Det harts som utsöndras av ett skadat barrträd för att skydda platsen för skadan har sin egen karakteristiska kirala signatur inom den för växtens totala utsläpp. Kredit:Lykourgos Bougas
Den kirala signaturen hos en doft kan avslöja om en parfym är äkta eller falsk. På samma sätt kan den kirala signaturen av utsläppen från en växt ge information om huruvida växten är frisk eller sjuk. Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) har utvecklat ett innovativt tillvägagångssätt som kan identifiera och övervaka sådana kirala signaturer. De flesta naturliga kirala ämnen finns i två spegelbildsformer som finns i olika relativa kvantiteter. Därför måste varje växt och varje parfym ha sitt eget individuella kirala kännetecken. Med sitt nya tillvägagångssätt har forskargruppen för första gången kunnat identifiera kirala föreningar i komplexa blandningar av gaser med hög känslighetsnivå och i realtid.
"Vår nya teknik har en enorm potential, speciellt inom jordbruket och den kemiska industrin", säger Dr. Lykourgos Bougas på JGU. Professor Jonathan Williams från MPIC tillade att "utöver kommersiella tillämpningar kommer denna teknik också att göra det möjligt för oss att avkoda kirala signaler i luften runt omkring oss, vilket gör det möjligt för oss att bättre förstå atmosfärens kemi." Samarbetspartnerna har redan ansökt om patent för sin teknik.
Naturligt förekommande lukter skiljer sig från syntetiska
Kiralitet är en grundläggande egenskap hos naturen. Våra högra och vänstra händer är en manifestation av detta. Det viktigaste är att flera biomolekyler finns i två spegelbildsformer som inte kan läggas över varandra - på samma sätt som en högerhand inte får plats i en vänsterhänt handske. Detta kan påverka den biokemiska aktiviteten hos dessa molekyler. Ett unikt exempel är växternas utsläpp. Dessa innehåller flera kirala föreningar som är naturligt närvarande i båda kirala former, D- och L-isomererna eller enantiomererna. Ett framträdande exempel är den kirala molekylen pinen, som är ansvarig för den karakteristiska doften av barrträd och tallar. De relativa förhållandena mellan de två enantiomererna av pinen varierar naturligtvis i utsläppen från sådana växter, men är kritiskt beroende av växtens hälsotillstånd.
Samma princip gäller för komplexa blandningar av naturliga och syntetiska komponenter, som för parfymer. Eventuella kirala ingredienser kommer att förekomma i både D- och L-isomererna men i olika relativa mängder, beroende på om dessa kommer från naturliga källor eller från syntetiska. Eftersom det ofta är så att naturliga komponenter ersätts av syntetiska ämnen i falska/förfalskade parfymer, kommer falska parfymer att ha en kiral signatur som skiljer sig från originalens.
Forskning under beskydd av ULTRACHIRAL-projektet finansierat av Europeiska unionen
De Mainz-baserade forskarna har utvecklat en kavitetsförstärkt polarimetrisk metod för optisk kiral analys som en del av det EU-sponsrade ULTRACHIRAL-projektet. De kunde detektera de olika optiska rotationseffekterna av kirala molekyler under polariserat ljus. För detta överförde de ett prov av en växt- eller parfymdoft till en liten kammare som de exponerade för polariserat ljus. De använde sedan en ny chiralitetskänslig optisk polarimeter för att exakt och exakt mäta den inducerade rotationen av det polariserade ljuset. Forskarna har kunnat uppnå en känslighet som är bättre än den för dagens toppmoderna utrustning i flera storleksordningar.
"Vår nya kirala analysmetod ger oss exakta resultat, snabbare och med bättre känslighet än traditionella tekniker, utan behov av någon kalibrering före varje mätkörning. Dessutom har vår teknik kombinerats med gaskromatografi för första gången för att separera individuella komponenter i en komplex blandning. Som ett resultat kan den kirala formen av varje beståndsdel som finns i en komplex blandning av gaser identifieras direkt och exakt", förklarade JGU-fysikern Dr. Lykourgos Bougas, huvudförfattare till artikeln som nyligen har publicerats i vetenskapliga framsteg . I sin publikation föreslår författarteamet en hel rad möjliga nya tillämpningar för deras detektionsmetod.
Bland dessa är kvalitetskontrollen av parfymer, för närvarande en särskilt komplex process eftersom parfymer innehåller flera hundra eller till och med tusentals olika – naturliga och syntetiska – föreningar. För att visa effektiviteten av deras teknik jämförde forskarna fyra autentiska högkvalitativa kommersiella parfymer med deras billiga förfalskningar. Det Mainz-baserade teamet kunde särskilja de högkvalitativa originalparfymerna från deras imitationer på basis av deras kirala signaturer med hjälp av en enda snabb mätning.
Potentiell användning i växtodling för att övervaka växthälsa och skadedjursangrepp
Tekniken kan också vara av stort intresse inom jordbruksområdet. Med en ung barrväxt kunde teamet visa att den kirala signaturen för anläggningens utsläpp plötsligt förändrades så fort anläggningen skadades. Liknande kirala signaturer har redan observerats i växter som är utsatta för torka eller sjukdomar. Dessa signaturer kan användas i praktiken, till exempel för att kontinuerligt övervaka växtväxter och utlösa ett larm om dessa är angripna av insekter, lider av vattenbrist eller blir ohälsosamma.
Metoden kan också hjälpa till att få ytterligare insikter om de fysikaliska och kemiska processer som sker i vår atmosfär. Det är känt att skogar släpper ut enorma mängder flyktiga organiska föreningar (VOC) i miljön, av vilka många är kirala. Dessa molekyler har inte bara en effekt på kemi och fysik i luften omkring oss utan också på vårt klimat. VOC kan också vara föregångare till sekundära organiska aerosoler som påverkar jordens budget för solstrålning. "Vi är fortfarande i stort sett omedvetna om vilken roll kiralitet spelar i alla dessa processer. För att bättre förstå detta behöver vi nya instrument och nya tillvägagångssätt, som det som vår forskning ger", avslutade Bougas.
För att den nya metoden lättare ska kunna implementeras inom de olika användningsområdena hoppas Dr Lykourgos Bougas och professor Jonathan Williams att en bärbar version av enheten kommer att utvecklas i framtiden. + Utforska vidare
