Chirale Moleküle aus Gasgemischen nachweisen Spiegeldüfte entlarven Parfüm-Plagiate und kranke Kiefern

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Max-Planck-Institut für Chemie

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Zwei Düfte können gleich riechen, und sich trotzdem auf molekularer Ebene unterscheiden. Denn viele Naturstoffe kommen chiral, also in einer Bild- und einer Spiegelbild-Version vor. Indem Forscher das Verhältnis dieser Versionen analysieren, kommen sie gefälschten Parfüms und kranken Pflanzen auf die Spur.

Mainz – Ob ein Parfüm echt oder gefälscht ist, verrät die chirale Signatur des Duftes. Ebenso kann diese Duftsignatur Auskunft darüber geben, ob eine Pflanze gesund oder krank ist. Dies haben Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPI-C) mithilfe einer neuen Technik entdeckt. Da die meisten natürlichen chiralen Substanzen in zwei spiegelbildlichen Formen vorkommen, die natürlicherweise in unterschiedlichen Mengenverhältnissen entstehen, muss jede Pflanze und jedes Parfüm eine eigene chirale Charakteristik haben. Das Forschungsteam identifizierte mit der Methode die chiralen Verbindungen in einem Gasgemisch erstmals mit hoher Empfindlichkeit und in Echtzeit.

„Die neue Technik hat ein enormes Potenzial, sowohl in der Landwirtschaft als auch in der chemischen Industrie“, sagt Dr. Lykourgos Bougas von der JGU. Prof. Dr. Jonathan Williams vom MPI-C ergänzt: „Neben den industriellen Anwendungen wird uns diese Technik auch ermöglichen, die chiralen Signale in der Luft zu entschlüsseln, um die Chemie der Atmosphäre besser zu verstehen.“ Die Kooperationspartner haben gemeinsam ein Patent auf die Methode angemeldet.

Duft von Parfüm und Pflanzen

Chiralität ist eine häufige Eigenschaft in der Natur. Ein Beispiel sind unsere beiden Hände, die zueinander chiral sind. Ebenso existieren viele Biomoleküle in zwei spiegelbildlichen Formen und sind nicht deckungsgleich. Dies kann sich auf die biochemische Funktion auswirken, ähnlich wie die rechte Hand nicht in einen linken Handschuh passt. Das chirale Molekül Pinen ist beispielsweise für den charakteristischen Geruch von Kiefern und Pinien verantwortlich. Das Verhältnis der beiden Formen (D- und L-Pinen) variiert jedoch bei Pflanzenemissionen und ist auch davon abhängig, ob eine Pflanze gesund oder geschädigt ist.

Ein weiteres Beispiel sind komplexe Mischungen aus natürlichen und synthetischen Inhaltsstoffen, wie sie in Parfüm vorkommen. Die chiralen Bestandteile kommen in beiden Varianten, der D- und der L-Form, vor, aber bei natürlichen und synthetischen Inhaltsstoffen in unterschiedlichen Verhältnissen. Da natürliche Komponenten in nachgeahmten Parfüms oft durch synthetische ersetzt werden, haben die Plagiate eine andere chirale Signatur als die Originale. So lassen sich natürliche Parfüms zuverlässig von synthetischen Fälschungen unterscheiden, selbst wenn ihr Duft identisch ist.

Chiralität in wässriger Phase messen

Mit gedrehtem Licht der Händigkeit von Teilchen auf der Spur

Polarisiertes Licht deckt Unterschiede in Emissionen auf

Im EU- geförderten Projekt Ultrachiral haben die Mainzer Wissenschaftler die „Hohlraum-verstärkte Polarimetrie“ zur optischen Chiralitätsanalyse entwickelt. Dabei nutzen sie die Eigenschaft chiraler Moleküle, polarisiertes Licht unterschiedlich zu drehen. Eine Probe eines Pflanzen- oder Parfümdufts wird dazu in eine kleine Kammer gefüllt, mit Licht bestrahlt und mit einem für Chiralität sensitiven optischen Polarimeter analysiert, um die Drehung von polarisiertem Licht zu messen. Dabei erreichten die Forscher eine Empfindlichkeit, die um Größenordnungen besser ist als der aktuelle Stand der Technik. „Unser neuartiger Ansatz für die chirale Analyse liefert uns genaue Ergebnisse, und dies schneller und empfindlicher als die herkömmlichen Verfahren und ohne, dass vor jeder Messung eine Kalibrierung notwendig ist. Außerdem können wir unsere Technik mit der Gaschromatographie kombinieren, die auch die einzelnen Komponenten voneinander trennen kann“, sagt Lykourgos Bougas, Physiker an der JGU. „Damit lässt sich die chirale Form jeder einzelnen Komponente in einem komplexen Gemisch direkt und genau identifizieren.“

Als eine mögliche Anwendung der Analysetechnik wäre die bisher sehr aufwändige Qualitätskontrolle von Parfüms zu nennen. Solche Duftkompositionen können aus mehreren hundert oder sogar tausend natürlichen und synthetischen Inhaltsstoffen bestehen. Für die Studie haben die Forscher vier bekannte Markenparfüms mit billigeren Kopien verglichen. Mit einer einzigen schnellen Messung gelang es dem Mainzer Team, die hochwertigen Originale anhand ihrer chiralen Signaturen von den Plagiaten zu unterscheiden.

Duftalarm für Äcker und Wälder denkbar

Auch für die Landwirtschaft kann die Technik von Interesse sein. Anhand einer jungen Kiefer hat das Team gezeigt, dass sich die chirale Signatur ihrer Emissionen abrupt ändert, sobald die Pflanze beschädigt wird. Die chirale Charakteristik variiert aber auch, wenn die Pflanze unter Trockenstress leidet oder krank ist. Dieses Phänomen könnte in der Praxis genutzt werden, indem beispielsweise Kulturpflanzen kontinuierlich überwacht werden und ein Alarm anzeigt, ob die Pflanzen unter Insektenbefall, Trockenheit oder Krankheiten leiden.

Darüber hinaus kann die Technik helfen, Erkenntnisse über die physikalischen und chemischen Prozesse in der Erdatmosphäre zu gewinnen. So geben Wälder große Mengen von flüchtigen organischen Verbindungen in die Atmosphäre ab, von denen viele chiral sind. Diese Moleküle beeinflussen sowohl die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Atmosphäre als auch das Klima. Sie können aber auch Vorläufer von sekundären organischen Aerosolen sein, die sich auf die Wärmebilanz der Erde auswirken. „Die Rolle der Chiralität bei all diesen Prozessen ist nach wie vor ziemlich unklar. Um sie zu verstehen, brauchen wir neue Instrumente und Ansätze wie die, die wir in unserer Arbeit vorstellen“, sagt JGU-Physiker Bougas.

Originalpublikation: Lykourgos Bougas, Joseph Byron, Dmitry Budker, Jonathan Williams: Absolute optical chiral analysis using cavity-enhanced polarimetry, Science Advances 8: 22, 3 June 2022; DOI: 10.1126/sciadv.abm3749

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