Met een nieuwe methode kunnen wetenschappers spiegelbeeldstoffen beter van elkaar onderscheiden. Dit is onder meer van belang bij de ontwikkeling van medicijnen, omdat de twee varianten in het menselijk lichaam totaal verschillende effecten kunnen hebben. Onderzoekers van PSI, EPFL en de Universiteit van Genève beschrijven de nieuwe methode in Nature Photonics .

Sommige moleculen bestaan ​​in twee vormen die qua structuur identiek zijn, maar die spiegelbeelden van elkaar zijn, zoals onze rechter- en linkerhand. Deze worden chirale moleculen genoemd. Hun twee spiegelbeeldvormen worden enantiomeren genoemd. Chiraliteit is vooral relevant in biologische moleculen, omdat het verschillende effecten in het lichaam kan veroorzaken. Het is dus essentieel in de biochemie en toxicologie, maar ook bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, om enantiomeren van elkaar te scheiden, zodat bijvoorbeeld alleen de gewenste variant in een geneesmiddel terechtkomt. Nu hebben onderzoekers van PSI, EPFL en de Universiteit van Genève samen een nieuwe methode ontwikkeld waarmee enantiomeren beter van elkaar kunnen worden onderscheiden en dus beter van elkaar kunnen worden gescheiden:helixvormig dichroïsme in het röntgendomein.

De momenteel gevestigde methode om onderscheid te maken tussen enantiomeren wordt circulair dichroïsme (CD) genoemd. Bij deze benadering wordt licht met een bepaalde eigenschap - wat bekend staat als circulaire polarisatie - door het monster gestuurd. Dit licht wordt in verschillende mate geabsorbeerd door de enantiomeren. CD wordt veel gebruikt in de analytische chemie, in biochemisch onderzoek en in de farmaceutische en voedingsindustrie. Bij CD zijn de signalen echter erg zwak:de lichtabsorptie van twee enantiomeren verschilt met iets minder dan 0,1 procent. Er zijn verschillende strategieën om de signalen te versterken, maar deze zijn alleen geschikt als het monster in de gasfase beschikbaar is. De meeste studies in de chemie en biochemie worden echter uitgevoerd in vloeibare oplossingen, voornamelijk in water.

Daarentegen maakt de nieuwe methode gebruik van het zogenaamde spiraalvormige dichroïsme, of kortweg HD. Het effect dat aan dit fenomeen ten grondslag ligt, is te vinden in de vorm van het licht in plaats van de polarisatie ervan:het golffront is gebogen in een spiraalvorm.

Bij de Swiss Light Source SLS bij PSI konden de onderzoekers voor het eerst met succes aantonen dat enantiomeren ook met spiraalvormig röntgenlicht van elkaar konden worden onderscheiden. Bij de cSAXS-bundellijn van SLS demonstreerden ze dit op een monster van het chirale metaalcomplex ijzer-tris-bipyridine in poedervorm, dat de onderzoekers van de Universiteit van Genève beschikbaar hadden gesteld. Het signaal dat ze kregen was enkele ordes van grootte sterker dan wat met CD kan worden bereikt. HD kan ook in vloeibare oplossingen worden gebruikt en vervult daarmee een ideale voorwaarde voor toepassingen in de chemische analyse.

Voor dit experiment was het cruciaal om röntgenlicht te creëren met precies de juiste eigenschappen. De onderzoekers konden dit bereiken met zogenaamde spiral zone plates, een speciaal soort diffractieve röntgenlenzen waardoor ze het licht stuurden voordat het op het monster viel.

"Met de spiraalvormige zoneplaten waren we in staat om ons röntgenlicht op een zeer elegante manier de gewenste vorm en dus een baanimpulsmoment te geven. De bundels die we op deze manier creëren, worden ook wel optische wervels genoemd", zegt PSI-onderzoeker Benedikt Rösner, die de spiraalzoneplaten voor dit experiment ontwierp en vervaardigde.

Jérémy Rouxel, een EPFL-onderzoeker en de eerste auteur van de nieuwe studie, legt verder uit dat "spiraalvormig dichroïsme een volledig nieuw soort licht-materie-interactie biedt. We kunnen het perfect gebruiken om onderscheid te maken tussen enantiomeren." + Verder verkennen

Chiraliteit in realtime volgen