Chiralität: Bild oder Spiegelbild?

  • 06. March 2012

Kasseler Forschern gelingt Unterscheidung chiraler Moleküle per Femtosekunden-Laser.

Bild und Spiegelbild sind nicht immer leicht auseinander zu halten, wenn es sich um Moleküle handelt. Allerdings kann diese Chiralität genannte Eigenschaft von Molekülen den Unterschied zwischen einem Medikament und einem Gift ausmachen. Ein neuer Ansatz zur Unterscheidung der zwei Varianten ist die chirale Erkennung in der Gasphase. Dabei werden mit Synchrotron-Strahlung aus einem Teilchenbeschleuniger Elektronen aus den Molekülen herausgeschossen und deren Ausbreitungsrichtungen analysiert. Wissenschaftler haben nun dargelegt, dass diese Unterscheidung auch mit einem kompakten Lasersystem gelingt. Statt mit einem einzigen hochenergetischen Lichtteilchen wird das Molekül mit drei Laser-Photonen über Zwischenniveaus angeregt, bis es ein Elektron freisetzt (Rempi-Technik, Resonance-Enhanced-Multi-Photon-Ionization). „So können auch mit weniger energiereichem aber intensiverem Licht Elektronen herausgeschossen werden“, sagt Thomas Baumert, einer der Forscher von der Universität Kassel.

Abb.: Ein Zirkulardichroismus-Effekt im Bereich von ±10 Prozent an zufällig orientierten chiralen Molekülen in der Gasphase stammt aus Abbildungen von Photoelektronen-Winkelverteilungen, die über resonanzverstärkte Multiphoton-Ionisation erzeugt wurden. (Bild: C. Lux, Angew. Chem.)

Abb.: Ein Zirkulardichroismus-Effekt im Bereich von ±10 Prozent an zufällig orientierten chiralen Molekülen in der Gasphase stammt aus Abbildungen von Photoelektronen-Winkelverteilungen, die über resonanzverstärkte Multiphoton-Ionisation erzeugt wurden. (Bild: C. Lux, Angew. Chem.)

Für die Messungen muss das Licht zirkular polarisiert sein. „Gewöhnliches“ Licht besteht aus Wellen, die in allen Raumrichtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Bei linear polarisiertem Licht schwingen die Lichtwellen nur in einer einzigen Ebene. Bei zirkular polarisiertem Licht schwingt die Lichtwelle wendelförmig, denn die Amplitude beschreibt einen Kreis um die Ausbreitungsachse – rechts oder links herum.

Moleküle in der Gasphase sind zufällig orientiert und werden daher in allen möglichen Winkeln vom Laser-Licht getroffen. Die freigesetzten Elektronen fliegen in unterschiedlichsten Richtungen aus dem Molekül. Mithilfe spezieller Messanordnungen und Berechnungsverfahren ist das Team in der Lage, die Winkelverteilung ihrer Flugbahnen zu ermitteln. Im Falle von linear polarisiertem Licht ist diese Verteilung symmetrisch. „Werden die Elektronen mit zirkular polarisiertem Licht herausgeschossen, findet man jedoch eine deutliche Asymmetrie, unter welchen Winkeln die freigesetzten Elektronen gefunden werden“, sagt Baumert. Diese Asymmetrie ist spiegelbildlich, je nachdem ob links oder rechts zirkular polarisiertes Licht verwendet wurde. Der Effekt wird als Photoelektronen-Zirkulardichroismus bezeichnet wird. Den gleichen Effekt beobachteten die Forscher, wenn sie bei festgehaltener zirkularer Polarisation von der „rechtshändigen“ zur „linkshändigen“ Struktur des untersuchten chiralen Moleküls wechselten. Sie konnten dies anhand der chiralen Verbindungen Campher und Fenchon demonstrieren.

„Dieser Zirkulardichroismus-Effekt wurde bisher nur mit Synchrotronstrahlung beobachtet. Unser Ansatz hingegen nutzt ein kompaktes Lasersystem, sodass die Methode nicht nur der Grundlagenforschung dienen, sondern, wegen der beachtlichen Größe der beobachteten Effekte, auch Einzug in die Analytik halten könnte“, sagt Baumert.

Angew. Chem. / PH

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