Optische Methoden zur Unterscheidung von linkshändigen und rechtshändigen Molekülen sind schneller als chemische Methoden und haben ein Potenzial zur Erkennung chiraler Biomarker. Traditionelle optische Methoden stoßen jedoch auf eine Reihe von Herausforderungen, einschließlich der Notwendigkeit großer Probenmengen, um die Linkshändigkeit oder Rechtshändigkeit genau zu identifizieren, was sehr teuer werden kann.
Die neue Forschung führt eine völlig neue Lichtstruktur ein: Das elektrische Feld des Lichts zeichnet in der Zeit eine chirale Kurve nach, deren Händigkeit sich ändert, während man um den Strahl herumgeht. Diese räumliche Variation der Händigkeit erzeugt dann einen 'chiralen Vortex'.
Wenn chirale Moleküle mit diesem Vortex interagieren, emittieren sie Photonen durch Erzeugung Hoher Harmonischer (engl. High-harmonic generation, Nobelpreises für Physik 2023) in einem erkennbaren Muster, das durch ein Experiment erfasst werden kann.
Wenn die Händigkeit eines Moleküls geändert wird, dreht sich das entsprechende Chiralitätsmuster im Raum. Dies wird durch Messungen in einem rotierenden Farbmuster erfasst, das die Händigkeit des Moleküls unterscheidet. Ganz links befindet sich ein linkshändiges Molekül, während das rechts ein rechtshändiges ist, beide mit sehr spezifischen Mustern.
Wenn die Händigkeit des Moleküls geändert wird, dreht sich das entsprechende Muster im Raum. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der Händigkeit der Probe im Vergleich zu Standardmethoden, die sich auf das vergleichsweise schwache Magnetfeld des Lichts verlassen, das ein viel schwächeres Signal erzeugt.
Dr. Nicola Mayer, Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Olga Smirnova am Max-Born-Institut und angehende Marie Skłodowska-Curie-Fellow am King’s College London sowie Erstautor der Studie, sagte: „Traditionelle Messungen der Chiralität hatten Schwierigkeiten, die Konzentration von rechts- und linkshändigen Molekülen in Proben zu identifizieren, die fast gleiche Mengen von beiden enthalten. Mit unserer neuen Methode kann ein winziger Überschuss in der Konzentration eines der beiden Spiegelbild-Moleküle nachgewiesen werden, beispielsweise wenn die Probe zu 49% rechtshändig und zu 51% linkshändig ist. Sie könnte Anwendungen bei der Erkennung chiraler Biomarker finden.“
„Indem wir uns auf die Erkennung eines rotierenden Musters des von den Molekülen emittierten Lichts konzentrieren, ist es viel einfacher, geringfügige Unterschiede in der Händigkeit von verdünnten Proben zu erkennen und zu interpretieren. Darüber hinaus bedeutet die Vortex-Natur des von uns entworfenen Laserstrahls, dass die Signale, die wir empfangen, robust gegen die üblichen Fallstricke von Chiralitätsexperimenten im Labor sind, wie Schwankungen in der Lichtintensität, was es mehr Menschen ermöglicht, diese Arbeit durchzuführen."
