Für die pharmazeutische und chemische Industrie ist die zuverlässige Unterscheidung sogenannter Enantiomere von zentraler Bedeutung – denn spiegelbildliche Moleküle können im Körper völlig unterschiedlich wirken. Ein Forschungsteam aus Indien stellt nun eine Methode vor, die diese Unterscheidung mit verdrehtem Laserlicht deutlich vereinfachen könnte. Beteiligt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Tata Institute of Fundamental Research, des Indian Institute of Technology Bombay und des Indian Institute of Technology Hyderabad. Ihre Ergebnisse wurden im Fachjournal Science Advances veröffentlicht. Kern der Arbeit: Speziell geformtes Licht wirkt wie eine Sonde, die je nach Händigkeit eines Moleküls unterschiedlich reagiert.
- Verdrehtes Laserlicht kann spiegelbildliche Moleküle allein anhand der Zahl ihrer Bruchstücke unterscheiden.
- Getestet wurde die Methode an gasförmigen Proben des chiralen Moleküls Kampfer.
- Die Auswertung erfolgt direkt über Ionensignale – ohne aufwendige Winkelmessungen.
Warum die Händigkeit von Molekülen so schwer zu erkennen ist
Viele Moleküle existieren in zwei spiegelbildlichen Formen – ähnlich wie linke und rechte Hand. Solche chiralen Moleküle sehen identisch aus, können sich in biologischen Systemen und in Medikamenten aber sehr unterschiedlich verhalten. Die Forschenden nutzen das Bild von Schraube und Mutter: Eine rechtsgängige Schraube passt nur in ein rechtsgängiges Gewinde, eine linksgängige greift nicht richtig. Genau dieses „Passen der Gewinde“ lässt sich nun auf die Wechselwirkung von Licht und Materie übertragen.
Die Studie zeigt, dass Licht nicht nur in sich rotieren, sondern sich auch beim Ausbreiten verdrehen lässt. Trifft solches verdrehtes Licht auf chirale Moleküle, hängt das Ergebnis empfindlich davon ab, wie die „Verdrehung“ des Lichts zur inneren Händigkeit des Moleküls passt.
Wie das Experiment mit Kampfer ablief
Die Versuche fanden an der Laseranlage des TIFR in Hyderabad statt. Dort richteten die Forschenden ultrakurze Laserpulse von einigen hundert Femtosekunden mit kontrolliertem Spin und kontrollierter Verdrehung auf gasförmige Proben von R- oder S-Kampfer, einem gut untersuchten chiralen Molekül. Durch die Wechselwirkung zerbrachen die Moleküle in geladene Bruchstücke, die anschließend mit einem Flugzeit-Massenspektrometer analysiert wurden. Dieses Gerät misst, wie schnell Ionen einen Detektor erreichen, und bestimmt so ihre Masse – leichtere Ionen kommen früher an.
Entscheidend war die Beobachtung: Die Zahl der erzeugten Bruchstücke hing von der Kombination aus der Verdrehung des Lichts und der Händigkeit des Moleküls ab.
Allein durch den Vergleich dieser Bruchstückzahlen ließen sich die spiegelbildlichen Moleküle voneinander unterscheiden.
Was die Methode gegenüber bisherigen Verfahren vereinfacht
Herkömmliche Techniken zur Erkennung von Chiralität messen oft sehr kleine Unterschiede darin, wie Moleküle Licht absorbieren, oder verfolgen die Winkelverteilung ausgesandter Elektronen. Beides erfordert häufig komplexe Aufbauten und eine sorgfältige Justierung. Der neue Ansatz liest die Händigkeit dagegen direkt aus den Ionensignalen ab – ohne Winkelmessungen oder Koinzidenzdetektion. Das vereinfacht laut den Forschenden die experimentellen Anforderungen und erhöht zugleich die Empfindlichkeit der Messung.
Ein weiterer Aspekt: Die Moleküle werden in der Gasphase untersucht, also isoliert von äußeren Einflüssen wie Lösungsmitteln oder Oberflächen. Dadurch lässt sich die eigentliche Wechselwirkung zwischen Licht und molekularer Struktur direkter beobachten. Das strukturierte Licht verstärkt diese Wechselwirkung zusätzlich und erzeugt stärkere Unterschiede zwischen den Enantiomeren, als sie mit klassischen optischen Methoden üblich sind.
Welche Bedeutung das für Chemie und Pharmazie haben könnte
Die Ergebnisse deuten auf einen neuen Weg hin, die „Gewinde“ von Licht und Materie aufeinander abzustimmen und verdrehte Laserstrahlen als Sonden für molekulare Händigkeit einzusetzen. Für die Praxis würde das bedeuten, dass sich chirale Moleküle in Chemie, Biologie und Pharmazie potenziell mit einfacheren Aufbauten identifizieren lassen – ein Bereich, in dem das Erkennen des richtigen Enantiomers oft entscheidend ist. Ob und wie schnell sich die Methode über das Laborexperiment hinaus etablieren lässt, muss sich allerdings erst zeigen.
Sehen Sie in verdrehtem Laserlicht eher ein Werkzeug für die Grundlagenforschung oder für die Arzneimittelentwicklung? Teilen Sie Ihre Einschätzung in den Kommentaren.
