfindlich, dass bereits an hochverdünnten Molekülen eindeutige Messsignale beobachtet werden konnten.

Da diese Signale mit Hilfe von Laserpulsen der Dauer einiger Billardstelsekunden aufgenommen wurden, ist diese Messung im Prinzip auch ultraschnell. Ähnliche Empfindlichkeiten konnten bislang nur mittels Synchrotronstrahlung an Großforschungsanlagen erzielt werden.

Die linke Hand von der rechten zu unterscheiden ist ein Kinderspiel. Linkshändige Moleküle von rechtshändigen zu unterscheiden ist dagegen eine wissenschaftliche Herausforderung, die umso größer wird, je weniger Moleküle zur Verfügung stehen. Dabei ist Chiralität („Händigkeit“) von zentraler Bedeutung in der Natur. Denn wie Moleküle reagieren, wie sie riechen, schmecken oder wirken, hängt nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern häufig auch von ihrer räumlichen Anordnung ab.

Während natürlich vorkommende Moleküle meist nur in einer – links- oder rechtshändigen - Variante bekannt sind, treten bei synthetisch erzeugten Molekülen des gleichen Stoffs oft zwei spiegelbildlich ausgerichtete Varianten auf. Diese beiden Molekülvarianten („Enantiomere“) haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften, was vor allem bei Medikamenten schwer wiegende Konsequenzen haben kann. Während das eine Enantiomer heilend wirkt, kann das andere unwirksam oder für den Menschen sogar schädlich sein. Bei Medikamenten, die auf chiralen Molekülen basieren, hat die chemische Analytik daher eine enorm hohe Bedeutung für die Sicherheit und zuverlässige Wirkungsweise.

Mit Hilfe von energiereichen Lichtstrahlen, die nur in Großforschungsanlagen zur Verfügung stehen, gelingt eine derartige Unterscheidung an geringsten Mengen unregelmäßig ausgerichteter Moleküle in der Gasphase erst seit wenigen Jahren. Als Unterscheidungsmerkmal werden die durch die Lichtstrahlen ausgelösten Elektronen herangezogen. Für eine bestimmte Zirkularität des Lichts und eine bestimmte Chiralität des Moleküls verlassen die Elektronen das Molekül beispielsweise in Richtung des Lichtstrahls. Trifft der Lichtstrahl auf Moleküle mit abweichender Chiralität, so dreht sich die Richtung der Elektronen um. Sie fliegen nun überwiegend entgegen der Richtung des Lichtstrahls.

Ein mechanisches Modell kann diesen Sachverhalt veranschaulichen: Versetzt man die Mutter auf einer Schraube rechtsherum in Drehung, so wird sich die Mutter immer in die gleiche Richtung bewegen, egal ob die Schraubenspitze auf den Beobachter zu- oder von ihm weg zeigt. In diesem Beispiel entspricht die Mutter dem Elektron, die Schraube dem Molekül mit einer bestimmten Chiralität und die Rechtsdrehung der Zirkularität des Lichts. Die Richtung der Schraube stellt zwei Extremfälle der unregelmäßig ausgerichteten Moleküle dar. Dieser Vergleich stammt von dem englischen Forscher Ivan Powis, der solche Untersuchungen an Großforschungsanlagen durchgeführt hat.

Für eine Routineanalytik stehen Großforschungsanlagen allerdings nicht zur Verfügung. Hier setzen nun die Arbeiten von Christian Lux, Matthias Wollenhaupt, Tom Bolze, Qingqing Liang, Jens Köhler, Christian Sarpe und Thomas Baumert ein. Das Team setzte ihre energiearmen - aber dafür intensiven - Laserpulse aus dem Labor ein. Im Unterschied zu den Experimenten an einer Großforschungsanlage werden jetzt mehrere Photonen zum Auslösen der Elektronen verwendet. Die Richtungsverteilung der ausgelösten Elektronen wird dadurch weiter verfeinert. Aufgrund der Handlichkeit des Laboraufbaus und wegen der beachtlichen Größe der beobachteten Effekte eröffnet dieser Ansatz einen wichtigen Zugang zu einer neuartigen Analytik. Weil die Laserpulse im Labor zudem auch noch auf Zeitskalen der Bewegung der Elektronen und Kerne der Moleküle maßgeschneidert werden können, erhoffen sich die Forscher auch neue grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung chiraler Moleküle in Lichtfeldern.

Die Arbeiten der Kassler Forscher werden in der 20. Ausgabe 2012 der international renommierten Zeitschrift Angewandte Chemie im Druck erscheinen und wurden am 20. Februar 2012 online gestellt (DOI: 10.1002/anie.201109035). Die Gutachter der Zeitschrift zeichneten den Beitrag mit dem "VIP" Status (VIP = very important paper) aus.

Info
Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel
Institut für Physik
Tel.: 0561/804-4452
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de

Dr. Guido Rijkhoek | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-kassel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte