Beskadigede planter og falske parfumer kan identificeres hurtigt og pålideligt i realtid

Den chirale signatur af en duft kan afsløre, om en parfume er ægte eller falsk. På samme måde kan den chirale signatur af en plantes emissioner give information om, hvorvidt planten er rask eller syg. Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) har udviklet en innovativ tilgang, der er i stand til at identificere og overvåge sådanne chirale signaturer. De fleste naturlige chirale stoffer findes i to spejlbilleder, der er til stede i forskellige relative mængder. Derfor skal hver plante og hver parfume have sit eget individuelle chirale kendetegn. Ved hjælp af deres nye tilgang har forskerholdet for første gang været i stand til at identificere chirale forbindelser i komplekse blandinger af gasser med et højt niveau af følsomhed og i realtid.

"Vores nye teknik har et enormt potentiale, specielt inden for landbruget og den kemiske industri," sagde Dr. Lykourgos Bougas fra JGU. Professor Jonathan Williams fra MPIC tilføjede, at "udover kommercielle applikationer vil denne teknik også gøre det muligt for os at afkode chirale signaler i luften omkring os, hvilket gør os i stand til bedre at forstå atmosfærens kemi." Samarbejdspartnerne har allerede søgt patent på deres teknik.

Naturligt forekommende lugte adskiller sig fra syntetiske

Kiralitet er en grundlæggende egenskab ved naturen. Vores højre og venstre hånd er en manifestation af dette. Vigtigst er det, at flere biomolekyler eksisterer i to spejlbilleder, der ikke kan lægges over hinanden - på samme måde som en højre hånd ikke vil passe i en venstrehåndshandske. Dette kan påvirke den biokemiske aktivitet af disse molekyler. Et enestående eksempel er planternes emissioner. Disse indeholder flere chirale forbindelser, der er naturligt til stede i begge chirale former, D- og L-isomererne eller enantiomererne. Et fremtrædende eksempel er det chirale molekyle pinen, som er ansvarlig for den karakteristiske duft af nåletræer og fyrretræer. De relative forhold mellem de to enantiomerer af pinen varierer naturligvis i emissionerne fra sådanne planter, men afhænger i høj grad af plantens sundhedstilstand.

Det samme princip gælder for komplekse blandinger af naturlige og syntetiske komponenter, som for parfumer. Eventuelle chirale ingredienser vil forekomme i både D- og L-isomererne, men i forskellige relative mængder, afhængigt af om disse stammer fra naturlige kilder eller fra syntetiske. Da det ofte er tilfældet, at naturlige komponenter erstattes af syntetiske stoffer i falske/falske parfumer, vil falske parfumer have en chiral signatur, der adskiller sig fra originalernes.

Forskning i regi af ULTRACHIRAL-projektet finansieret af Den Europæiske Union

De Mainz-baserede forskere har udviklet en hulrumsforstærket polarimetrisk metode til optisk chiral analyse som en del af det EU-sponsorerede ULTRACHIRAL-projekt. De var i stand til at detektere de forskellige optiske rotationseffekter af chirale molekyler under polariseret lys. Til dette overførte de en prøve af en plante- eller parfumeduft til et lille kammer, som de udsatte for polariseret lys. De brugte derefter et nyt chiralitetsfølsomt optisk polarimeter til at måle præcist og præcist den inducerede rotation af det polariserede lys. Forskerne har i flere størrelsesordener været i stand til at opnå en følsomhed, der er bedre end det nuværende state-of-the-art udstyr.

"Vores nye chiral-analyse tilgang giver os præcise resultater, hurtigere og med bedre følsomheder end traditionelle teknikker, uden behov for nogen kalibrering før hver målekørsel. Derudover er vores teknik blevet kombineret med gaskromatografi for første gang for at adskille individuelle komponenter i en kompleks blanding. Som følge heraf kan den chirale form af hver bestanddel, der er til stede i en kompleks blanding af gasser, identificeres direkte og nøjagtigt," forklarer JGU-fysiker Dr. Lykourgos Bougas, hovedforfatter af det papir, der for nylig er blevet offentliggjort. i videnskabelige fremskridt . I deres publikation foreslår holdet af forfattere en lang række mulige nye anvendelser for deres detektionsmetode.

Blandt disse er kvalitetskontrol af parfumer, som i øjeblikket er en særlig kompleks proces, da parfumer indeholder flere hundrede eller endda tusindvis af forskellige - naturlige og syntetiske - forbindelser. For at demonstrere effektiviteten af ​​deres teknik sammenlignede forskerne fire autentiske højkvalitets kommercielle parfumer med deres billige forfalskninger. Det Mainz-baserede team var i stand til at differentiere de originale parfumer af høj kvalitet fra deres efterligninger på grundlag af deres chirale signaturer ved hjælp af en enkelt hurtig måling.

Potentiel brug i afgrødedyrkning til at overvåge plantesundhed og skadedyrsangreb

Teknikken kan også være af betydelig interesse inden for landbruget. Ved at tage en ung nåletræsplante var holdet i stand til at vise, at den chirale signatur af anlæggets emissioner pludselig ændrede sig, så snart anlægget blev beskadiget. Lignende chirale signaturer er allerede blevet observeret i planter udsat for tørke eller sygdom. Disse signaturer kan bruges i praksis, for eksempel til løbende at overvåge afgrødeplanter og udløse en alarm, hvis disse er angrebet af insekter, lider af mangel på vand eller bliver usunde.

Metoden kan også være med til at opnå yderligere indsigt i de fysiske og kemiske processer, der foregår i vores atmosfære. Det er kendt, at skove frigiver enorme mængder af flygtige organiske forbindelser (VOC'er) til miljøet, hvoraf mange er chirale. Disse molekyler har ikke kun en effekt på kemien og fysikken i luften omkring os, men også på vores klima. VOC'er kan også være forstadier til sekundære organiske aerosoler, der påvirker Jordens solstrålingsbudget. "Vi er stadig stort set uvidende om den rolle, chiralitet spiller i alle disse processer. For bedre at forstå dette, har vi brug for nye instrumenter og nye tilgange, såsom dem, der leveres af vores forskning," konkluderede Bougas.

For at gøre det lettere at implementere den nye metode i de forskellige anvendelsesområder, håber Dr. Lykourgos Bougas og professor Jonathan Williams, at en bærbar version af enheden vil blive udviklet i fremtiden. + Udforsk yderligere

Metamateriale forbedrer signifikant chirale nanopartikelsignaler