De chirale signatuur van een geur kan onthullen of een parfum echt of nep is. Evenzo kan de chirale signatuur van de emissies van een plant informatie verschaffen over of de plant gezond of ziek is. Onderzoekers van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en het Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) hebben een innovatieve benadering ontwikkeld die in staat is om dergelijke chirale handtekeningen te identificeren en te monitoren. De meeste natuurlijke chirale stoffen worden aangetroffen in twee spiegelbeeldvormen die in verschillende relatieve hoeveelheden aanwezig zijn. Daarom moet elke plant en elk parfum zijn eigen individuele chirale kenmerk hebben. Met behulp van hun nieuwe aanpak is het onderzoeksteam voor het eerst in staat geweest om chirale verbindingen in complexe gasmengsels met een hoge gevoeligheid en in realtime te identificeren.

"Onze nieuwe techniek heeft een enorm potentieel, met name in de landbouw en de chemische industrie", zegt Dr. Lykourgos Bougas van JGU. Professor Jonathan Williams van MPIC voegde toe dat "naast commerciële toepassingen, deze techniek het ons ook mogelijk zal maken om chirale signalen in de lucht om ons heen te decoderen, waardoor we de chemie van de atmosfeer beter kunnen begrijpen." De samenwerkende partners hebben al patent aangevraagd op hun techniek.

Natuurlijk voorkomende geuren verschillen van synthetische

Chiraliteit is een fundamentele eigenschap van de natuur. Onze rechter- en linkerhand zijn hiervan een uiting. Het belangrijkste is dat er verschillende biomoleculen bestaan ​​in twee spiegelbeeldvormen die niet over elkaar heen kunnen worden gelegd - op dezelfde manier dat een rechterhand niet in een linkshandige handschoen past. Dit kan de biochemische activiteit van deze moleculen beïnvloeden. Een uniek voorbeeld is de uitstoot van planten. Deze bevatten verschillende chirale verbindingen die van nature aanwezig zijn in beide chirale vormen, de D- en L-isomeren of enantiomeren. Een prominent voorbeeld is het chirale molecuul pineen, dat verantwoordelijk is voor de karakteristieke geur van coniferen en dennen. De relatieve verhoudingen van de twee enantiomeren van pineen variëren van nature in de emissies van dergelijke planten, maar zijn in belangrijke mate afhankelijk van de gezondheidstoestand van de plant.

Hetzelfde principe geldt in het geval van complexe mengsels van natuurlijke en synthetische componenten, zoals in het geval van parfums. Alle chirale ingrediënten zullen zowel in de D- als in de L-isomeren voorkomen, maar in verschillende relatieve hoeveelheden, afhankelijk van of deze afkomstig zijn van natuurlijke bronnen of van synthetische. Omdat het vaak zo is dat natuurlijke componenten worden vervangen door synthetische stoffen in nep-/namaakparfums, zullen nepparfums een chirale signatuur hebben die verschilt van die van de originelen.

Onderzoek in het kader van het door de Europese Unie gefinancierde ULTRACHIRAL-project

De in Mainz gevestigde onderzoekers hebben een holte-versterkte polarimetrische methode ontwikkeld voor optische chirale analyse als onderdeel van het door de EU gesponsorde ULTRACHIRAL-project. Ze waren in staat om de verschillende optische rotatie-effecten van chirale moleculen onder gepolariseerd licht te detecteren. Hiervoor brachten ze een monster van een planten- of parfumgeur over naar een kleine kamer die ze blootstelden aan gepolariseerd licht. Vervolgens gebruikten ze een nieuwe chiraliteitsgevoelige optische polarimeter om de geïnduceerde rotatie van het gepolariseerde licht nauwkeurig en nauwkeurig te meten. De onderzoekers hebben een gevoeligheid kunnen bereiken die meerdere orden van grootte beter is dan die van de huidige state-of-the-art apparatuur.

"Onze nieuwe benadering van chirale analyse biedt ons nauwkeurige resultaten, sneller en met betere gevoeligheden dan traditionele technieken, zonder dat er voor elke meetrun enige kalibratie nodig is. Bovendien is onze techniek voor het eerst gecombineerd met gaschromatografie om de afzonderlijke componenten in een complex mengsel. Als gevolg hiervan kan de chirale vorm van elk bestanddeel dat aanwezig is in een complex mengsel van gassen direct en nauwkeurig worden geïdentificeerd ", legt JGU-natuurkundige Dr. Lykourgos Bougas uit, hoofdauteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang . In hun publicatie stelt het team van auteurs een hele reeks mogelijke nieuwe toepassingen voor hun detectiemethode voor.

Een daarvan is de kwaliteitscontrole van parfums, momenteel een bijzonder complex proces omdat parfums honderden of zelfs duizenden verschillende natuurlijke en synthetische verbindingen bevatten. Om de effectiviteit van hun techniek aan te tonen, vergeleken de onderzoekers vier authentieke commerciële parfums van hoge kwaliteit met hun goedkope vervalsingen. Het in Mainz gevestigde team was in staat om de hoogwaardige originele parfums te onderscheiden van hun imitaties op basis van hun chirale handtekeningen met behulp van een enkele snelle meting.

Potentieel gebruik in de teelt van gewassen om de gezondheid van planten en plagen te controleren

De techniek kan ook van groot belang zijn op het gebied van landbouw. Door een jonge naaldplant te nemen, kon het team aantonen dat de chirale signatuur van de emissies van de plant plotseling veranderde zodra de plant werd beschadigd. Soortgelijke chirale kenmerken zijn al waargenomen bij planten die onderhevig zijn aan droogte of ziekte. Deze handtekeningen kunnen in de praktijk bijvoorbeeld worden ingezet om akkerplanten continu te monitoren en alarm te slaan als deze door insecten worden aangetast, watertekort hebben of ongezond worden.

De methode kan ook helpen bij het verkrijgen van meer inzicht in de fysische en chemische processen die plaatsvinden in onze atmosfeer. Het is bekend dat bossen grote hoeveelheden vluchtige organische stoffen (VOS) in het milieu afgeven, waarvan vele chiraal zijn. Deze moleculen hebben niet alleen effect op de chemie en fysica van de lucht om ons heen, maar ook op ons klimaat. VOS kunnen ook de voorloperstoffen zijn van secundaire organische aerosolen die het zonnestralingsbudget van de aarde beïnvloeden. "We zijn ons nog grotendeels niet bewust van de rol die chiraliteit speelt in al deze processen. Om dit beter te begrijpen, hebben we nieuwe instrumenten en nieuwe benaderingen nodig, zoals die van ons onderzoek", concludeerde Bougas.

Om de nieuwe methode gemakkelijker te kunnen implementeren in de verschillende toepassingsgebieden, hopen Dr. Lykourgos Bougas en professor Jonathan Williams dat er in de toekomst een draagbare versie van het apparaat zal worden ontwikkeld. + Verder verkennen

Metamateriaal verbetert significant chirale nanodeeltjessignalen